CN111144043A - 生物组织剪切仿真方法、终端设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明适用于计算机图形学领域，提供一种生物组织剪切仿真方法、终端设备及存储介质，通过根据手术器械的刀口在上一帧和当前帧的位置，生成刀口的轨迹面，在轨迹面与连接相交且与轨迹面相交的连接、交点和交点法线满足切裂标准时，根据交点和法线更新拓扑结构生成切面，可以实现高逼真度的剪切断裂效果；在轨迹面与连接不相交，与轨迹面相交的连接、交点和交点法线不满足切裂标准时或生成切面之后，根据刀口的当前位置确定刀口剪切到的连接网格单元，并获取刀口剪切到的连接网格单元内与刀口相交的线段的中点位置，激活刀口剪切到的连接网格单元内预设的虚拟节点并赋值为中点位置，可以将生物组织表面被剪切到时的压痕调整为与刀口一致。

Description

生物组织剪切仿真方法、终端设备及存储介质

技术领域

本发明属于计算机图形学(Computer Graphics，CG)领域，尤其涉及一种生物组织剪切仿真方法、终端设备及存储介质。

背景技术

对可变形的生物组织的剪切仿真是一种在计算机上模拟真实手术操作的技术，它可以抽象为对生物组织的三维体模型的剪切。根据对三维体模型的离散化方式不同，对可变形物组织的剪切方法可以分为基于网格和无网格的两类方法。基于网格的方法将三维体模型离散成四面体网格、六面体网格或多面体网格等体网格，然后在网格单元上应用复合有限元方法(Composite Finite Element Method，CFEM)实现物理仿真。无网格的方法使用点离散化模型，采用基于点的动力学方法实现物理仿真。

现有方法在手术刀碰触到生物组织时会立即生成切口，而在真实的剪切中，生物组织将首先在剪切工具引起的外力下变形，然后在变形达到一定程度才被切开。而复合有限元方法会使得生物组织的表面顶点随着网格单元的变形而发生位置改变，导致在手术刀切到生物组织表面时压痕与刀口不匹配的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种生物组织剪切仿真方法、终端设备及存储介质，以解决现有方法在手术刀碰触到生物组织时会立即生成切口，而在真实的剪切中，生物组织将首先在剪切工具引起的外力下变形，然后在变形达到一定程度才被切开。而复合有限元方法会使得生物组织的表面顶点随着网格单元的变形而发生位置改变，导致在手术刀切到物体表面时压痕与手术刀不匹配的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种生物组织剪切仿真方法，包括：

采用复合有限元方法构建生物组织模型的离散化拓扑结构；其中，所述离散化拓扑结构的所有相邻的细网格单元之间建立有一条连接，所有所述连接组成包括若干连接网格单元的连接网格；

根据手术器械的刀口在上一帧和当前帧的位置，生成所述刀口的轨迹面；

检测所述轨迹面与所述连接是否相交；

在所述轨迹面与所述连接相交时，检测与所述轨迹面相交的连接、交点和交点法线是否满足切裂标准；

在与所述轨迹面相交的连接、交点和交点法线满足切裂标准时，根据所述交点和所述法线更新所述离散化拓扑结构，生成切面；

在所述轨迹面与所述连接不相交，与所述轨迹面相交的连接、交点和交点法线不满足切裂标准时或生成切面之后，根据所述刀口的当前位置确定所述刀口剪切到的连接网格单元，并获取所述刀口剪切到的连接网格单元内与所述刀口相交的线段的中点位置；

激活所述刀口剪切到的连接网格单元内预设的虚拟节点并赋值为所述中点位置；

生成所述生物组织模型的剪切仿真效果图，并返回根据手术器械的刀口在上一帧和当前帧的位置，生成所述刀口的轨迹面。

本发明实施例的第二方面提供了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如本发明实施例的第一方面所述生物组织剪切仿真方法的步骤。

本发明实施例的第三方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明实施例的第一方面所述生物组织剪切仿真方法的步骤。

本发明实施例通过采用复合有限元方法构建生物组织模型的拓扑结构，对生物组织模型的预处理，能够在保持高效计算效率的同时生成精确的生物组织模型的拓扑结构；通过根据手术器械的刀口在上一帧和当前帧的位置，生成刀口的轨迹面，在轨迹面与连接相交且与轨迹面相交的连接、交点和交点法线满足切裂标准时，根据交点和法线更新拓扑结构生成切面，对生物组织模型进行剪切更新处理，能够使手术器械在碰到生物组织模型时不立即产生切面，在满足切裂标准时才产生切面，可以实现高逼真度的剪切断裂效果；通过在轨迹面与连接不相交，与轨迹面相交的连接、交点和交点法线不满足切裂标准时或生成切面之后，根据刀口的当前位置确定刀口剪切到的连接网格单元，并获取刀口剪切到的连接网格单元内与刀口相交的线段的中点位置，激活刀口剪切到的连接网格单元内预设的虚拟节点并赋值为中点位置，对生物组织模型进行影响域表面调整处理，可以将生物组织表面被剪切到时的压痕调整为与刀口一致。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的生物组织剪切仿真方法的第一种流程示意图；

