一种虚拟手术切口模型的仿真方法_吴德道.pdf
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1、基金项目:国家自然科学基金资助项目(61862044);江西省自然科学基金面上项目(20192BAB207015);江西省自然科学基金重点项目(20171ACB20007)收稿日期:20210331修回日期:20210522第 40 卷第 2 期计算机仿真2023 年 2 月文章编号:10069348(2023)02049206一种虚拟手术切口模型的仿真方法吴德道1,2,刘小平1,3(1 南昌大学信息工程学院,江西 南昌 330031;2 景德镇陶瓷大学,江西 景德镇 333000;3 卡尔顿大学系统与计算机工程系,渥太华 加拿大 K1S 5B6)摘要:虚拟手术仿真系统中软组织切口模型的模拟对
2、于视觉场景高真实感呈现具有重要意义。传统的切口仿真模型包括曲面模型、体模型和面体混合模型,但存在切口表示缺乏具体、网格结构不稳定、过程复杂等问题。针对上述问题,提出一种虚拟手术切口模型仿真方法。方法简化了切割线与目标网格面的对应关系,并利用可调参数曲线模拟切口边界。另外,通过减少对切割线周围网格面的修改,保证网格结构的完整性和稳定性。以虚拟肝脏为实验对象,实现了对肝脏切口的仿真。实验表明,上述方法不仅适合虚拟手术切口模拟,而且创建了一种具有立体感的内腔结构,可实现高真实感虚拟手术切口的实时渲染。关键词:高真实感呈现;切口模型;网格切割;重网格化;虚拟手术中图分类号:TP391.9文献标识码:B
3、A Simulation Method ofto Simulate a VirtualSurgical Incision ModelWU Dedao1,2,LIU Xiaoping1,3(1 School of Information Engineering,Nanchang University,Nanchang Jiangxi 330031,China;2 Jingdezhen Ceramics University,Jingdezhen Jiangxi 333000,China;3 Department of System and Computer Engineering,Carleto
4、n University,Ottawa K1S 5B6,Canada)ABSTACT:The simulation of soft tissue incision model in virtual surgical simulation system is of great significancefor the highly realistic rendering presentation of visual scenes The traditional incision simulation models include sur-face model,volume model and mi
5、xed surface and volume model,but there are some problems such as the lack of spe-cific incision presentation,unstable mesh structure and complex process To solve these problems,a simulation methodof virtual surgical incision model was presented,which simplified the correspondence between the cutting
6、 line and thetarget mesh and simulated the incision boundary with the adjustable parameter curve Furthermore,the integrity andstability of the mesh structure were guaranteed by less modification of the mesh surface around the cutting line In thispaper,the virtual liver was used as the experimental o
