CN105559887B - 用于手术机器人的基于力反馈的手术切割训练系统及方法 - Google Patents
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Abstract
用于手术机器人的基于力反馈的手术切割训练系统及方法，涉及一种用于手术机器人的手术切割训练系统，尤其涉及基于力反馈的手术切割训练系统。本发明的目的是为了解决现有的机器人手术切割训练系统中有限元模型结构实时性较差的问题。本发明所述系统包括用于构建3d虚拟环境和3d手术器械模型的3d虚拟环境及3d手术器械模型构建模块、用于构建3d虚拟软组织模型的3d虚拟软组织模型构建模块、用于加载模型大小、位置和渲染模式的模型读取与定位模块、用于确定碰撞位置和时间的切割工具与模型碰撞检测模块、用于实现力触觉，完成力反馈操作的力反馈模块和用于实现面切割和体切割的分类切割模块。本发明适用于手术机器人的手术切割训练。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于手术机器人的手术切割训练系统，尤其涉及基于力反馈的手术切割训练系统。
背景技术
机器人辅助微创外科手术技术是近年来医疗机器人领域的研究热点之一。和传统的外科手术相比，患者手术时切口面小、恢复更快。同时还能缓解医生在长时间手术中的疲劳感，提高手术的稳定性和精确性。然而在医生操作机器人辅助完成真实微创手术过程中，对医生的技能提出了很高的要求，医生在进行微创手术前要经过很长时间的反复训练才能达到熟练的程度。而利用尸体或者动物的传统手术训练方式存在的局限给医护人员的手术培训及微创手术的发展带来了许多不便，随着计算机技术的快速发展，开发有效的虚拟手术训练系统成为当前重要研究点。软组织切割是虚拟手术模拟中一项十分重要的操作，切割速率及好坏对虚拟手术具有重大影响。虚拟手术中切割操作的主要任务是在满足切割条件下的模型拓扑结构的改变，主要考虑实时性、逼真性和鲁棒性三个因素。
通常最常见的虚拟软组织模型采用的是质点弹簧模型或者有限元模型。质点弹簧模型结构简单，在操作过程中容易出现模型振荡，不符合正常软组织结构。有限元模型结构精度高但实时性较差。最常见的软组织切割模型是基于离散网格的方法来建立的。离散网格方法的缺点是数值模拟不稳定，在切割网格部位容易出现齿状网格。因此提出了有限元模型，但在模型精度较高时，有限元模型细分多面体数量大，在操作过程中，实时性难以保证。近年来，利用无网格方法建立模型已成为一个新的研究点。利用无网格法分析或者建立虚拟软组织模型大致可分为两种类型。第一种是基于无网格的数值理论方程分析来分析和模拟软组织操作特性。另外一种是基于无网格方法建立软组织可操作模型，但准确来说，无网格方法其实只是模型内部结构的一种体现。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的机器人手术切割训练系统中有限元模型结构实时性较差的问题。
用于手术机器人的基于力反馈的手术切割训练系统，包括以下模块：
3d虚拟环境及3d手术器械模型构建模块，3d虚拟软组织模型构建模块，模型读取与定位模块，切割工具与模型碰撞检测模块，力反馈模块，分类切割模块；
(1)所述3d虚拟环境及3d手术器械模型构建模块，用于构建手术切割训练系统的3d虚拟环境和3d手术器械模型；
3d虚拟环境及3d手术器械模型构建模块是手术切割训练系统的基本模块，完成了手术切割训练系统的环境搭建，为操作用户提供一个立体三维训练环境，提高系统训练时的逼真度，实现整个系统视觉功能；其中环境中虚拟手术器械可以根据主手设备，设置多个自由度，能够完成对环境中物体的移动、夹持和转动等功能，和手术操作一致；
(2)所述3d虚拟软组织模型构建模块，用于构建手术切割训练系统中的3d虚拟软组织模型；
3d虚拟软组织模型构建模块是根据Kelvin模型和弹簧模型而建立的具有应力应变、蠕变和应力松弛等粘弹性特性的3d虚拟软组织模型；和当前已有模型比较，具有操作速度快，表现为粘弹性的优点；