图2是本发明实施例提供的生物组织剪切仿真方法的第二种流程示意图；

图3是本发明实施例提供的生物组织剪切仿真方法的第三种流程示意图；

图4是本发明实施例提供的生物组织剪切仿真方法的第四种流程示意图；

图5是本发明实施例提供的基于复合有限元方法构建的离散化拓扑结构的示意图；

图6是本发明实施例提供的刀口的轨迹面的示意图；

图7是本发明实施例提供的基于延迟切裂标准的剪切过程中的离散化拓扑结构的变化的示意图；

图8是本发明实施例提供的影响域表面调整过程的示意图；

图9是本发明实施例提供的激活虚拟节点的实现过程的示意图；

图10是本发明实施例提供的基于生物组织剪切仿真方法实现的肝脏模型的剪切仿真效果图；

图11是本发明实施例提供的终端设备的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

本发明的一个实施例提供一种生物组织剪切仿真方法，可应用于桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备，具体可以由这些计算设备的处理器在运行相应的计算机程序时执行。所述生物组织剪切仿真方法用于在计算设备上模拟对生物组织的真实手术操作，具体用于模拟对生物组织的剪切过程。生物组织可以是可变形或不可变形的任意植物、动物、细菌、真菌、古细菌等生物的组织，具体可以是可变形的动物组织。

如图1所示，本发明实施例提供的生物组织剪切仿真方法的实现流程包括：

S1、预处理，用于构建生物组织模型的离散化拓扑结构；进入S2；

S2、剪切更新，用于实现高逼真度的剪切断裂效果、更新离散化拓扑结构、生成剪切表面以及更新所述生物组织模型的表面；进入S3；

S3、后处理，用于产生与手术器械的刀口一致的变形和断裂；返回S2。

在应用中，手术器械可以是手术刀或手术剪等能够对生物组织进行剪切的医疗器械。在对同一生物组织进行剪切仿真的过程中，预处理流程S1只执行一次，剪切更新流程S2和后处理流程S3在剪切仿真过程的每一帧图形刷新时都要执行一次。

在应用中，预处理流程S1包括生物组织模型离散化、初始化渲染环境与力反馈设备的环境、物理仿真预计算等。初始化渲染环境需要设置视口大小、视景体、初始化镜头位置、镜头视点等。初始化力反馈设备环境需要设置机械臂的运动空间到渲染空间的映射。物理仿真预计算包括预计算粗网格单元的单位刚度矩阵，粗网格单元的单位刚度矩阵不会随着仿真过程的变化而发生改变，可以预先计算。可以使用复合有限元方法实现生物组织模型的离散化表达与物理仿真，能够有效实现实时性能并生成更精确的生物组织模型的表面。

在应用中，剪切更新流程S2，提供了基于单元复制的离散化拓扑结构更新方法，以使生物组织模型被切开的部分能够正确分离。引入了一种基于几何的延迟切裂标准，以实现高逼真度的剪切断裂效果。

在应用中，后处理流程S3，提出了影响域表面调整算法，调整了剪切操作影响到的生物组织模型的表面顶点，以保证压痕与刀口的一致性，以及调整新生成的剪切后的表面顶点以保证剪切后的生物组织模型的表面与刀口的轨迹的一致性。

如图2所示，在一个实施例中，剪切更新流程S2的实现流程包括：

S201、生成手术器械的刀口的轨迹面；进入S202；

S202、检测轨迹面是否与连接相交；其中，连接为离散化拓扑结构的所有相邻的细网格单元之间建立的连接；若是，进入S203；否则，进入S205；

S203、检测与所述轨迹面相交的连接、交点和交点法线是否满足切裂标准；若是，进入S204；否则进入S205；

S254、更新离散化拓扑结构，生成切面；进入步骤S205；

后处理流程S3包括：

S205、影响域表面调整，用于采用影响域表面调整算法产生与刀口一致的变形和断裂；进入S206；

后处理流程S3之后，包括：

S206、物理仿真；进入S207；

S207、图像渲染；进入S208；

S208、触觉渲染；返回S201。

在应用中，后处理流程S3之后还包括生物组织模型的剪切仿真效果图生成流程，具体包括依次执行的物理仿真流程S206、图像渲染流程S207和触觉渲染流程S208，触觉渲染流程具体用于根据力反馈设备的

如图3所示，在一个实施例中，预处理流程S1包括：

步骤S301、采用复合有限元方法构建生物组织模型的离散化拓扑结构；其中，所述离散化拓扑结构的所有相邻的细网格单元之间建立有一条连接，所有所述连接组成包括若干连接网格单元的连接网格。

