一种非均匀软组织网格模型的自适应网格细化方法

1.本发明涉及一种非均匀软组织网格模型的自适应网格细化方法，属于计算机图形学技术领域。


背景技术：

2.虚拟现实技术的不断发展对手术的顺利进行做出了巨大的贡献，使用虚拟现实技术对手术的过程进行模拟不仅可以提升医务人员的手术技巧，还能够结合医疗器械对患者精选远程手术，于传染性强的疾病而言，可以大大降低医患之间交叉感染的风险；在虚拟手术中，模拟的沉浸感和软组织变形的真实性都是至关重要的。
3.现有的对软组织模型的改进方法中，研究人员多专注于研究如何使网格能更好细化为更细小的网格同时使用各种辅助手段保持其效率的算法，以此来提高模型的精度和实时性；比如：xie等人(xie hujin，song jialu，zhong yongmin，li jiankun，gu chengfan，choi kup-sze，extended kalman filter nonlinear finite element method for nonlinear soft tissue deformation)提出了非线性软组织变形的扩展卡尔曼滤波器非线性有限元方法，利用扩展卡尔曼滤波器对有限元模型进行计算辅助，使得模型在满足实时要求的情况下建立更高精度均匀网格模型；然而由于人体器官事实上含有多种密度的软组织，它们在外力作用下可能会发生不同的变形，故只是追求在不影响实时性对软组织进行更高精度均匀网格模型建立的方法显然是存在不足的；且对模型整体建立高精度模型计算量较大，仿真的实时性有待提高。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种非均匀软组织网格模型的自适应网格细化方法，能够提高非均匀软组织模拟仿真的真实性和实时性。
5.为实现以上目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
6.本发明提供了一种非均匀软组织网格模型的自适应网格细化方法，包括：
7.根据用户注视一级四面体网格模型的眼动数据生成眼动热点图；
8.根据眼动热点图提取一级四面体网格模型的初次细化区域，获取一级四面体网格模型的顶点密度值；
9.对初次细化区域进行基于顶点密度值的初次细化，得到二级四面体网格模型；
10.根据外力的传导范围从二级四面体网格模型中提取再次细化区域；
11.对再次细化区域进行基于顶点密度值的再次细化，得到与非均匀软组织相适应的三级四面体网格模型；
12.其中，所述一级四面体网格模型通过非均匀软组织的ct图像构建获取。
13.进一步的，根据眼动热点图提取一级四面体网格模型的初次细化区域，包括：
14.提取眼动热点图中红色区域坐标，根据所述红色区域坐标对红色区域覆盖的一级四面体网格模型表面的顶点进行一级标记，将被一级标记的相邻顶点构成的区域作为一个
注视区域，筛选出总注视时间最长的注视区域，获取选取注视区域的区域中心点，以所述区域中心点为圆心，以所述区域中心点到选取注视区域边缘顶点的最大值为半径做圆，所述圆内所有顶点组成的四面体为初次细化区域。
15.进一步的，一级四面体网格模型的顶点密度值通过如下方法获取：
16.ρ＝b+kct
17.其中，ρ是顶点的密度值，ct是ct图像数据中的ct值，b、k是ct值与密度值的转换参数。
18.进一步的，对初次细化区域进行基于密度值的初次细化，包括：
19.对初次细化区域内未进行二级标记的四面体一一进行四面体网格均匀细化，直至检测到四面体边长满足预设边长要求后对四面体进行二级标记。
20.进一步的，所述预设边长范围基于密度值进行设置：
[0021][0022]
l
min
＝0.3l
max
[0023]
其中，l
max
是预设边长的最大值，a是四面体边缘长度与密度之比的参数，是四面体密度值，vj是四面体第j个顶点的密度值，l
min
是预设边长的最小值。
[0024]
进一步的，所述外力的传导范围通过如下方法获取：
[0025]