(3)所述模型读取与定位模块，用于加载3d虚拟环境、3d手术器械模型、3d虚拟软组织模型以及设置3d手术器械模型、3d虚拟软组织模型的大小、位置和渲染模式；模型读取与定位模块是在VC++编程环境中，从外部加载3ds文件，为手术切割训练系统创建3d模块；加载3ds文件的过程，包括读取模型路径，加载后模型大小和位置的设置，颜色和形状的设置等；
(4)所述切割工具与模型碰撞检测模块，用于3d手术器械模型和3d虚拟软组织模型的碰撞检测，确定碰撞位置和时间；为后续3d虚拟软组织模型的挤压和切割操作提供检测数据；
(5)所述力反馈模块，用于实现力触觉，完成力反馈操作；
力反馈模块采用瑞士公司Omega主手力反馈设备；力反馈模块通过接口连接手术切割训练系统中的3d手术器械模型，建立3d手术器械模型与手术机器人进行切割的真实手术器械的映射关系，并将真实手术器械切割的状态通过力反馈数据加载在手术切割训练系统中，3d手术器械模型在手术切割训练系统中的运动对应手术机器人真实切割过程中真实手术器械的6个自由度方向(前后、左右、上下、前后旋转、左右旋转、夹持)，即3d手术器械模型在手术切割训练系统中的运动与真实手术器械在真实切割过程中的运动状态相同；
主手设备通过接口技术连接计算机，主手设备的位置和操作对应在手术切割训练系统中3d手术器械模型末端；然后通过力反馈算法，识别真实的手术空间中位置和3d虚拟环境中手术器械的对应位置；最后通过对力反馈的前后位移、旋转和夹持，实现3d虚拟环境中手术器械对3d虚拟软组织模型的各类操作；该模块是整个系统硬件平台的核心，将医生现实操作和计算机虚拟操作一一对应起来；
(6)所述分类切割模块，用于实现3d虚拟软组织模型的面切割和体切割；
分类切割模块根据3d虚拟环境及3d手术器械模型构建模块、3d虚拟软组织模型构建模块、模型读取与定位模块、切割工具与模型碰撞检测模块以及力反馈模块中的数据，对3d虚拟软组织模型的进行切割。
本发明具有以下优点：
(1)本发明在虚拟切割训练系统中使用的软组织模型不仅表现为粘弹性特性，而且和真实肝脏和肾脏特性相吻合，证实软组织模型的有效性。
(2)本发明在切割过程中的碰撞检测方法采用点和点搜索方法，提高了查找碰撞位置的速度。
(3)本发明提出一种层次型填充球构建的模型，在切割操作过程中，采用面切割和体切割的不同分类切割方法完成快速软组织切割训练，提高了虚拟手术训练系统中软组织切割方法的实时性和有效性，提高了算法的执行效率，算法的执行效率提高37％以上。
同时，本发明克服了切割后的重构网格的缺陷，本发明在切割模型采用不同分类的面切割和体切割方法，克服了传统的训练系统每次在操作过程中都要搜索遍历整个模型的顶点数，而且传统的训练系统在每次切割后需要删除切割点，重构模型，耗费大量时间，本发明能够节省45％以上的时间；特别是对于精度较高的模型时，本发明的又是更加明显。
(4)本发明的系统包括力反馈模块，通过力反馈算法，识别真实的手术空间中位置和3d虚拟环境中手术器械的对应位置；最后通过对力反馈的前后位移、旋转和夹持，实现3d虚拟环境中手术器械对3d虚拟软组织模型的各类操作；本发明的仿真程度更高，系统训练更加准确。
附图说明
图1是软组织模型结构和受力分析图；
图2是面切割流程图；
图3是体切割流程图；
图4是面切割模型示意图；
图5是体切割模型示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：
用于手术机器人的基于力反馈的手术切割训练系统，包括以下模块：
3d虚拟环境及3d手术器械模型构建模块，3d虚拟软组织模型构建模块，模型读取与定位模块，切割工具与模型碰撞检测模块，力反馈模块，分类切割模块；
(1)所述3d虚拟环境及3d手术器械模型构建模块，用于构建手术切割训练系统的3d虚拟环境和3d手术器械模型；
3d虚拟环境及3d手术器械模型构建模块是手术切割训练系统的基本模块，完成了手术切割训练系统的环境搭建，为操作用户提供一个立体三维训练环境，提高系统训练时的逼真度，实现整个系统视觉功能；其中环境中虚拟手术器械可以根据主手设备，设置多个自由度，能够完成对环境中物体的移动、夹持和转动等功能，和手术操作一致；