在应用中，步骤S301为预处理流程S1的具体实现步骤。

如图4所示，在一个实施例中，步骤S301包括：

步骤S401、将生物组织模型划分为若干六面体型的粗网格单元；进入步骤S402；

步骤S402、将每个所述粗网格单元划分为若干六面体型的细网格单元；进入步骤S403；

步骤S403、建立所有相邻的所述细网格单元的中心点之间的连接，组成连接网格；进入步骤S404；

步骤S404、计算所述生物组织模型的表面与所述连接网格之间的交点和法线，根据所述生物组织模型的表面的法向和每个所述连接的方向的点积符号，将每个所述连接对应的两个细网格单元分别标记为内和外；进入步骤S405和S406；

步骤S405、根据所述生物组织模型的表面与所述连接网格之间的交点和法线，采用双轮廓算法重建所述生物组织模型的表面，并将重建后的所述生物组织模型的表面顶点绑定至离所述表面顶点最近的细网格单元；

步骤S406、删除标记为外的细网格单元和不包含细网格单元的粗网格单元。

在应用中，步骤S404采用宽度有限遍历方法执行。

如图5所示，示例性的示出了基于图3所提供的复合有限元方法构建的离散化拓扑结构；其中，体素即为细网格单元、复合单元即为粗网格单元。

在一个实施例中，步骤S401之前，包括：

导入生物组织模型；

计算所述生物组织模型的重心位置；

移动所述生物组织模型，使所述生物组织模型的重心位置与世界坐标系的原点位置重合；

归一化所述生物组织模型。

在一个实施例中，步骤S401包括：

构建生物组织模型的轴对称包围盒；

选择所述包围盒的最长轴，将所述包围盒扩展为正方体；

按照预设粗网格分辨率将所述正方体划分为若干六面体型的粗网格单元；

分别存储每个所述粗网格单元的粗网格顶点数组和粗网格六面体数组；

建立并存储每个所述粗网格单元的八个顶点到粗网格顶点数组的索引。

在一个实施例中，步骤S402包括：

按照预设细网格分辨率将每个所述粗网格单元划分为若干六面体型的细网格单元；

分别存储每个所述细网格单元的细网格顶点数组、细网格六面体数组和中心点坐标。

在应用中，预设粗网格分辨率和预设细网格分辨率可以根据实际需要设置，具体可以设置为m×n；其中，m≥1、n≥1，m≠n且m和n均为正数。

在一个实施例中，步骤S403包括：

根据每个所述细网格单元的中心点坐标，建立所有相邻的所述细网格单元的中心点之间的连接，组成包括若干六面体型的连接网格单元的连接网格；

分别存储每个所述连接网格单元的连接网格顶点数组和连接网格六面体数组；

建立并存储每个所述连接网格单元的八个顶点到对应的细网格六面体数组的索引。

在一个实施例中，步骤S406之后，包括：

初始化渲染环境和力反馈设备的环境；

预计算每个所述粗网格单元的单位刚度矩阵。

在应用中，预处理流程用于构建生物组织模型的离散化拓扑结构。由于三维体的生物组织模型以表面网格的形式存储，为了实现三维体的物理变形效果与更新操作，需要进行空间离散化。预处理流程中使用复合有限元方法，如图4所示。首先使用较粗粒度的六面体统一网格离散化模型，称为粗网格。对粗网格单元进一步划分成更细粒度的细网格单元，细网格单元组成的网格称为细网格。将完全位于生物组织模型外部的细网格单元与粗网格单元删除。其中，对粗网格采用有限元方法实现物理仿真，由于粗网格分辨率较低，从而能够获得高的计算效率。在细网格上实现表面表达，以保证实现高精度的表面细节。然后，在所有相邻的细网格单元之间建立一条连接，表示细网格单元之间的连接关系，这些连接组成了连接网格。剪切是断开连接的过程，利用切到的连接上的交点与法线，通过双轮廓算法生成剪切后的表面。计算原生物组织模型的表面与连接网格的交点与法线，利用这些交点和法线，通过双轮廓算法将原生物组织模型的表面转化为隐式表达，可以保证生物组织模型的表面表达与剪切表面表达的一致性，从而避免了剪切时需要更新生物组织模型的表面的问题和将生成的剪切表面与生物组织模型的表面连接的操作。

如图3所示，在一个实施例中，剪切更新流程S2包括：

步骤S302、根据手术器械的刀口在上一帧和当前帧的位置，生成所述刀口的轨迹面；进入步骤S303；

步骤S303、检测所述轨迹面与所述连接是否相交；若是，进入步骤S304；若否，进入步骤S306；

步骤S304、在所述轨迹面与所述连接相交时，检测与所述轨迹面相交的连接、交点和交点法线是否满足切裂标准；若是，进入步骤S305；若否，进入步骤S306；

步骤S305、在与所述轨迹面相交的连接、交点和交点法线满足切裂标准时，根据所述交点和所述法线更新所述离散化拓扑结构，生成切面；进入步骤S306。

在应用中，剪切更新过程用于实现高逼真度的剪切断裂效果、更新离散化拓扑结构、生成剪切表面以及更新生物组织模型表面。根据上一帧和当前帧刀口的位置，可以得到刀口移动的轨迹面，与该轨迹面相交的连接认为被切到。在现有基于有限元的剪切方法中，会立即断开这些连接，然后通过表面重建算法生成剪切表面，这在视觉上体现为手术器械具有无穷大的锋利度，碰到生物组织模型时生物组织模型立即就被切开，与真实剪切情况不符。

