基于元球模型的软组织建模与手术模拟

With the constant application of virtual reality in medical area, virtual surgery technique and VR-based medical simulators have attracted increasing interests from both academic and industrial fields. The core research content in virtual surgery is the soft tissue modeling and surgery simulation. Metaballs, as a special implicit surface modeling method, can effectively express continuous, smooth and blobby surfaces. It has natural advantage to describe the geometric and physical model of human soft tissue organs. However, in this area, current research hardly gives a good solution to the problems of texture rendering and metaballs subdivision/merging in cutting simulation. It blocks the application of metaballs based approaches in virtual surgery research. Therefore, to break through the bottlenecks above, the aim of this project is to research the metaballs-based soft tissue modeling and surgery simulation technique. The research topics includes: the automatic generation of metaballs set from polygon mesh; metaballs-based physical modeling, which includes collision detection and deformation algorithms; the mapping of control points from metaballs to polygon mesh; metaballs-based cutting and fracture simulation. Finally, the metaballs-based virtual surgery engine will be implemented and applied in our developed virtual laparoscopic surgery simulator.

随着虚拟现实技术（VR）在医学领域应用的不断拓展和深入，虚拟手术及VR手术模拟器越来越受到学术界和工业界的关注。虚拟手术技术研究的核心和难点是人体软组织的建模及其手术操作的模拟。元球模型作为一种特殊的隐式曲面造型技术，可以有效地描述光滑、圆润的曲面，在人体器官的几何及物理建模上有着天然的优势。然而元球模型在纹理渲染上存在不足，而且现有研究没有很好地解决切割模拟中元球集合的分裂与合并等问题，因而制约了该技术在VR手术模拟中的应用。本课题将针对基于元球模型的人体软组织建模和手术模拟技术展开研究，力争取得理论和技术突破。具体内容包括：从多边形网格模型自动生成元球模型的方法；基于元球集合的人体软组织物理建模；从元球集合到多边形网格的映射算法；基于元球模型的人体软组织切割、撕裂等手术操作的模拟。在上述理论和技术研究的基础上，研制基于元球模型的虚拟手术引擎，并应用到我们已开发的腹腔镜虚拟手术平台上。

虚拟手术技术研究的核心和难点是人体软组织的建模及其手术操作的模拟。元球模型作为一种特殊的隐式曲面造型技术，可以有效地描述光滑、圆润的曲面，在人体器官的几何及物理建模上有着天然的优势。然而元球模型在纹理渲染，切割仿真等方面存在不足。针对上述问题，本项目重点研究了基于元球模型的人体软组织建模与手术模拟的方法，主要内容及进展包括：.（1）元球模型自动提取及优化： 为了充分发挥元球模型在碰撞检测和变形上的优势，本项目研究了基于维诺图的多边形网格模型的元球模型自动提取方法，用其生成的元球集合作为软组织器官的力学模型来计算碰撞检测和物理变形。同时研究了元球模型的优化算法，并提出一种电荷引力模型对元球模型进行全局优化。该过程通过CUDA进行并行加速，比传统的方法速度更快。针对手术中，刚性的手术器械与软组织的频繁碰撞，提出并实现了一种自适应的碰撞检测方法，能够快速地检测软组织间及与器械的碰撞。.（2）元球的物理建模方法及形变求解：在器官软组织变形这一方面，本项目研究了元球模型拓扑结构的构建，并提出了一种基于位置动力学和拉普拉斯坐标约束相结合的形变算法，该方法能够在尽量保证软组织物理真实的情况下，实现快速变形。同时，研究并实现了一种基于蒙皮技术的器官表皮模型的形变算法，使得变形后的器官表面保持光滑的几何特性。.（3）基于元球的软组织实时切割仿真：在手术切割模拟中，本项目研究并实现了一种基于元球及无网格混合的快速切割模拟算法。该方法既保持了元球模型在人体器官几何上的简化性和变形的实时性，同时利用无网格模型添加了跟材质相关的能量约束，使其在器官切割的模拟中得到更逼真、更符合物理特性的视觉效果。另外，针对手术电凝的过程模拟，设计了一种基于热扩散方程的电凝灼烧模拟方法。. 目前，以上技术已经集成并应用到开发的腹腔镜虚拟手术平台上，研制了相应的虚拟手术引擎。