7、bject and the incision simulation was well realized Experimentsshow that this method is not only suitable for virtual incision simulation,but also creates a 3d inner cavity structure forrealtime rendering of highly realistic incisionsKEYWODS:High realistic rendering;Incision model;Mesh cutting;emesh
8、ing;Virtual surgery2941引言在虚拟手术仿真系统中建立自然、准确的软组织切口模型是该领域研究的重点之一1。主要体现在虚拟手术切口生成后切口面几何和拓扑结构发生了明显的变化,特别是网格化方法中需要重网格化,这将给模型的仿真带来很大的问题2 ,3。而经过一段时间的发展,研究者们提出许多模拟软组织切口模型4。根据建模过程中是否需要对虚拟器官和组织对象进行细分和预处理,可以将软组织切口模型分为基于网格和无网格的两种建模架构5。虚拟手术切口模型的仿真涉及到使用网格切割技术修改多边形或三维网格。网格切割是网格编辑研究的一个重要组成部分,包括重映射、变形、合并、简化和平滑操作。目前,关于
9、网格切割的研究大多集中在虚拟手术和医学仿真领域,其中较为常见的是三维扫描和三维网格表示。而大多数医学领域以外的软件只处理多边形网格的应用,使得该技术在网格表面操作上更加成熟。曲面网格的使用不仅提高了基于多边形的渲染引擎的可用性和性能,而且还是实时应用的关键因素。早在 1997 年,Nielsen 等首次提出基于网格的单元去除法6。为提高切口的仿真效果,Nielsen 等提出改进模型,如边缘折叠法、顶点复制分裂法、曲面约束法等。这种切口模型只处理虚拟物体的表面网格,使用较少的点和面来表示物体的表面形状,但不能表达物体内部的信息。为更好地模拟和显示物体被切割后的各种内部变化,Bielser 等人提
10、出一种基于体积模型7 的体积元细分法。之后,相继出现虚拟节点法、部分剖分法和立方体单元划分法等改进模型。所有上述模型需要将预处理网格细分8,9,在切割过程中进行网格更新和重组,成本很多。2009 年,丹尼斯等人结合对象空间色散的无网格方法和基于网格表面重建技术,并成功地应用在子宫镜检查和切削仿真。但该方法数据结构复杂,算法复杂度高,计算效率低。而目前混合模型最大的困难是如何管理好两个不同的建模系统10。根据 Bruyns 等人11 的研究,他们把网格切割技术分为重网格化、切割路径的定义和新原语的创建。前两种方法是在间隔点之间或在选定点之间构造一个连续平面,而它们的区别是如何设置切割路径。模板与
11、网格基元的碰撞检测是第三种方法的要求。此外,Bruyns 等还描述了渐进切割方案。为实现刀具的原始碰撞,在刀具连续移动位置之间构造一个扫描面。对原语测试曲面的扫描生成边和面的交点,其中新节点连接到新创建的边和面,然后替换原语,该方案适合多层目标的碰撞检测。而对于非渐进式切割方法,存储的信息大多是冗余的,而重网格化方案只处理边边和边面相交的情况。此外,切割暴露了表面网格的内部,因此该方法只适用于多层网格。Zhang 等人12 提出一种表面网格模型的渐进式切割技术,该技术将网格元素细分,并沿选择的切割路径构造内部结构。在切割线与三角面边缘相交的地方创建两个新节点。这两个节点初始是一样的,但随着切割
12、完成而分离。这种分离留下一个切口槽,其深度由刀具尖端的切割深度来定义。在此基础上,他们还提出一种渐进式切割算法,通过执行临时细分和动态构造切口槽来跟踪刀具在三角形中的运动。与前一种方案一样,该方法没有一个完整的网格重映射方案,并且没有网格表示的定义,这使得该方法难以重现。Van der Stappen 和 Nienhuys13 定义一种切割技术,通过限制原始元素不具有短边或大角度使得生成的新元素较少,从而产生形状良好的网格结构。切割工具的任意一次移动都会移动一个额外的活动节点。在每次移动之后,对应三角形将被重新映射到本地。通过这种方式,删除切割工具前面的节点,然后将其插入到工具之后。该方法的特
13、点是切割前后目标网格的分辨率保持不变,但切割路径的精度不能得到提高,而这是由初始网格的分辨率决定的14。Lim 等人15 提出一种基于节点捕获的渐进式切割算法。第一次碰撞接触时,最近的节点被拉到目标网格和工具之间的初始接触位置。在切割过程中,切割路径上的每个节点被分成两个方向相反、垂直于切割线的节点。最后,设置一个切割槽来创建体积切割的错觉。为解决切割路径的切割分辨率依赖于周围网格的细分问题,他们还提出一种局部细分算法16。这种方法允许更准确地表示切割路径,但内存成本高且性能降低。针对上述建立切口模型方法的优缺点,提出一种实时模拟切口模型的方法。该方法直接与表面网格交互,并在程序运行时生成新的
