一种虚拟手术中流血与抽吸交互模型的建模方法与流程

1.本发明属于虚拟现实中的虚拟手术技术领域，具体涉及一种虚拟手术中流血与抽吸交互模型的建模方法。


背景技术：

2.虚拟现实技术(vr)是一门融合了仿真技术、多媒体技术、传感技术等多种技术的交叉学科。vr技术通过计算机创建的虚拟世界，为用户提供了除视觉外，还有听觉、触觉、嗅觉等多种感知。用户通过摇头、眨眼、手势或其他行为作为输入，计算机识别后进行处理并及时做出响应，然后反馈到用户的五官，给用户带来如真实一般的沉浸感。虚拟手术是虚拟现实技术在医学教育上的一项重要作用。外科医生在对病人实施手术之前，可以通过虚拟手术系统完成真实手术场景中各种情况和操作的演练，以提高对手术操作的熟练度从而有效降低手术风险，提高手术的成功率。相比于传统的采取动物尸体的手术训练方式，虚拟手术给实习外科医生提供了一个可以重复使用的手术训练平台。这样大大减少了医院培养实习医生所耗费的资源。虚拟手术的研究已经成为全世界的前沿课题，其主要涉及的领域包括软组织的形变、切割、流血等等。而流血在手术过程中是一个不可避免的现象，它不仅会直接影响外科医生的医疗判断和手术操作甚至会给患者带来过度失血的风险。因此，流血仿真是虚拟手术平台中重要的组成部分，其对于培训外科医生处理出血的能力极为重要。
3.navier-stokes(n-s)方程以数学方程的形式描述了流体的物理特性，并且被运用于许多生产邻域。血液的大多数物理性质符合该方程。基于拉格朗日粒子的sph方法可以忽略质量守恒方程和对流项，从而大大减少了求解n-s方程的计算复杂度，因此被很多研究者们用来模拟血液等其他流体。
4.尽管现有的对于流血模拟的研究取得了很好的成果，但仍然存在一些不足。大多数流血仿真的研究只是着眼于提高血液的视觉效果，却少有处理流血或止血的交互过程模拟。并且，采用简单的n-s方程并不能很好的模拟出血液的生物特性，比如血液的凝固、变色、吸附特性等。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的不足与难题，本发明旨在提供一种虚拟手术中流血与抽吸交互模型的建模方法。本发明目的之一是通过引入血液抽吸模型，增加手术过程中对处理出血的交互过程模拟。目的之二是通过引入粒子吸附模型，实现软组织对血液的吸附效果，提高流血在抽吸交互过程中模拟的逼真性。目的之三是通过对血液生物特性的研究，提出了一种根据出血时间计算血液颜色的方法，解决了血液在一个长时间的手术过程中的变色问题；提出了一种根据出血量计算血液透明度的方法，提高了流血模拟的真实性。
6.本发明通过以下技术方案予以实现：
7.一种虚拟手术中流血与抽吸交互模型的建模方法，包括以下步骤：
8.步骤一、在每个时间周期内，随机生成一定数量的流血粒子，并且让粒子的初始位
置以圆形或椭圆形的方式均匀的分布在出血点的位置区域，然后再计算粒子的受力；
9.步骤二、引入了抽吸模型对所有流血粒子的位置逐一进行判定；如果粒子i位于抽吸器的抽吸范围内r，则将该粒子i标记为被删除的粒子；否则，如果粒子i处在抽吸影响范围内r～r时，对其施加一个抽吸力；否则，不对其进行额外的处理；
10.步骤三、引入了吸附模型对所有流血粒子的位置逐一进行判定；如果粒子i位于软组织的吸附范围内，则将该粒子i标记为吸附粒子；否则，如果粒子i位于软组织的吸附影响范围内时，对粒子i施加一个吸附力；否则，不对其进行额外的处理；
11.步骤四、根据出血时间计算血液对应的rgb值，根据出血量计算血液的透明度，以便渲染流血。
12.优选地，步骤一中粒子的初始位置为：
[0013][0014]ri
＝rand(0，l)，θi＝rand(0，2π)
[0015]
式中，(xi，yi，zi)为粒子i的位置坐标，ri为范围0～l中的一个随机数，l为常数，为范围0～π内的一个随机数，θi为范围0～2不中的一个随机数，η、μ均为缩放系数，(a，b，c)为出血点的位置坐标。
[0016]
优选地，步骤二中粒子i受到的抽吸力为：
[0017]fisuck
＝ω(r-di)n(r
s-ri)di＝|r
s-ri|
[0018]
式中，ω为常数，取值为1；r为抽吸影响域半径，取值为两倍的r；di为粒子与抽吸器尖端的距离，ri为粒子i的位置坐标，rs为抽吸器代理点的位置坐标，n为阶数，取值范围为[1，3]。