在一个实施例中，步骤S302包括：

在所述手术器械的刀口采样N个点，记录所述N个点在上一帧和当前帧的位置；其中，N≥2且为整数；

将所述N个点在上一帧的位置连接构成第一线段，将所述N个点在当前帧的位置连接构成第二线段，并根据所述第一线段和所述第二线段生成所述刀口的轨迹面；

将所述N个点在上一帧和当前帧的相应点连接，并将所述N个点在上一帧的第1至N-1个点分别与在当前帧的第2至N个点一一对应连接，将所述刀口的轨迹面划分为2(N-1)个三角形。

在应用中，可以根据实际需要在刀口上采样至少两个点，将N个点在上一帧和当前帧的相应点连接，即为将N个点在上一帧的第1至N个点分别与在当前帧的第1至N个点一一对应连接。

如图6所示，示例性的示出了刀口的轨迹面；其中，(a)示例性的示出了2个点在上一帧的位置连接构成第一线段61，2个点在当前帧的位置连接构成第二线段62，根据第一线段61和第二线段62生成轨迹面63，将2个点在上一帧的第1、2个点分别与在当前帧的第1、2个点一一对应连接，将2个点在上一帧的第1个点与在当前帧的第2个点对应连接，将刀口的轨迹面63划分为2(2-1)＝2个三角形；

(b)示例性的示出了在刀口采样3个点时刀口的轨迹面；其中，3个点在上一帧的位置连接构成第一线段61，3个点在当前帧的位置连接构成第二线段62，根据第一线段61和第二线段62生成轨迹面63，将3个点在上一帧的第1至3个点分别与在当前帧的第1至3个点一一对应连接，将3个点在上一帧的第1、2个点与在当前帧的第2、3个点对应连接，将刀口的轨迹面63划分为2(3-1)＝4个三角形。

在一个实施例中，步骤S303包括：

对所述三角形与所述连接求交点；

在任一所述三角形与任一所述连接有交点时，确定所述轨迹面与所述连接相交；否则，确定所述轨迹面与所述连接不相交；

存储与所述轨迹面相交的连接、交点坐标和交点法线至一个全局的候选连接集合，所述交点法线为所述三角形的法线。

在应用中，具体可以采用层次包围盒方法分别对每个所述三角形递归查找层次二叉树，从而实现对所述三角形与所述连接求交点。为了避免将轨迹面与所有连接求交点，可以采用层次包围盒方法管理连接。通过三角形与包围盒求交点，将轨迹面的每个三角形分别递归查找层次二叉树，直到找出相交的连接，保存这些连接及交点坐标和交点法线到一个全局的候选连接集合，其中，交点法线即为三角形的法线。

在一个实施例中，步骤S304包括：

遍历所述候选连接集合，检测所述候选连接集合中的连接对应的细网格单元是否绑定所述生物组织模型的表面顶点；

在所述候选连接集合中的连接对应的细网格单元绑定所述生物组织模型的表面顶点时，将所有目标表面顶点的运动与所述刀口的运动绑定；其中，所述目标表面顶点为与所述候选连接集合中的连接对应的细网格单元绑定的表面顶点；

存储所有所述目标表面顶点和所有所述目标表面顶点在上一帧的位置至一个候选点集合；

遍历所述候选点集合，计算每个所述目标表面顶点在当前帧和上一帧的位置之间的欧氏距离；

在任一所述目标表面顶点对应的欧氏距离大于第一距离阈值时，确定与所述轨迹面相交的连接、交点和交点法线满足切裂标准；否则，确定与所述轨迹面相交的连接、交点和交点法线不满足切裂标准。

在应用中，遍历候选连接集合，判断选连接集合中的元素所连的细网格单元上是否绑定了表面顶点，如果是，则将这些表面顶点的运动与刀口的运动绑定，并保存这些表面顶点的在上一帧的位置作为参照位置。将这些表面顶点及其参照位置存储在一个候选点集合中。遍历候选点集合，计算这些表面顶点在当前帧的位置与参照位置的欧氏距离d，如果存在某一表面顶点对应的d大于一个给定的第一距离阈值d0，表明在当前帧应当发生剪切，进入步骤S305；否则进入后处理流程(即S306)。

在一个实施例中，步骤S305包括：

遍历所述候选点集合，在任一所述目标表面顶点对应的欧氏距离大于第一距离阈值时，标记欧氏距离大于第二距离阈值的目标表面顶点以及与欧氏距离大于第二距离阈值的目标表面顶点绑定的细网格单元；

遍历所述候选连接集合，检测所述候选连接集合中的连接对应的任一细网格单元是否被标记；

在所述候选连接集合中的连接对应的任一细网格单元被标记时，将所有目标连接存储至一个切断集合，并从所述候选连接集合中删去所有所述目标连接；其中，所述目标连接为所述候选连接集合中对应的任一细网格单元被标记的连接；

