Tło i cel: Realistyczna symulacja wirtualnej chirurgii wymaga symulacji dymu, ponieważ cięcie elektryczne powoduje termiczne uszkodzenie tkanek. Metoda symulacji dymu za pomocą cząstek wirowych może realistycznie przedstawiać szczegóły wiru i trajektorię ruchu dymu, ale wiąże się z wysokim kosztem obliczeniowym.
Metody: Aby rozwiązać ten problem, proponujemy algorytm 3D Vortex Particles in Cube Algorithm (3D-VPICA). 3D-VPICA może realistycznie pokazać wizualny efekt dymu i zmniejszyć koszty obliczeniowe. Dodatkowo, w celu zwiększenia realności dymu, proponujemy metodę APA (Auxiliary Particles Algorithm), aby poradzić sobie z problemem kolizji dymu.
Wyniki: Metoda 3D-VPICA może szybko obliczyć prędkość cząstek wiru za pomocą siatek sześcianu i przy złożoności malejącej z O(N2) do O(N) + O(Mlog 2M). APA może zapewnić, że warunki brzegowe są spełnione, gdy dym zderza się z nieregularnymi powierzchniami. Wyniki eksperymentalne pokazują, że 3D-VPICA jest szybsza niż tradycyjne metody symulacji dymu oraz że APA jest skuteczna w symulacji dymu zderzającego się z poruszającymi się obiektami o nieregularnych powierzchniach.
Wnioski: Zaproponowana metoda symulacji dymu 3D została zastosowana w systemie wirtualnej chirurgii z wykorzystaniem noża elektrycznego wysokiej częstotliwości. Operacje cięcia i koagulacji były płynne, a dym przepływał z wiernością.