[发明专利]一种个性化三维医学图像驱动的器官虚拟显示方法

说明书

技术领域

在虚拟手术仿真方面，本文以基于非线性有限元的形变和切割仿真、个性化医学数据的直接使用、器官内部解剖结构的真实呈现作为基本目标展开研究：手术仿真环境必须能够提供与真实手术相似的虚拟环境，其中人体软组织及器官在不同体位下的自变形和在手术器械接触、拉伸、切割等条件下的大尺度变形，以及切割过程的物理仿真，是虚拟手术和术中导航研究的重点和难点之一。人体软器官的行为和材质结构很复杂，一般具有不均匀性、各向异性、准不可压缩性、非线性、塑性和粘弹性等性质。目前，对于软组织的变形主要采用基于连续力学的有限元分析法，以保证变形的精确性与真实性。因此，如何基于器官的物理仿真模型，实时精确的仿真器官的大尺度变形及其对切割等交互操作是虚拟手术仿真必须研究的内容。现有的手术仿真方法尚不能直观、有效的传达个性化人体器内部的组织结构、材质组成及其视觉特性等信息。因此，在手术仿真技术换代发展需求的牵引下，如何从个性化的CT、MRI等三维医学影像数据出发，并在有限元仿真模型的驱动下，进行个性化数器官体纹理动态合成与绘制是个性化手术仿真必须解决的问题。此外，虚拟手术的有限元仿真以及仿真结果的逼真呈现需要大量的运算，为了保证仿真的可交互性，如何结合CUDA进行全程并行加速也是本文需要着重研究的一个重要问题。

背景技术

个性化三维医学图像驱动的器官形变和切割仿真相关方面为三维图像的形变操控、基于有限元的形变和切割仿真以及基于CUDA的通用计算三个方面。

三维图像的形变操控

直接以三维图像为对象进行形变操控，可最大限度的描述实体外观及其内部结构的逼真性。许多早期的工作一般都是通过基于图像的形变技术来解决这个问题。在对三维图像任意剖面的内部结构进行探究的需求的驱动下，后来一些研究者相继提出了一些更为复杂的几何形变操控策略。如：Masutani等人通过构建分片的多边形平面几何机构，并以此作为三维图像分片纹理映射的载体，借助多边形顶点的位移控制实现了对三维图像形变的近似模拟；Correa等人则通过在三维图像剖面上散布代理的几何控制点，通过操控这些控制点相对高效的实现了三维图像的形变控制。但是这些方法仍属于基于几何的自由形变的范畴，因而大都缺乏物理真实感。最近，Nakao等人通过将代理点算法进行扩展，通过自动生成四面体代理结构实现了较为精确的三维图像形变的物理仿真。后来，又将优化算法融入其中改进了提升了四面体代理结构的构建精度，进一步提升了仿真的精确性。但是，由于这种四面体代理结构的生成非常依赖于对三维图像内部曲率的检测，并需要辅以一定的后处理，因此，代理结构的构建只能在预处理阶段完成，这导致当三维图像发生大尺度形变时，很难实时的对代理几何结构进行同步优化更新来保证网格结构的质量。此外，该方法也忽略了对切割导致的拓扑结构变更及其自碰撞的处理，因此，它在虚拟手术中的实际应用仍受到很大的限制。

基于有限元的形变和切割仿真