虚拟手术中支持实时按压形变的软组织模型建模方法与流程

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本发明涉及一种力触觉再现的建模方法，尤其涉及一种用于虚拟手术仿真过程中，人机交互的基于物理意义的虚拟手术中支持实时按压形变的软组织模型建模方法。

背景技术：

如今二十一世纪科技迅猛发展，虚拟现实技术也随之崛起，虚拟手术应运而生，它是虚拟现实技术在医学上的一种重要应用。通过精确建模，来逼真地模拟人体组织在外力作用下的各种变形，并通过视觉显示和力反馈系统以及其它各种可能的感官形式，给用户提供真实的手术现场的感觉，让医生能够在计算机辅助的虚拟环境中进行手术训练和规划，根据医生需要提供不同的可以反复利用的实验对象，大大降低了外科医生手术训练的成本。虚拟手术能够模拟常见的手术操作过程，医生可在手术前对手术过程中涉及到的人体软组织进行虚拟手术仿真，减小手术风险，获得最好的手术效果。

虚拟手术基础中软组织仿真技术已成为当前的虚拟现实技术的重要组成部分。虚拟力触觉交互过程中，形变模型是手术成功的关键。准确快速的力触觉再现模型是虚拟手术成功的关键。采用基于物理意义的力触觉再现的建模方法，对软组织的变形进行实时仿真，已成为近几年研究热点。

现今常用的基于物理意义的柔性体变形模型中，有限元模型在建立软组织模型时只需少量模型参数，精确度高，但计算复杂，实时性有待提高。弹簧质点模型具有建模简单，计算速度较快，去除和增加点的操作较容易实现等优点，然而若质点周围约束不足，将会造成系统不稳定，若约束过多，则会减少变形范围，且精确度较低。边界元模型仅适用于简单、线性、各项同性软组织建模，对一些复杂、具有丰富细节的软组织建模失真较大。这些常用的软组织变形物理模型均存在计算较为繁杂和仿真精度不高等问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供虚拟手术中支持实时按压形变的软组织模型建模方法，采用结构可靠的叶片弹簧，从而保证模型稳定性，并且方便力反馈和形变计算，不仅保证了建模的仿真性，而且叶片弹簧的利用率高，变形计算速度快。

为解决以上技术问题，本发明采取的一种技术方案是：

虚拟手术中支持实时按压形变的软组织模型建模方法，包括如下步骤：

步骤1：对虚拟场景进行初始化；

步骤2：当检测到虚拟代理碰撞到虚拟软组织表面上任意一点时，在给定虚拟接触压力f作用下，虚拟代理与虚拟软组织交互的局部区域内部充满叶片弹簧力触觉计算模型，在交互过程中，软组织局部区域通过叶片弹簧力触觉计算模型进行变形计算和图形刷新，输出反馈为采用叶片弹簧力触觉计算模型计算出来的反应在外力作用下软组织实时变形仿真的力触觉信息信号，叶片弹簧力触觉计算模型的建模方法为：

(1)参数初始化，

(2)在给定虚拟接触压力f作用下，当虚拟代理碰撞到虚拟软组织表面上任意点时，在碰撞点下垂直悬挂一个伸直长度为l，叶片数为n，n大于等于3，厚度为a，宽度为b，弹性模量为e，弧高为h的半椭圆形对称式叶片弹簧，正中心下接另一相反方向相同规格的半椭圆形对称式叶片弹簧，叶片两端处相接触，以此构成软组织模型第一层，第一层下竖直悬挂第二层，第二层与第一层结构相似，半椭圆形对称式叶片弹簧伸直长度为2l，以此构成第二层，第三层也采用相似结构，半椭圆形对称式叶片弹簧伸直长度为3l，构成第三层，自第二层始，第i层的半椭圆形对称式叶片弹簧伸直长度都是第一层的i倍，而所有半椭圆形对称式叶片弹簧的叶片数为n，n大于等于3、厚度为a、宽度为b、弹性模量为e、弧高为h；

