Hintergrund und Ziel: Eine realistische virtuelle Operationssimulation muss Rauch simulieren, da elektrisches Schneiden thermische Gewebeschäden verursacht. Die Wirbelpartikelmethode zur Simulation von Rauch kann die Wirbeldetails und die Bewegungsbahn des Rauchs realistisch darstellen, ist aber mit hohen Rechenkosten verbunden.
Methoden: Um dieses Problem zu lösen, schlagen wir den 3D Vortex Particles in Cube Algorithm (3D-VPICA) vor. 3D-VPICA kann den visuellen Effekt von Rauch realistisch darstellen und die Rechenkosten reduzieren. Um die Realität des Rauchs zu verbessern, schlagen wir außerdem die Methode des Auxiliary Particles Algorithm (APA) vor, um das Kollisionsproblem des Rauchs zu lösen.
Ergebnisse: Der 3D-VPICA kann die Geschwindigkeit der Wirbelteilchen mit Hilfe von Würfelgittern schnell berechnen, wobei die Komplexität von O(N2) auf O(N) + O(Mlog 2M) sinkt. Die APA kann sicherstellen, dass die Randbedingungen erfüllt werden, wenn der Rauch mit unregelmäßigen Oberflächen kollidiert. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass 3D-VPICA schneller ist als herkömmliche Methoden der Rauchsimulation und dass APA erfolgreich bei der Simulation von Rauch ist, der mit bewegten Objekten mit unregelmäßigen Oberflächen kollidiert.
Schlussfolgerungen: Die vorgeschlagene 3D-Rauchsimulationsmethode wurde auf ein virtuelles Chirurgiesystem mit einem elektrischen Hochfrequenzmesser angewandt. Die Schneide- und Koagulationsvorgänge verliefen fließend und der Rauch strömte naturgetreu.