[0019]
优选地，步骤三中还包括：如果软组织吸附的粒子数量达到饱和，则不再吸附更多的粒子；
[0020]
判断粒子i处对应的软组织区域是否达到饱和状态的方法为：将流血区域划分成很多等大的小正方形，然后统计每个正方形内的吸附粒子数量，如果其值达到给定的阈值，则达到饱和。
[0021]
优选地，步骤三中吸附力的计算公式为：
[0022][0023]
式中，disi为粒子i与软组织表面的垂直距离；km为材质参数，它代表软组织的吸附强度，其值越大吸附强度越大，其值为0表示材质不具有吸附特性；为粒子i处对应的软组织表面的法向量；ε为判定粒子是否处于吸附范围的阈值，取值为粒子半径的1.5倍；σ是用来判断粒子是否处于吸附影响范围的阈值，取值为粒子半径的15倍。
[0024]
优选地，步骤四中血液对应的rgb值为：
[0025][0026]
式中，(cr，cg，cb)为在t时刻血液颜色对应的rgb值，(c
r0
，c
g0
，c
b0
)为在初始时刻t＝t0时血液颜色对应的rgb值，分别为控制cr，cg，cb三个分量值变化率的常数，t0为初始时刻血液的温度，h为室温，α为牛顿冷却定律中的降温系数；
[0027]
血液的透明度值为：
[0028][0029][0030]
式中，alpha
i，j
是网格单元grid
i，j
的透明度，num
i，j
为网格单元grid
i，j
中的粒子数量；为大于num
i，j
的常数参数，一般设置为透明度达到最大值时的粒子个数；τ为透明度的下限值，φ为控制透明度变化率的指数。
[0031]
与现有技术相比，本发明提供的虚拟手术中流血与抽吸交互模型的建模方法，通过引入抽吸模型，增加了手术过程中对处理出血的交互过程模拟；通过引入吸附模型，实现了在血液抽吸交互过程中软组织表面对血液的吸附效果；通过对血液生物特性的研究，实现了血液在手术过程中的变色模拟，提高了流血的视觉效果。
附图说明
[0032]
图1为本发明所述的抽吸模型示意图。
[0033]
图2为本发明所述的吸附模型示意图。
[0034]
图3为未使用本发明所述的吸附模型和使用该模型的血液抽吸效果对比图。
[0035]
图4为使用本发明所述的计算血液透明度的方法的血液透明效果对比图。
[0036]
图5为本发明流程图。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
[0038]
本发明提供了一种虚拟手术中流血与抽吸交互模型的建模方法，其能够增加虚拟手术过程中对处理出血的交互过程模拟，提高虚拟手术中流血仿真的真实性，其流程如图5所示，具体包括：
[0039]
首先，在每个时间步长timestep内，随机生成一定数量的流血粒子，并且让粒子的初始位置以圆形(或椭圆)的形状均匀的分布在出血点的位置周围，以模拟血液的真实扩散形式。粒子的数量根据出血情况人为设定。在本发明中，取每个时间步长内生成50个粒子。
[0040]
其中，粒子i的初始位置为：
[0041][0042]ri
＝rand(0，l)，θi＝rand(0，2π)
[0043]
式中，(xi，yi，zi)为粒子i的位置坐标，ri为范围0～l中的一个随机数，l为常数，为范围0～不内的一个随机数，θi为范围0～2π中的一个随机数，η、μ均为缩放系数，(a，b，c)为出血点的位置坐标。值得注意的是，每次随机数的取值都不同。
[0044]
在本实施例中，l取值为1，η取值为1，μ取值为0.3。
[0045]
之后，根据n-s方程计算所有粒子的压力、粘性力和外力。
[0046]
之后，对所有流血粒子的位置逐一进行判定。如图1所示，如果粒子i位于手术抽吸器的抽吸范围内(0～r)，即粒子i与抽吸器尖端的距离小于r，将该粒子i标记为删除的粒子；如果粒子i位于抽吸影响范围内(r～r)时，即粒子i与抽吸器尖端的距离大于r小于r时，对其施加一个抽吸力。如果粒子既不在抽吸范围内，也不在抽吸影响范围内，则不对其进行额外的处理。对于被标记为删除的粒子，在下一个时间步长后将不再计算受力和更新速度、位置，也不再对其进行渲染。
[0047]
在本实施例中，抽吸范围的半径r取值为1，抽吸影响范围r取为2。
[0048]