确定所述切断集合中每个所述连接对应的细网格单元的父网格单元，并获取每个所述父网格单元的子网格单元的连通分量；

分别将每个所述父网格单元复制成对应的子网格单元的连通分量的个数；其中，复制得到的每个父网格单元包含被复制的父网格单元的子网格单元的一个连通分量；

检测相邻的被复制的父网格单元的邻接性；

在相邻的被复制的父网格单元包含的连通分量相连时，将连通分量相连且相邻的被复制的父网格单元的共享面上的顶点合并。

在应用中，再次候选点集合，利用步骤S304中计算出的欧氏距离d，与给定的第二个距离阈值d1(d1<d0)比较，如果d>d1，将满足条件的表面顶点及其所绑定的细网格单元标记。遍历候选连接集合，如果存在某个连接所连的细网格单元中有任意一个被标记，将这些连接收集起来放入切断集合并把这些连接从候选连接集合中删去。找出切断集合中的连接所连的细网格单元及细网格单元的父网格单元(即细网格单元所属的粗网格单元)。对每个找出的粗网格单元，通过宽度优先遍历找出其子网格单元(即找出的粗网格单元所包含的所有细网格单元)的连通分量。将每个粗网格单元复制成其子网格单元的连通分量的个数，每个复制后的粗网格单元包含其中一个连通分量。将每个被复制的粗网格单元及其被复制之前相邻的粗六面体单元(相邻的粗六面体单元可能也被复制)进行邻接性判断，如果被复制的粗网格单元与其被复制之前的相邻的粗六面体单元的连通分量相连，则将这两个粗网格单元对应的顶点合并，也即将这两个粗网格单元的共享面上的顶点的索引指向粗网格顶点数组的同一个位置。

在应用中，剪切更新算法提出了基于几何的延迟切裂标准，将离散化拓扑结构中切到的连接和相应的交点法线收集到一个候选连接集合，如果这些连接所连的细网格单元上绑定了表面顶点，则将这些表面顶点的运动与刀口的运动绑定，并计算刀口对这些表面顶点所属的粗网格单元的碰撞力，分散到粗网格单元的各个顶点。在每帧进行剪切更新前，候选连接集合中的连接所连的细网格单元的中心点的变形偏移被用于确定剪切是否发生断裂，一旦最大变形偏移超过给定的第一距离阈值d0，就进行剪切计算。观察到真实剪切不会断开候选连接集合中所有的连接，第二距离阈值d1被用于检测候选连接集合中的连接是否断开。断开这些满足条件的连接，取出相应的交点法线数据执行后续的离散化拓扑结构更新与剪切表面生成操作。

如图7所示，示例性的示出了基于延迟切裂标准的剪切过程中的离散化拓扑结构的变化；其中，(a)至(d)依次是与刀口接触前的生物组织模型、在较小应力下产生变形的生物组织模型、满足延迟断裂标准的将要产生剪切的生物组织模型和产生剪切后的生物组织模型。

在一个实施例中，后处理流程S3包括：

步骤S306、在与所述轨迹面相交的连接、交点和交点法线不满足切裂标准时或生成切面之后，根据所述刀口的当前位置确定所述刀口剪切到的连接网格单元，并获取所述刀口剪切到的连接网格单元内与所述刀口相交的线段的中点位置；进入步骤S307；

步骤S307、激活所述刀口剪切到的连接网格单元内预设的虚拟节点并赋值为所述中点位置；进入步骤S308。

在一个实施例中，步骤S306之前，包括：

遍历所述候选点集合，检测所述候选点集合中每个目标表面顶点的标记状态；

取消激活所述候选点集合中未被标记的目标表面顶点对应的连接网格单元内预设的虚拟节点，并从所述候选点集合中删去未被标记的目标表面顶点；

计算所述候选点集合中被标记的目标表面顶点到所述轨迹面的投影顶点的位置；

激活所述候选点集合中被标记的目标表面顶点对应的连接网格单元内预设的虚拟节点并赋值为所述投影顶点的位置。

在应用中，在后处理流程中，设计了一个影响域表面调整算法，以产生和刀口的轨迹一致的变形和断裂。还提出了一种可以和双轮廓方法无缝结合的局部表面重建方法，首先，通过调整剪切影响到的细网格单元上绑定的表面顶点，生成与刀口对齐的线段序列；然后，将这些调整后的表面顶点转换到双轮廓网格(即连接网格)内，使其与基于复合有限元的剪切方法的表面表达兼容。在剪切更新流程中，绑定到刀刀口的表面顶点随刀口一起移动。为了生成和刀口一致的压痕曲线，表面顶点必须恰好位于刀口上，如图8(a)所示。在剪切表面和曲面网格之间检测到碰撞后，可以计算出表面网格上的剪切轨迹，同样可以计算出影响到的细网格单元及其绑定的表面顶点，调整相应的表面顶点，以在与刀口一致的表面上形成凹口。为了最大程度地减少表面网格的拉伸，为每个待调整的表面顶点计算一个指向轨迹面的投影顶点，如图8(b)所示。将这些投影顶点投影到计算的位置会生成所需的片段序列，如图8(c)所示，从而提高了表面表达的精度。然而，只通过在连接上添加交点来调整双轮廓网格难以实现。此外，双轮廓方法无法产生精确的剪切切面。因此，通过引入位于连接网格单元内部的虚拟节点来增强双轮廓网格。所有连接网格单元都初始化一个未激活的虚拟节点。一旦需要调整表面点或在连接网格单元内发生断裂，就会激活虚拟节点并为其分配所需的位置。在双轮廓表面的重建计算中，当连接网格单元内具有激活的虚拟节点时，该虚拟节点的位置被返回。当剪切发生，表面点被释放时，它对应的连接网格六面体内的虚拟节点也将转化为未激活状态。如图9所示，示例性的示出了激活虚拟节点的实现过程。