(2)所述3d虚拟软组织模型构建模块，用于构建手术切割训练系统中的3d虚拟软组织模型；
3d虚拟软组织模型构建模块是根据Kelvin模型和弹簧模型而建立的具有应力应变、蠕变和应力松弛等粘弹性特性的3d虚拟软组织模型；和当前已有模型比较，具有操作速度快，表现为粘弹性的优点；
(3)所述模型读取与定位模块，用于加载3d虚拟环境、3d手术器械模型、3d虚拟软组织模型以及设置3d手术器械模型、3d虚拟软组织模型的大小、位置和渲染模式；模型读取与定位模块是在VC++编程环境中，从外部加载3ds文件，为手术切割训练系统创建3d模块；加载3ds文件的过程，包括读取模型路径，加载后模型大小和位置的设置，颜色和形状的设置等；
(4)所述切割工具与模型碰撞检测模块，用于3d手术器械模型和3d虚拟软组织模型的碰撞检测，确定碰撞位置和时间；为后续3d虚拟软组织模型的挤压和切割操作提供检测数据；
(5)所述力反馈模块，用于实现力触觉，完成力反馈操作；
力反馈模块采用瑞士公司Omega主手力反馈设备；力反馈模块通过接口连接手术切割训练系统中的3d手术器械模型，建立3d手术器械模型与手术机器人进行切割的真实手术器械的映射关系，并将真实手术器械切割的状态通过力反馈数据加载在手术切割训练系统中，3d手术器械模型在手术切割训练系统中的运动对应手术机器人真实切割过程中真实手术器械的6个自由度方向(前后、左右、上下、前后旋转、左右旋转、夹持)，即3d手术器械模型在手术切割训练系统中的运动与真实手术器械在真实切割过程中的运动状态相同；
主手设备通过接口技术连接计算机，主手设备的位置和操作对应在手术切割训练系统中3d手术器械模型末端；然后通过力反馈算法，识别真实的手术空间中位置和3d虚拟环境中手术器械的对应位置；最后通过对力反馈的前后位移、旋转和夹持，实现3d虚拟环境中手术器械对3d虚拟软组织模型的各类操作；该模块是整个系统硬件平台的核心，将医生现实操作和计算机虚拟操作一一对应起来；
(6)所述分类切割模块，用于实现3d虚拟软组织模型的面切割和体切割；
分类切割模块根据3d虚拟环境及3d手术器械模型构建模块、3d虚拟软组织模型构建模块、模型读取与定位模块、切割工具与模型碰撞检测模块以及力反馈模块中的数据，对3d虚拟软组织模型的进行切割。
具体实施方式二：
本实施方式所述3d虚拟环境及3d手术器械模型构建模块包括3d手术器械模型构建子模块和3d虚拟环境构建子模块；
3d手术器械模型构建子模块，用于构建3d手术器械模型；3d手术器械模型构建子模块是根据真实手术器械形状的大小，利用3dmax构建模型及网格划分方法建立3d手术器械模型；
3d虚拟环境构建子模块，用于构建手术切割训练系统的3d虚拟环境，包括水平面设置、光照、背景、视觉方位等；3d虚拟环境构建子模块利用VC++和OpenGL技术构建手术切割训练系统的3d虚拟环境。
其他模块和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：
本实施方式3d虚拟软组织模型构建模块中所述3d虚拟软组织模型是利用层次型填充球结构，依据软组织轮廓排列小球位置，根据不同位置设置不同小球半径大小；小球之间采用粘弹性结构相连，使得3d虚拟软组织模型具有和真实软组织粘弹性类似表现特征。虚拟手术训练过程中，训练后的效果衡量取决于操作的熟练性和准确度；其中准确度是根据系统中模型的精度来决定；3d虚拟软组织模型构建模块中3d虚拟软组织模型是整个系统的操作对象，是系统的核心部分。
其他模块和参数与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：
本实施方式所述切割工具与模型碰撞检测模块的检测过程如下：
切割工具与模型碰撞检测模块采用一种更简单、速度更快的碰撞检测方法；该模块执行的时间和精度对整个系统是否能够实时操作至关重要；因此重要的是需要提高碰撞检测时间性能；