外力作用点在外力作用下开始移动，其邻接顶点在外力作用点施加的力的作用下开始移动，外力开始传导，目标顶点为当前产生位移的顶点，其邻接顶点移动距离通过如下方法求得：
[0026][0027]
其中，h为目标顶点的邻接顶点移动距离，d为移位前目标顶点与其邻接顶点之间的距离，h
t
为目标顶点的位移，t为位移时间，为目标顶点与其邻接顶点的密度均值；
[0028]
直至检测到邻接顶点移动距离小于预设顶点位移阈值，则所有产生位移的顶点组成外力的传导范围。
[0029]
进一步的，在顶点移动过程中，预设有相邻顶点间距离变化阈值：
[0030][0031]
其中ds为目标顶点与其邻接顶点之间的初始距离，c为位移量与密度值之比的参数，d
t
为移位后目标顶点与其邻接顶点之间的距离，为目标顶点与其邻接顶点的密度均值。
[0032]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
[0033]
本发明提供的一种非均匀软组织网格模型的自适应网格细化方法，根据用户注视一级四面体网格模型的眼动数据生成眼动热点图，提前感应操作区域,减少实时运算量，模拟仿真的实时性提高；根据眼动热点图提取一级四面体网格模型的初次细化区域，获取一级四面体网格模型的顶点密度值，对初次细化区域进行基于密度值的初次细化，在进行初
次细化时考虑到人体器官内部密度不均匀，而不同密度的软组织在受力时会产生不同形变的特性，基于顶点的密度值对一级四面体网格模型进行初次细化，有助于提高模型仿真的真实性；根据外力的传导范围从二级四面体网格模型中提取再次细化区域，对再次细化区域进行基于密度值的再次细化，基于初次细化区域和再次细化区域实现非均匀软组织网格模型的自适应网格细化，区别于现有技术中针对整体模型进行的细化，本发明算法简化了计算量，模拟仿真的实时性提高；
[0034]
在对形变部位顶点的位移进行计算时，考虑到真实环境下非均匀软组织的特性，预设了相邻顶点间距离变化阈值，用以防止模拟过程中软组织的过度伸缩，使模拟更接近软组织的真实形变，进一步提高模型仿真的真实性。
附图说明
[0035]
图1是本发明实施例提供的一种非均匀软组织网格模型的自适应网格细化方法的流程图；
[0036]
图2是本发明实施例提供的细化的流程图。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0038]
如图1所示，本发明实施例提供的一种非均匀软组织网格模型的自适应网格细化方法，包括：
[0039]
获取ct图像，根据ct图像构建一级四面体网格模型，一级四面体网格模型是低精度的。
[0040]
s1、根据用户注视一级四面体网格模型的眼动数据生成眼动热点图。
[0041]
s2、根据眼动热点图提取一级四面体网格模型的初次细化区域，获取一级四面体网格模型的顶点密度值。
[0042]
获取ct图像中的ct数据，根据ct数据中的ct值的特性对上述一级四面体网格模型的所有顶点的密度值进行换算。
[0043]
顶点密度值ρ为：ρ＝b+kct
[0044]
其中，ct是ct图像数据中的ct值，b、k是ct值与密度值的转换参数；ct值是ct图像中各组织与x线衰减系数相当的对应值，是测定人体某一局部组织或器官密度大小的一种计量单位，故设定顶点密度值ρ与ct值成正比。
[0045]
根据眼动热点图中的颜色分布，提取红色区域坐标，根据红色区域坐标对红色区域对应的一级四面体网格模型中顶点进行一级标记，将被一级标记的相邻顶点围成的区域作为一个注视区域，注视区域i的总注视时间ti为：
[0046][0047]
其中，n为注视区域中顶点的个数，tj为注视区域第j个顶点的注视时间。
[0048]
选取总注视时间最长的注视区域，设选取注视区域的区域中心点坐标p为：
[0049][0050]
其中，n为注视区域中顶点的个数，pj为第j个顶点的坐标，tj为注视区域第j个顶点的注视时间，ti为注视区域i的总注视时间。
[0051]
