面向神经外科手术的自然交互式软组织切割，形变及撕裂仿真技术研究

This project aims to low precision of traditional cutting simulation and cutting surface rendering inconsistent with the surgery scene; the contradiction between the calculation efficiency and the fidelity of deformation; difficulties in realizing real-time and lifelike tearing simulation, and carries out the research of natural interactive soft tissue cutting, deformation and tearing simulation in virtual neurosurgery. The research content includes: (1) High fidelity meshless cutting model of soft tissue is proposed. Biomechanical properties of nonlinear viscoelastic is incorporated meshless cutting model and dynamic discrete element is used to carry out texture mapping to achieve precise cutting calculation and lifelike cutting surface rendering. (2) A hybrid deformation model of soft tissue based on meshless RPIM and shape matching in a large time step is presented. The characteristics of data stability under explicit integration for soft tissue deformation model based on RPIM is deeply researched to achieve a breakthrough in the computational efficiency and accuracy of the model. (3) The tearing model of soft tissue based on peridynamics is proposed. The fracture surface is rendered by height field and perlin noise to achieve authentic soft tissue tearing simulation. The above research content presents and forms a relatively complete and systematic solution for virtual interaction in virtual neurosurgery, and solves the key problems such as real time computing and natural virtual interaction.

本项目针对传统的软组织切割仿真精确度低及切割面渲染与手术场景不协调的问题；形变计算效率与保真度之间存在矛盾的问题；撕裂仿真实时性和逼真性难实现的问题，重点研究虚拟神经外科手术中的自然交互式软组织切割，形变及撕裂仿真的核心问题。研究内容包括：（1）提出高逼真度的无网格软组织切割模型，通过建立融合非线性粘弹性的切割模型及基于动态离散单元进行纹理映射，拟实现精准的切割计算及逼真的切割画面渲染。（2）提出一种在大时间步长下的无网格RPIM和形状匹配法的软组织混合形变模型，通过研究无网格模型中的数据计算稳定性拟在模型的计算效率和精确度方面获得突破。（3）提出基于近场动力学的软组织撕裂模型，通过高度场和柏林噪音技术对撕裂面进行渲染以实现接近真实手术场景的软组织撕裂仿真。以上研究内容为虚拟神经外科手术中的软组织交互模型提出并形成比较完整和系统的解决方法，攻克计算处理的实时性、交互呈现的自然性等关键问题。

本项目针对传统的软组织切割仿真精确度低及切割面渲染与手术场景不协调的问题；形变计算效率与保真度之间存在矛盾的问题；撕裂仿真实时性和逼真性难实现的问题，重点研究虚拟神经外科手术中的自然交互式软组织切割，形变及撕裂仿真的核心问题。研究内容包括：（1） 提出高逼真度的无网格软组织切割模型，实现精准的切割计算及逼真的切割画面渲染。（2）提出一种新的无网格软组织形变模型，通过研究无网格模型中的数据计算稳定性，在模型的计算效率和精确度方面获得突破。（3）提出一种软组织撕裂模型，通过高度场和柏林噪音技术对撕裂面进行渲染以实现接近真实手术场景的软组织撕裂仿真。以上研究内容为虚拟神经外科手术中的软组织交互模型提出并形成比较完整和系统的解决方法，攻克计算处理的实时性、交互呈现的自然性等关键问题。