切割工具与模型碰撞检测模块利用循环遍历3d手术器械模型的刀尖和3d虚拟软组织模型表面填充球之间的距离，当两者距离小于某一个阈值k，则表示两者有碰撞，记录碰撞位置到数组；根据切割方向，记录碰撞起点和终点坐标至一个数组，为后续3d虚拟软组织模型切割操作提供数据。
该方法不需要去遍历传统方法的边和三角形边的交叉检测，而只需遍历点和点之间的距离，进一步提高了检测速度；为后续的分类切割模块提供了实时性保证。
其他模块和参数与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：
本实施方式所述分类切割模块实现3d虚拟软组织模型的面切割和体切割的过程如下：
分类切割模块采用分类切割算法，利用分类方法完成对3d虚拟软组织模型的面切割和体切割；
在面切割中，为了进一步提高切割平面的平滑度，按照二次贝塞尔曲线排列3d虚拟软组织模型中的微型填充球；在载入精度较高的3d虚拟软组织模型中，针对网格重构切割法的缺点，提出一种面切割算法；首先遍历3d虚拟软组织模型的存储顶点数组，确定3d手术器械模型刀尖和3d虚拟软组织模型的碰撞点；根据切割方向，记录离碰撞点最近的顶点为切割顶点；切割顶点和3d手术器械模型刀尖接触后，将接触到的切割顶点进行存储，将存储的切割顶点移到对应的切割平面的投影点上，再将切割顶点沿切割方向往模型内部移动切割深度d；通过移动切割顶点形成凹槽，通过渲染不同颜色深度来实现切割视觉效果；该方法在切割后，不需要对整个模型重构新建，只需要简单移动切割顶点的位置来实现，很大程度上提高了操作模型的实时性，特别是对较高精度的模型效果更明显；
在体切割中，采用层次搜索算法，实现分类切割；根据3d虚拟软组织模型的不同大小形状，将整体模型分成层次型网格切片结构，多个层次型网格切片构成整个3d虚拟软组织模型；每层切片网格内部连接填充球结构；在切割过程中，遍历确定3d手术器械模型刀尖和3d虚拟软组织模型的碰撞点，确定碰撞点所在不同网格切片区域；然后根据不同切割深度，实现该层网格切片的分离；首先查询到切割位置在区域D中，因此将该区域的网格切片从整个模型中分离，完成模型的切割操作；该方法不需要在切割后重构整个3d虚拟软组织模型，更适用于精度较高的3d虚拟软组织模型。
其他模块和参数与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：
本实施方式所述3d虚拟软组织模型的构建过程中的受力过程如下：
虚拟软组织模型构建以及受力分析，如图1所示；根据模型连接的粘弹性结构模型和受力分析，利用如下模型受力方程分析虚拟切割过程中软组织模型受力过程，体现为应力应变和应力松弛特性；
公式中，Fi(t)是模型受到的外力，Ei1，Ei2和Ei′是杨氏模量，是根据程序运行仿真得到的结果；Si是第i个填充球，α是单个填充球受力后和受力前之间产生的夹角，mi是第i个填充球的质量，γi是粘性模量，ε0是受力稳定后的应变长度；t为时间、g为重力加速度；
在3d虚拟软组织模型中，对于单独两个填充球S0和S1中心点组成向量S0和S1之间采用三参量模型连接，在填充球S0上垂直施加外力Fi(t)；填充球S0端匀速受力后，垂直方向位置变为S0′，S1S0′与初始水平位置S0S1形成的夹角α；剪应力σf(t)的值随着三参量模型边长ε(t)的变化而变化，剪应力σf(t)是关于ε(t)的线性函数σf(t)＝λ1·ε(t)，λ1是剪应力和位移之间的变化系数，单位是MPa，λ1>0；ε(t)是受力随时间变化的应变长度。
其他模块和参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：
本实施方式所述面切割和体切割是按照下步骤进行的：
如图2和图4所示，切割之前首先要完成3d虚拟软组织模型载入，确认碰撞检测位置，实现切割；
面切割具体切割过程如下：
3d虚拟软组织模型由两部分组成，一个是网格形式，由许多顶点和顶点围成的三角形组成；另外一个是在网格中添加填充球；所以一个填充球旁边可能有好几个顶点，但是要找到离这个填充球最近的顶点，此时顶点就记做v1，这个填充球记做S1；程序处理的时候，只处理离填充球最近的这个顶点v1；