如3所示，在一个实施例中，后处理流程S3之后包括：

步骤S308、生成所述生物组织模型的剪切仿真效果图；返回步骤S302。

在一个实施例中，步骤S308包括：

依次对进行影响域表面调整处理后的所述生物组织模型进行物理仿真、图形渲染和触觉渲染，生成所述生物组织模型剪切仿真效果图。

如图10所示，示例性的示出了基于生物组织剪切仿真方法实现的肝脏模型的剪切仿真效果图。

在应用中，在基于复合有限元的基本剪切中，每一帧一旦刀口与生物组织模型发生碰撞，就会产生剪切断裂并相应地重建剪切表面(如图10的第一行所示)。与延迟切裂标准整合后，仅当体素中心的最大偏移量超过给定的断裂阈值时才发生剪切断裂。然后，可以获得比原始方法视觉上更加可信的虚拟剪切效果。延迟切裂标准的结果如图10的第二和第三行所示；其中，(e)，(f)，(h)，(i)，(j)，(l)仅发生变形，(g)，(k)发生了剪切断裂。由于精细有限元网格单元的分辨率受到限制，因此要生成与手术器械高度一致的表面会占用大量计算资源。当剪切末端未完全位于连接网格单元的边上时，剪切表面上会产生明显的不一致，显示出图10(d)所示不一致的伪影。本发明提出的影响域表面调整方法很好地解决了这个问题。在每一列的右下角展示了剪切位置处的网格细节的放大视图。(i)展示了影响域表面调整后的结果，此时压痕与手术刀刀口位置高度一致。

本发明实施例通过采用复合有限元方法构建生物组织模型的拓扑结构，对生物组织模型的预处理，能够在保持高效计算效率的同时生成精确的生物组织模型的拓扑结构；通过根据手术器械的刀口在上一帧和当前帧的位置，生成刀口的轨迹面，在轨迹面与连接相交且与轨迹面相交的连接、交点和交点法线满足切裂标准时，根据交点和法线更新拓扑结构生成切面，对生物组织模型进行剪切更新处理，能够使手术器械在碰到生物组织模型时不立即产生切面，在满足切裂标准时才产生切面，可以实现高逼真度的剪切断裂效果；通过在在轨迹面与连接不相交，与轨迹面相交的连接、交点和交点法线不满足切裂标准时或生成切面之后，根据刀口的当前位置确定刀口剪切到的连接网格单元，并获取刀口剪切到的连接网格单元内与刀口相交的线段的中点位置，激活刀口剪切到的连接网格单元内预设的虚拟节点并赋值为中点位置，对生物组织模型进行影响域表面调整处理，将生物组织表面被剪切到时的压痕调整为与刀口一致。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

图11是本发明的一个实施例提供的终端设备100的示意图。如图11所示，终端设备100包括：处理器10、存储器11以及存储在所述存储器11中并可在所述处理器10上运行的计算机程序12，例如生物组织剪切仿真程序。所述处理器10执行所述计算机程序12时实现上述各个生物组织剪切仿真方法实施例中的步骤，例如所示的步骤S301至S108。

示例性的，所述计算机程序12可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器11中，并由所述处理器10执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序12在所述终端设备6中的执行过程。例如，所述计算机程序12可以被分割成预处理模块、剪切更新模块、后处理模块、效果图生成模块，各模块具体功能如下：

预处理模块，用于采用复合有限元方法构建生物组织模型的离散化拓扑结构；其中，所述离散化拓扑结构的所有相邻的细网格单元之间建立有一条连接，所有所述连接组成包括若干连接网格单元的连接网格；

剪切更新模块，用于：

根据手术器械的刀口在上一帧和当前帧的位置，生成所述刀口的轨迹面；

检测所述轨迹面与所述连接是否相交；

在所述轨迹面与所述连接相交时，检测与所述轨迹面相交的连接、交点和交点法线是否满足切裂标准；

在与所述轨迹面相交的连接、交点和交点法线满足切裂标准时，根据所述交点和所述法线更新所述离散化拓扑结构，生成切面；

后处理模块，用于：

在所述轨迹面与所述连接不相交，与所述轨迹面相交的连接、交点和交点法线不满足切裂标准时或生成切面之后，根据所述刀口的当前位置确定所述刀口剪切到的连接网格单元，并获取所述刀口剪切到的连接网格单元内与所述刀口相交的线段的中点位置；