以选取注视区域的区域中心点为圆心，以该圆心到选取注视区域的边缘顶点的最大值为半径做圆，处于该圆的范围内的所有顶点组成的四面体为初次细化区域。
[0052]
s3、对初次细化区域进行基于顶点密度值的初次细化，得到二级四面体网格模型。
[0053]
如图2所示，在初次细化区域内，筛选出未进行二级标记的四面体一一进行细化，对四面体进行判断以防止已经细化的四面体重复进行细化。
[0054]
定义四面体密度值为它四个顶点密度值的均值，即四面体密度值v为：
[0055][0056]
其中，vj是四面体第j个顶点的密度值。
[0057]
对于未进行二级标记的四面体根据密度值计算四面体边缘长度阈值为：
[0058][0059]
l
min
＝0.3l
max
[0060]
其中，l
max
是四面体边缘长度最大值，a是四面体边缘长度与密度之比的参数，是四面体密度值，vj是四面体第j个顶点的密度值，l
min
是四面体边缘长度最小值。
[0061]
对未进行二级标记的四面体进行传统的四面体网格均匀细分，再对细化后的四面体边缘长度进行判断，符合预设边长范围则对四面体进行二级标记，若不符合预设边长范围则对四面体继续进行细化，直至四面体边缘长度符合预设边长范围。
[0062]
重复上述步骤直到初次细化区域中的四面体全部进行过二级标记，得到二级四面体网格模型。
[0063]
s4、根据外力的传导范围从二级四面体网格模型中提取再次细化区域。
[0064]
预先设置一个顶点位移阈值h
min
，当顶的位移小于该顶点位移阈值时，假设作用力不会继续往更远处的质点传导，由外力的传导范围确定再次细化区域的边界，在本实施例中所述顶点位移阈值设置为0.01。
[0065]
目标顶点为当前产生位移的顶点，利用质量-弹簧模型，假设目标顶点与其邻接顶点之间存在一个无质量弹簧，当目标顶点移动时，它与弹簧相连的邻接顶点一起移动，邻接顶点的位移取决于密度和目标顶点之间的距离，其邻接顶点移动距离h计算公式为：
[0066][0067]
其中，d为移位前目标顶点与其邻接顶点之间的距离，h
t
为目标顶点的位移，t为位移时间，为目标顶点与其邻接顶点的密度均值。
[0068]
直至检测到邻接顶点移动距离小于预设顶点位移阈值h
min
，则所有产生位移的顶点组成外力的传导范围。
[0069]
在顶点移动过程中，预设有相邻顶点间距离变化阈值：
[0070][0071]
其中ds为目标顶点与其邻接顶点之间的初始距离，c为位移量与密度值之比的参数，d
t
为移位后目标顶点与其邻接顶点之间的距离，为目标顶点与其邻接顶点的密度均值；当d
t
超过最大或最小值时，将把d
t
重新设定为最大或最小值。
[0072]
s5、对再次细化区域进行基于顶点密度值的再次细化，得到与非均匀软组织相适应的三级四面体网格模型。
[0073]
对s4中得到的再次细化区域进行基于密度值的再次细化，所述再次细化的步骤和s3中初次细化的步骤等同，得到三级四面体网格模型，完成非均匀软组织网格模型的自适应网格细化。
[0074]
本发明实施例提出了一种非均匀软组织网格模型的自适应网格细化方法，提高了变形仿真的精度以及仿真的实时性；另外，本发明还定义了一种基于密度的相邻顶点距离阈值，与传统直接固定拉伸比不同，本算法考虑到了软组织越柔软拉伸性越好，即软组织密度越小伸性越好，密度越大拉伸性越差的思想对顶点位移阈值进行了新的定义。
[0075]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0076]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0077]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0078]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0079]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。