14、几何拓扑,为后续切口模型的高真实感渲染提供一个切口内腔结构。本文其余部分组织如下:第 2 节中给出建模方案中使用的模拟方法和相应算法。第 3 节通过实验进一步证实仿真方法的有效性。最后,在第 4 节对本文的研究成果进行总结,并对未来的研究提出建议。2建模方法通常当一个锋利物体穿过真实软组织表面撕裂表皮使皮下组织可见时,就在软组织表面留下一个切口。利用网格编辑技术对切割影响的网格区域进行局部修改,从而可在虚拟环境中重现这一现象。本节中,将研究与切口模拟相关的算法和技术,包括将切割线与目标网格融合并将切割线扩展成切口以及生成切割槽。2.1融合切割线在目标网格中插入一条切割线段作为模拟切割边界,会改
15、变原始网格的许多属性并破坏原始网格的完整性。因此,为避免这一问题,在插入新的切割线之前,需要对切割线周围的局部几何拓扑进行细分。图 1 描绘出切割线与目标网格的融合。对于每段切割线段,端点可以与三角形网格的节点重合,也可以是它的一条边,或者两者都在三角形网格内等。注:自上而下,首先虚线绘制切割线,其次以点划线表示应该进行的细分方式,最后生成新的三角网格。394图 1插入的切割线融合到目标网格中按照切割线与目标网格共点情况划分为三类:第一类是不共点情况,切割线端点与网格顶点没有重合也是最常出现的情况如图 2 上所示。第二类是共点情况,切割线端点与网格面顶点重合,如图 2 下所示。第三类是比较特殊
16、的情况,整个切割线包含在一个三角网格内,由于切割线太短,这种情况的切割没有任何实际意义,因此在程序中忽略处理。切割线段 p0p1 与三角网格 f 之间的每种位置关系需要不同的方式将其融合到 f 中。根据剖分线的定义和网格的属性对网格表面进行细分。新插入的端点为 p0 和 p1 的边 ec 被添加到边 ECs 的有序集中。图 2 给出各位置关系,其中切割线段用虚线表示,网格细分用点划线表示。具体操作是:图 2切割线与三角网格的位置关系注:上图,切割线与三角网格不共点情况;下图,切割线与三角网格共点。第一类,如图 2 上,从左至右分别对应以下 3 种:1)p0 在网格内 p1 在边上,这种位置关系
17、常发生在切割线的初始位置。三角网格 f 在 p0 处用 3split 算法细分,在p1 处执行 2split 操作。2)p0 和 p1 均在边上,这种位置关系最常见。切割线段p0p1 将网格 f 分成一个三角形和一个四边形,而为保持三角网格关系,首先在 p1 处分出两个三角网格(点划线),然后在p0 处分割一个新的三角子网格。通过比较 p0 所在的边及其边引用,可以确定 p0 与两个三角子网格中的哪一个相关联,均采用 2split 操作。3)p0 在边上 p1 在网格内,这种位置关系常发生在切割线的末端。将 f 在 p1 处按 3split 操作进行细分,然后确定p0 在哪个子网格上,在 p0
18、 处继续进行 2split 操作。第二类,如图 2 下,从左至右分别对应以下 3 种:1)p0(p1)和网格共点 p1(p0)在网格内,p1(p0)处将 f细分为三个子网格并被共享。3split 操作在 f 内部创建三个新的面和边,它们都与 p1(p0)有关。其中一条新边与 ec重合,并被添加到 ECs 上。2)p0(p1)和网格共点 p1(p0)在边上,切割线段将 f 细分为两个新的三角网格。使用 2split 算法将 f 在 p1(p0)处分割成两个子网格,并更新 f 的直接邻域。3)p0 和 p1 均与网格共点,即切割线段 p0p1 与网格共边,直接添加到 ECs 中。算法 1 结合图
19、3 左侧详细描述了 2split 操作。与图 3右侧相似的组合可以推导出 3split 操作。图 3面 f 分别在 2split(左)和 3split 操作(右)时的拓扑算法 1 2split输入:面 f,点 p 和点 p 所在的边 es输出:分割边 ec,将 f 从 p 细分到它的对面节点 n11)获取节点 n0,n1,n2,顶点 v1,v2,v3,面 f 上的边 e0,e1,e22)在 p 点处创建节点 nm,顶点 vm3)在 nm 和 n1 之间生成切割边 ec4)分别在 n0 和 nm,nm 和 n2 之间生成边 ex0,ex15)分别在 nm、n0 和 n1,nm、n1 和 n2 之
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