[发明专利]一种基于Cross模型的多粒子混合修正的血栓模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于Cross模型的多粒子混合修正的血栓模拟方法。本发明使用基于Cross模型的多粒子混合修正SPH法来模拟血液，从而解决在模拟过程中出现的质量大的粒子往下沉、质量小的粒子往上浮的不符合正常血液生理现象的问题；使用一种逐粒子聚合的方法以简化血栓模型来模拟血液中血栓的形成，从而解决传统方法无法模拟出血液中血栓形成的问题。本发明提出的基于Cross模型的多粒子混合修正的血栓模拟方法能够较为真实地模拟血液，并且模拟血液中血栓的形成。正确模拟血液中血栓的形成，有利于对血栓的研究，可以应用于虚拟手术、医学辅助研究等医学应用；同时，本发明技术方案可以满足游戏与影视行业相关方面的需求。

技术领域

本发明涉及计算机图形学领域，具体涉及一种基于Cross模型的多粒子混合修正的血栓模拟方法。

背景技术

血液是由心脏推动并在全身血管内循环流动的一种组织，具有运输、防御、调节体温和维持酸碱平衡及渗透压平衡的功能，对维持人类生命健康起着至关重要的作用。血栓是血液因为某种原因而凝固的产生的，由血栓引起的疾病可能会对人类生命健康造成巨大威胁。

流体，是气体和液体的总称，贯穿于人类生活的方方面面，如何在高效地在计算机上模拟出符合真实流体性质和运动规律的流体动画是近年来计算机图形领域一个十分热门的话题。计算机流体模拟的方法可以根据观察对象的不同来分成两大类，其中一类称为欧拉法，该类方法的主要思路是将模拟场景划分为均匀网格，将网格上的每个格点作为观察对象，通过某种数值方法来在这些格点上求解N-S方程，同时将流体的物理数值存放于格点上；另一类方法称为拉格朗日法，该类方法的主要思路是将所要模拟的流体划分为流体微团，并用流体粒子来编写流体微团，然后将每个流体粒子作为观察对象，通过某种数值方法在每个粒子上求解N-S方程，同时将流体的物理数值存放于粒子中。SPH法就是一种应用广泛的拉格朗日流体模拟法。

SPH法通过核函数加权法来求解N-S方程，即每个流体粒子上的N-S方程的物理项，包括密度、压力和粘性力等，由粒子固定半径内的邻域粒子的相对应的物理数值加权相加得到，其中的权重值由选取合适的核函数计算得到。进而计算出每个粒子的加速度，再选取合适的时间步长计算粒子的速度，从而可以计算出每个时刻粒子的位置。这样只要记录下每个时刻每个粒子的位置，就可以模拟出流体整体的运动情况。

自然界中的流体通常可以划分成两类，即牛顿流体和非牛顿流体。在温度不变的条件下，牛顿流体的粘性系数是常量数值，而非牛顿流体的粘性系数随着流体的切变率的改变而改变。血液是一种常见的剪切变稀非牛顿流体，即血液的粘度随着切应力的增大而减小。血液除了具有非牛顿流体常见的物理性质，还有许多独特的生化性质和流变性。

血栓的形成即是血液的一种独特的现象。血栓是一种血凝块，当血管损伤流血时，血小板、红细胞和纤维蛋白等相互作用而形成血块粘附于伤口处以阻止血液流失，但是当血栓形成于血管中，严重影响正常血液流动时，可能会引发各种疾病，对人类身体健康造成巨大危害。血栓的形成主要原因有血管内壁损伤、湍流等引起的血流异常和血液粘性过高等。正确地模拟血液中血栓的形成，在医学领域如辅助医学研究、模拟血管内的某些病理现象等具有重要的意义，甚至在影视、游戏也能有重要应用。

现有的非牛顿流体模拟的技术方案主要是使用基于Cross模型的SPH方法来模拟非牛顿流体。

SPH法的主要思路如下：将流体离散化为流体粒子，流体的物理数值都由流体粒子携带；在每个粒子上基于核函数加权法求解N-S方程，即选取适当的核函数，对于每个粒子，找到其固定核半径内的邻域粒子，然后基于邻域粒子的相对应的物理数值加权求和，计算出该粒子的密度、所受压力和所受粘性力，再加上粒子所受重力，计算出粒子所受合力，从而计算出粒子加速度；进一步计算出粒子的速度和位置，最后由所有粒子每一时刻的位置来刻画出整个流体的运动。