基于模型约简和GPU加速的软组织实时仿真.pdf

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1、第31卷第8期计算机仿真2014年8月文章编号：1006—9348(2014)08—0438—05基于模型约简和GPU加速的软组织实时仿真王杰华，武卫翔，高瞻，孙万捷(南通大学计算机科学与技术学院，江苏南通226019)摘要：为了得到虚拟外科手术中人体软组织的实时变形仿真，采用了基于模态分析的模型约简方法，同时结合了GPU加速技术，实现了人体软组织的实时仿真计算，为虚拟手术提供了良好的人机交互。模型约简以有限元理论为基础，将软组织模型的动力学方程投射到约简子空间，减少系统自由度。在实时仿真过程中，首先需在子空间中对低维动

2、力学模型进行数值计算，然后利用GPU通用计算技术来加速重建原始空间中的形变向量。以心脏大变形实时仿真为例，验证方法的性能，实验结果表明心脏的变形仿真可以在很高的刷新率下运行。提出的模型约简和GPU加速方法，为人体软组织的变形实现了实时仿真，为虚拟手术提供了理论基础和技术支撑。关键词：软组织；模型约简；图形处理器；实时仿真中图分类号：TP391．9文献标识码：BReal—timeSimulationofBody’SSoftTissueBasedonModelReductionandAccelerationofGPUWANG

3、Jie—hua，WUWei—xiang，GAOZhan，SUNWan—jie(SchoolofComputerScienceandTechnology，NantongUniversity，NantongJiangsu226019，China)ABSTRACT：Thispaperpresentsanovelmethodthatprimarilybasedonmodalanalysisandmodelreductiontoim—plementreal—timesurgerysimulationtargetingsofttis

4、sues．Modelreductionisapopularmethodfordeformablemod—els，mainlybecauseitcanprojectthehigh—dimensionalfiniteelementsystemintoasuitablychosenlow—dimen—sionalsubspace，whichcansubstantiallyreducesthesystem’Sdegreesof~eedom．Inaddition，wealsoincorporatethepowerofGeneral

5、—purposeGraphicProcessingUnit(GPGPU)toreconstructthedeformationvectorintotheorig—inalspace，whichleavesmoreroomsOilCPUforadditionalcomputationsuchascollisiondetection，etc．Theexperi—mentresultsindicatethatthecardiacmodelpresentedinthispapercanrunathighupdatingrates

6、stablyandsmooth·Iy．KEYW0RDS：Softtissues；Modelreduction；GPU；Real—timesimulation织构成，因此如何对软组织建模及实时仿真也就成为了科研1引言工作者在设计实现虚拟手术仿真时需要解决的一个基础问计算机技术的高速发展，使得依托于计算机技术的虚拟题和关键问题。软组织的建模和仿真涉及到数学、物理学、手术也得到了发展并在医学科研中得到广泛应用。虚拟手医学、计算机图形学等众多领域，是一项极具挑战性的工作。术系统在医学中的应用起源于医务人员对复杂的三维医学现在的软

7、组织仿真逐渐形象化、逼真化，计算机不仅要解剖数据可视化的需求，进而发展到需要能够对可视化的数仿真出软组织的结构，更要模拟出软组织由于受到的诸多物据进行实时仿真以建立可供手术前规划和手术时参考的虚理因素如重力等而发生的形态改变。目前比较有代表性的拟环境⋯。由于人体器官除了骨骼之外大部分都是由软组建模方法有：有限元方法(FiniteElementMethod)“、弹簧质点(MassSpring)-7]、中心线描述(MedialRepresenta—基金项目：国家自然科学基金面上项目(61170171)；江苏省“六大人tion

8、)j、锁甲形变(Chain—Mail)等。才高峰”项目(2010一wLw一006)；江苏省高校科研成果产业化推进项目(]HB201I一45)南通市科技公共服务平台计划项目有限元方法是求解各种复杂的数学和物理问题的重要(DE2010003)方法，在应用数学和工程学中有着广泛的应用。在描述软组收稿日期：2013—11—1