激活所述刀口剪切到的连接网格单元内预设的虚拟节点并赋值为所述中点位置；

效果图生成模块，用于生成所述生物组织模型的剪切仿真效果图，并返回剪切更新模块。

所述终端设备100可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器10、存储器11。本领域技术人员可以理解，图11仅仅是终端设备100的示例，并不构成对终端设备100的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述/终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器10可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器11可以是所述终端设备100的内部存储单元，例如终端设备100的硬盘或内存。所述存储器11也可以是所述终端设备100的外部存储设备，例如所述终端设备100上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器11还可以既包括所述终端设备100的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器11用于存储所述计算机程序以及所述终端设备所需的其他程序和数据。所述存储器11还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种生物组织剪切仿真方法，其特征在于，包括：

采用复合有限元方法构建生物组织模型的离散化拓扑结构；其中，所述离散化拓扑结构的所有相邻的细网格单元之间建立有一条连接，所有所述连接组成包括若干连接网格单元的连接网格；

根据手术器械的刀口在上一帧和当前帧的位置，生成所述刀口的轨迹面；

检测所述轨迹面与所述连接是否相交；

在所述轨迹面与所述连接相交时，检测与所述轨迹面相交的连接、交点和交点法线是否满足切裂标准；

在与所述轨迹面相交的连接、交点和交点法线满足切裂标准时，根据所述交点和所述法线更新所述离散化拓扑结构，生成切面；

在所述轨迹面与所述连接不相交，与所述轨迹面相交的连接、交点和交点法线不满足切裂标准时或生成切面之后，根据所述刀口的当前位置确定所述刀口剪切到的连接网格单元，并获取所述刀口剪切到的连接网格单元内与所述刀口相交的线段的中点位置；

激活所述刀口剪切到的连接网格单元内预设的虚拟节点并赋值为所述中点位置；

生成所述生物组织模型的剪切仿真效果图，并返回根据手术器械的刀口在上一帧和当前帧的位置，生成所述刀口的轨迹面。

2.如权利要求1所述的生物组织剪切仿真方法，其特征在于，采用复合有限元方法构建生物组织模型的拓扑结构，包括：

将生物组织模型划分为若干六面体型的粗网格单元；

将每个所述粗网格单元划分为若干六面体型的细网格单元；

建立所有相邻的所述细网格单元的中心点之间的连接，组成连接网格；

计算所述生物组织模型的表面与所述连接网格之间的交点和法线，根据所述生物组织模型的表面的法向和每个所述连接的方向的点积符号，将每个所述连接对应的两个细网格单元分别标记为内和外；

根据所述生物组织模型的表面与所述连接网格之间的交点和法线，采用双轮廓算法重建所述生物组织模型的表面，并将重建后的所述生物组织模型的表面顶点绑定至离所述表面顶点最近的细网格单元；

删除标记为外的细网格单元和不包含细网格单元的粗网格单元。

3.如权利要求2所述的生物组织剪切仿真方法，其特征在于，将生物组织模型划分为若干六面体型的粗网格单元之前，包括：

导入生物组织模型；

计算所述生物组织模型的重心位置；

移动所述生物组织模型，使所述生物组织模型的重心位置与世界坐标系的原点位置重合；

归一化所述生物组织模型。

4.如权利要求2所述的生物组织剪切仿真方法，其特征在于，将生物组织模型划分为若干六面体型的粗网格单元，包括：

构建生物组织模型的轴对称包围盒；

选择所述包围盒的最长轴，将所述包围盒扩展为正方体；

按照预设粗网格分辨率将所述正方体划分为若干六面体型的粗网格单元；

分别存储每个所述粗网格单元的粗网格顶点数组和粗网格六面体数组；

建立并存储每个所述粗网格单元的八个顶点到粗网格顶点数组的索引；

将每个所述粗网格单元划分为若干六面体型的细网格单元，包括：

按照预设细网格分辨率将每个所述粗网格单元划分为若干六面体型的细网格单元；

分别存储每个所述细网格单元的细网格顶点数组、细网格六面体数组和中心点坐标；

建立所有相邻的所述细网格单元的中心点之间的连接，组成连接网格，包括：

根据每个所述细网格单元的中心点坐标，建立所有相邻的所述细网格单元的中心点之间的连接，组成包括若干六面体型的连接网格单元的连接网格；

分别存储每个所述连接网格单元的连接网格顶点数组和连接网格六面体数组；

建立并存储每个所述连接网格单元的八个顶点到对应的细网格六面体数组的索引。

5.如权利要求2所述的生物组织剪切仿真方法，其特征在于，删除标记为外的细网格单元和不包含细网格单元的粗网格单元之后，包括：

初始化渲染环境和力反馈设备的环境；

预计算每个所述粗网格单元的单位刚度矩阵。

6.如权利要求1～5任一项所述的生物组织剪切仿真方法，其特征在于，根据手术器械的刀口在上一帧和当前帧的位置，生成所述刀口的轨迹面，包括：

在所述手术器械的刀口采样N个点，记录所述N个点在上一帧和当前帧的位置；其中，N≥2且为整数；

将所述N个点在上一帧的位置连接构成第一线段，将所述N个点在当前帧的位置连接构成第二线段，并根据所述第一线段和所述第二线段生成所述刀口的轨迹面；

将所述N个点在上一帧和当前帧的相应点连接，并将所述N个点在上一帧的第1至N-1个点分别与在当前帧的第2至N个点一一对应连接，将所述刀口的轨迹面划分为2(N-1)个三角形。

