[发明专利]一种虚拟手术切割中的高质量网格划分和优化方法

说明书

本发明提供一种虚拟手术切割中的高质量网格划分和优化方法，提供了一种新的网格划分和优化方法来处理虚拟手术切割操作过程中出现的部分切割和由于网格质量差导致的仿真不稳定问题。该方法包括三个步骤，第一，构造分离面，根据切割工具与网格模型的接触位置构造出一个分离面；第二，网格分裂，根据第一步构造出的分离面分裂网格，产生切口；第三，网格优化，对网格划分之后的网格执行网格优化，进一步提高网格质量。

技术领域

本发明涉及一种虚拟手术切割仿真中的方法，尤其是涉及一种虚拟手术切割中的高质量网格划分和优化方法。

背景技术

虚拟手术是虚拟现实领域的一个重要研究方向，它是集现代医学、计算机图形学、计算机视觉、生物力学、材料学等诸多学科为一体的新型交叉研究领域。医生可以通过虚拟手术系统实现手术计划定制、手术教学、手术技能训练、术后康复等多种能力。随着虚拟现实技术的不断发展和计算机硬件性能的不断提升，虚拟手术得到了越来越广泛的研究。切割仿真是虚拟手术中的一项基本的、关键的技术，虚拟手术要求切割仿真具有较高的准确性和实时性。

当前可变形对象的切割仿真大部分是基于网格的方法，而基于四面体网格的切割仿真方法是目前应用最广的方法。在切割仿真中，四面体的几何和拓扑结构都会发生较大的变化，在网格划分和生成过程中会产生病态单元，病态单元会降低切割仿真的计算效率和稳定性，对手术仿真过程造成不利影响。并且在当前的基于四面体的切割方法中很难处理部分切割的情况。因此对于网格的处理一直是切割仿真的研究热点，到目前为止仍然是一个很有挑战性的问题。

本发明提供了一种虚拟手术切割中的高质量网格划分和优化方法。提供了一种新的网格划分方法和网格优化方法，可以有效的处理部分切割的问题，并且可以有效的提高网格的质量，可以满足手术切割仿真的实时性和稳定性。

发明内容

本发明的目的是为了解决虚拟手术切割仿真中的部分切割问题，消除病态单元，改善网格质量，提高切割仿真的效率和稳定性，而提出的一种虚拟手术切割中的高质量网格划分和优化方法。

本发明提供一种虚拟手术切割中的高质量网格划分和优化方法，该方法包括三个步骤：

第一步，构造分离面，根据切割路径与网格模型的接触位置构造出一个分离面，具体如下：

(1)根据切割路径与网格模型的接触位置插入节点，

a.对于内部四面体网格，如果切割路径只经过四面体顶点，不插入新节点；如果切割路径与四面体三条或以上的边相交(完全切割)，此时切割路径与四面体网格的交点构成一个多边形，将新节点插入到此多边形的形心处；如果切割路径仅与四面体网格的一条或两条边相交(部分切割)，将切割路径延伸，使其与四面体网格构成完全切割，此时切割路径与四面体网格的交点构成一个多边形，将新节点插入到多边形的形心处；连接四面体的顶点和新插入的节点，执行1-4分裂，用四个四面体代替原四面体网格。

b.对于边界四面体网格，如果切割路径经过四面体顶点，不插入新节点；若是完全切割，切割路径与边界面的交点构成一条线段，在线段的中点处插入新节点；若是部分切割，在切割路径的端点处插入新节点；连接表面三角形的顶点和新插入的节点，对边界四面体单元执行1-3分裂，用三个四面体代替原四面体网格。

(2)根据插入的节点创建边，

a.对于执行1-4分裂的内部四面体网格，每条与切割路径相交的边会关联一对相邻的四面体，对每对相邻的内部四面体执行2-3翻转，连接相邻的内部四面体的非公共点(即新插入的节点)得到一条线段，以这条线段为公共边将相邻的内部四面体划分为三个四面体。如图 3(a)所示，四面体acde和四面体bcde在执行2-3翻转之后得到四面体acbe，四面体acbd，四面体adbe。