该半椭圆形对称式叶片弹簧的弹性模量e取决于人体虚拟软组织部位，且假设该部位软组织材质相同，即弹性模量e相同；

假设该半椭圆形对称式叶片弹簧受到给定虚拟接触压力f，且f的作用线和半椭圆形对称式叶片弹簧模型对称中心线一致，在虚拟接触压力f作用下，第一层先发生形变，第二层后发生形变，以此类推，假设在同一层的半椭圆形对称式叶片弹簧中，一层内上面的半椭圆形对称式叶片弹簧和下面的半椭圆形对称式叶片弹簧同时发生形变；当每层半椭圆形对称式叶片弹簧消耗的虚拟接触压力达到最大时，下一层半椭圆形对称式叶片弹簧才开始形变；假设在给定虚拟外力作用下，该层半椭圆形对称式叶片弹簧内的弹簧第i层弹簧消耗的虚拟接触压力未达到最大，则半椭圆形对称式叶片弹簧称为该层半椭圆形对称式叶片弹簧的变形截止层；

步骤3：确定半椭圆形对称式叶片弹簧的虚拟接触压力；

由于第一层中半椭圆形对称式叶片弹簧弧高为h，假设叶片弹簧可完全变形，则第一层半椭圆形对称式叶片弹簧的静挠度为h：

其中δ为挠度增大系数，为实际半椭圆形对称式叶片弹簧的挠度比理论截面梁挠度的增大系数；

则第一层半椭圆形对称式叶片弹簧消耗的虚拟接触压力f1为：

第二层半椭圆形对称式叶片弹簧消耗的虚拟接触压力f2为：

第三层半椭圆形对称式叶片弹簧消耗的虚拟接触压力f3为：

则第i层半椭圆形对称式叶片弹簧消耗的虚拟接触压力fi为：

确定该半椭圆形对称式叶片弹簧前i层共消耗的虚拟接触压力fi′为：

步骤4：确定半椭圆形对称式叶片弹簧的形变量；

假设虚拟接触压力f满足fi-1′＜f＜fi′，fi-1′、fi′分别为前i层共消耗的虚拟接触压力和前i-1层共消耗的虚拟接触压力，第i层为变形截止层，则前i-1层的总变形量hi-1′为：

hi-1′＝(i-1)h

则第i层变形量为：

则软组织模型前i层的总变形量为：

优选地，半椭圆形对称式叶片弹簧前i层变形总计需要的时延时间不大于1ms。

优选地，在半椭圆形叶片弹簧一层中的上面半椭圆形叶片弹簧和下面半椭圆形叶片弹簧同时产生形变。

由于以上技术方案的采用，本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明和以往常用的基于物理意义的软组织变形仿真力触觉建模方法相比，该建模方法采用了结构可靠的叶片弹簧，从而保证模型的稳定性，并且方便力反馈和形变的计算，不仅保证了建模的仿真性，而且叶片弹簧的利用率高，变形计算速度快；

2、本发明每层的叶片弹簧的伸直长度、厚度、宽度、弹性模量、弧高、叶片数均相同，而叶片弹簧伸直长度不同，故每一层的受力不同中，与伸直长度的立方成正比，而每一层叶片弹簧的伸直长度为前一层的2倍，因此可以求得每一层的受力情况，计算较为简单；

3、本发明通过改变建模方法中第一层叶片弹簧的叶片数、厚度、宽度、弹性模量、弧高这些参数，就可对不同部位的虚拟软组织进行变形仿真，建模方法灵活、适用性广；

4、本发明建模方法用于在虚拟代理与虚拟柔性体交互的柔性体局部区域的按压变形计算、交互过程中，操作者感觉自然舒适、力触觉平稳、模拟效果逼真；

5、本发明可应用于虚拟外科手术仿真、深空探索、航空航天工业、军事应用、电子商务、远程医疗、导盲助残、虚拟游戏娱乐产业等领域，应用范围广。

附图说明

图1是本发明软组织变形仿真流程图；

图2是叶片弹簧力触觉虚拟模型的建模方法流程图；

图3是叶片弹簧力触觉虚拟模型示意图；

图4是叶片弹簧力触觉虚拟模型受力示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如附图1至附图4所示，本发明虚拟手术中支持实时按压形变的软组织模型建模方法，其特征在于：包括如下步骤：