7.如权利要求6所述的生物组织剪切仿真方法，其特征在于，检测所述轨迹面与所述连接是否相交，包括：

对所述三角形与所述连接求交点；

在任一所述三角形与任一所述连接有交点时，确定所述轨迹面与所述连接相交；否则，确定所述轨迹面与所述连接不相交；

存储与所述轨迹面相交的连接、交点坐标和交点法线至一个全局的候选连接集合，所述交点法线为所述三角形的法线。

8.如权利要求7所述的生物组织剪切仿真方法，其特征在于，对所述三角形与所述连接求交点，包括：

采用层次包围盒方法分别对每个所述三角形递归查找层次二叉树。

9.如权利要求7或8所述的生物组织剪切仿真方法，其特征在于，在所述轨迹面与所述连接相交时，检测与所述轨迹面相交的连接、交点和交点法线是否满足切裂标准，包括：

遍历所述候选连接集合，检测所述候选连接集合中的连接对应的细网格单元是否绑定所述生物组织模型的表面顶点；

在所述候选连接集合中的连接对应的细网格单元绑定所述生物组织模型的表面顶点时，将所有目标表面顶点的运动与所述刀口的运动绑定；其中，所述目标表面顶点为与所述候选连接集合中的连接对应的细网格单元绑定的表面顶点；

存储所有所述目标表面顶点和所有所述目标表面顶点在上一帧的位置至一个候选点集合；

遍历所述候选点集合，计算每个所述目标表面顶点在当前帧和上一帧的位置之间的欧氏距离；

在任一所述目标表面顶点对应的欧氏距离大于第一距离阈值时，确定与所述轨迹面相交的连接、交点和交点法线满足切裂标准；否则，确定与所述轨迹面相交的连接、交点和交点法线不满足切裂标准。

10.如权利要求9所述的生物组织剪切仿真方法，其特征在于，在与所述轨迹面相交的连接、交点和交点法线满足切裂标准时，根据所述交点和所述法线更新所述离散化拓扑结构，生成切面，包括：

遍历所述候选点集合，在任一所述目标表面顶点对应的欧氏距离大于第一距离阈值时，标记欧氏距离大于第二距离阈值的目标表面顶点以及与欧氏距离大于第二距离阈值的目标表面顶点绑定的细网格单元；其中，第二距离阈值小于第一距离阈值；

遍历所述候选连接集合，检测所述候选连接集合中的连接对应的任一细网格单元是否被标记；

在所述候选连接集合中的连接对应的任一细网格单元被标记时，将所有目标连接存储至一个切断集合，并从所述候选连接集合中删去所有所述目标连接；其中，所述目标连接为所述候选连接集合中对应的任一细网格单元被标记的连接；

确定所述切断集合中每个所述连接对应的细网格单元的父网格单元，并获取每个所述父网格单元的子网格单元的连通分量；

分别将每个所述父网格单元复制成对应的子网格单元的连通分量的个数；其中，复制得到的每个父网格单元包含被复制的父网格单元的子网格单元的一个连通分量；

检测相邻的被复制的父网格单元的邻接性；

在相邻的被复制的父网格单元包含的连通分量相连时，将连通分量相连且相邻的被复制的父网格单元的共享面上的顶点合并。

11.如权利要求10所述的生物组织剪切仿真方法，其特征在于，根据所述刀口的当前位置确定所述刀口剪切到的连接网格单元，并获取所述刀口剪切到的连接网格单元内与所述刀口相交的线段的中点位置之前，包括：

遍历所述候选点集合，检测所述候选点集合中每个目标表面顶点的标记状态；

取消激活所述候选点集合中未被标记的目标表面顶点对应的连接网格单元内预设的虚拟节点，并从所述候选点集合中删去未被标记的目标表面顶点；

计算所述候选点集合中被标记的目标表面顶点到所述轨迹面的投影顶点的位置；

激活所述候选点集合中被标记的目标表面顶点对应的连接网格单元内预设的虚拟节点并赋值为所述投影顶点的位置。

12.如权利要求1所述的生物组织剪切仿真方法，其特征在于，生成所述生物组织模型剪切仿真效果图，包括：

依次对进行影响域表面调整处理后的所述生物组织模型进行物理仿真、图形渲染和触觉渲染，生成所述生物组织模型剪切仿真效果图。

13.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至12任一项所述生物组织剪切仿真方法的步骤。

14.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至12任一项所述生物组织剪切仿真方法的步骤。

Images