其中，粒子i受到的抽吸力为：
[0049]fisuck
＝ω(r-di)n(r
s-ri)di＝|r
s-ri|
[0050]
式中，ω为控制抽吸力大小的常参数，一般取值为1；r为抽吸影响域半径，一般取值为两倍的r；di为粒子与抽吸器尖端的距离，ri为粒子i的位置坐标，rs为抽吸器代理点的位置坐标，n为阶数，取值范围一般为[1，3]。
[0051]
之后，对所有流血粒子的位置逐一进行判定。如图2所示，如果粒子i位于软组织的吸附范围ε内，并且该粒子所在的区域未达到吸附饱和，则将该粒子i标记为吸附粒子；如果粒子i位于吸附影响范围内ε～σ，则对粒子i施加一个吸附力；如果粒子既不在软组织的吸附范围内，也不在软组织的吸附影响范围内，则不对其进行额外的处理。值得注意的是，吸附后的粒子，不能被标记为删除的粒子，不需要再计算和更新它的力、速度、位置等信息，但需要对其进行渲染。
[0052]
其中判断粒子i处的软组织区域是否达到吸附饱和的方法为：
[0053]
将流血区域划分成很多等大的小正方形，统计每个正方形中吸附粒子数量，如果其值达到给定的阈值，则达到饱和。
[0054]
在本实施例中，取每个小正方形的边长为0.15，吸附阈值为2。
[0055]
其中，吸附力的计算公式为：
[0056][0057]
式中，disi为粒子i与软组织表面的垂直距离；km为材质参数，它代表软组织的吸附强度，其值越大吸附强度越大，其值为0表示材质不具有吸附特性；为粒子i处对应的软组织表面的法向量；ε为判定粒子是否处于吸附范围的阈值，一般取值为粒子半径的1.5倍左
右；σ是用来判断粒子是否处于吸附影响范围的阈值，一般取值为粒子半径的15倍左右。
[0058]
在本实施例中取km为4，ε为0.2，σ为2。
[0059]
之后，根据出血时间计算血液颜色对应的rgb值。
[0060]
血液颜色对应的rgb值为：
[0061][0062]
式中，(cr，cg，cb)为在t时刻血液颜色对应的rgb值，(c
r0
，c
g0
，c
b0
)为在初始时刻t＝t0时血液颜色对应的rgb值，分别为控制cr，cg，cb三个分量值变化率的常数，t0为初始时刻血液的温度，h为室温，α为牛顿冷却定律中的降温系数。
[0063]
在本实施例中，取(c
r0
，c
g0
，c
b0
)的值为(159，10，7)，的值为60，2，2，t0为38.5摄氏度，h为25摄氏度，t0＝0，α的值为0.15。
[0064]
之后，我们将流血区域划分成许多大小相等的网格单元，根据网格单元中的粒子数量来计算血液的透明度，以便渲染流血。
[0065]
其中血液的透明度值为：
[0066][0067][0068]
式中alpha
i，j
是网格单元grid
i，j
的透明度，num
i，j
为网格单元grid
i，j
中的粒子数量，为大于num
i，j
的常数参数，一般设置为透明度达到最大值时的粒子个数，τ为透明度的下限值，φ为控制透明度变化率的指数。
[0069]
在本实施例中，一般取的值为5～10，τ的值为0.03，φ的值为1/2或1/3。
[0070]
之后采用上述提供的方法，建立流血与抽吸模型。
[0071]
采用本发明提供的虚拟手术中流血与抽吸交互模型的建模方法，引入了抽吸模型和吸附模型，以及血液的变色过程。未使用本发明所述的吸附模型和使用该模型的血液抽吸效果对比如图3所示。使用本发明所述的计算血液透明度的方法，在出血粒子数量分别为3000,6000和9000时的血液透明效果对比如图4所示。通过图3可以看出，使用本发明提供的方法，引入抽吸模型和吸附模型，增加了手术过程中对处理出血的交互过程模拟，实现了血液的吸附特性；通过图4可以看出，流血量直接影响血液的透明度，粒子数越多，透明度越低，这能够很好的反应出血液的深度信息。
[0072]
采用本发明提供的虚拟手术中流血与抽吸交互模型的建模方法，通过引入抽吸模型，增加了手术过程中对处理出血的交互过程模拟；通过对血液生物特性的研究，实现了血液的吸附特性和变色性模拟，提高了流血的视觉效果。
[0073]
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及同等范围所限定的一般概念下，本发明并不限于
特定的细节和这里描述的图例。