假设3d虚拟软组织模型竖直设置，手术刀按照从上到下切割3d虚拟软组织模型，即在图中手术刀按照AB方向切割3d虚拟软组织模型，程序遍历整个3d虚拟软组织模型的顶点，计算3d虚拟软组织模型顶点和3d手术器械模型刀尖位置的空间距离，当两者距离小于设定的阈值k，记录当前顶点标号；同时记录离3d手术器械模型刀尖位置最近的网格下层填充球标号，即切割顶点；假设3d手术器械模型刀尖接触最开始位置是切割顶点v1(存储的切割顶点)和填充球S1；先将切割顶点v1移到切割平面的投影点上，再将切割顶点v1往模型内部移动到切割深度d，断裂记录的填充球S1和S4的连接；切割操作结束后，切割顶点为v1、v2、v3、v4根据切割平面的投影点向模型内部移动到切割深度d，断裂填充球S1和S4，S2和S5，S3和S6的连接；为了提高切割面的平滑度，利用二次方贝塞尔曲线和微小球体法来实现；图中，假设由点P1′，P0和P2确定二次方贝塞尔曲线路径，表达式为：
B(t′)＝(1-t′)2P0+2t′(1-t′)P1′+t′2P2,t′∈[0,1]
其中，P0为切割起点，P2为切割终点，P1为切割深度的位置点，三个点构成一个等腰三角形；P1′为点P1垂直于切割平面的投影点，两点距离为2d；t′是一个时间无量纲，取值在[0,1](可以是1秒，可以是1分钟)，对于某个t′，函数得到的值是在t′时刻点的位置，t′＝0是起点位置，t′＝1是终点位置；
根据二次方贝塞尔方程得到的曲线路径和点P1构成一个曲面；从切割平面以内的曲面上排列微小球体，提高切割平面平滑效果和体结构；
体切割实施方案如下：
如图3和图5所示；根据3d虚拟软组织模型的不同大小形状，将整体模型分成层次型网格切片结构，多个层次型网格切片构成整个软组织模型，假设多层切片区域从左往右依次为A、B、C和D；每层切片网格内部连接填充球结构；在切割过程中，遍历确定3d手术器械模型刀尖和3d虚拟软组织模型的碰撞点，确定碰撞点所在的网格切片区域；然后根据不同切割深度，实现该层网格切片的分离；假设查询到切割位置在区域D中，此时根据切割深度的不同将该区域D的网格切片从整个模型中分离，完成模型的切割操作。该方法不需要在切割后重构整个软组织模型，更适用于精度较高的软组织模型。
其他模块和参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：
本实施方式用于手术机器人的基于力反馈的手术切割训练系统进行手术切割训练的方法，是通过以下步骤实现的：
3d虚拟环境及3d手术器械模型构建模块，仿照真实手术环境和真实手术器械构建3d虚拟环境和3d手术器械模型；
3d虚拟软组织模型构建模块，仿照真实软组织模型构建3d虚拟软组织模型；
模型读取与定位模块，加载3d虚拟环境、3d手术器械模型、3d虚拟软组织模型数据后，仿照真实手术情况设置3d模型的大小、位置和渲染模式；
力反馈模块通过接口连接手术切割训练系统中的3d手术器械模型建立3d手术器械模型与真实手术器械的映射关系，并将真实手术器械切割的状态通过力反馈数据加载在手术切割训练系统中；
切割工具与模型碰撞检测模块检测3d手术器械模型和3d虚拟软组织模型的碰撞情况，确定碰撞位置和时间；
分类切割模块根据3d虚拟环境及3d手术器械模型构建模块、3d虚拟软组织模型构建模块、模型读取与定位模块、切割工具与模型碰撞检测模块以及力反馈模块中的数据，对3d虚拟软组织模型的进行切割；完成手术切割训练。
Claims (7)
1.用于手术机器人的基于力反馈的手术切割训练系统，其特征在于包括以下模块：
3d虚拟环境及3d手术器械模型构建模块，3d虚拟软组织模型构建模块，模型读取与定位模块，切割工具与模型碰撞检测模块，力反馈模块，分类切割模块；
(1)所述3d虚拟环境及3d手术器械模型构建模块，用于构建手术切割训练系统的3d虚拟环境和3d手术器械模型；
(2)所述3d虚拟软组织模型构建模块，用于构建手术切割训练系统中的3d虚拟软组织模型；
3d虚拟软组织模型构建模块是根据Kelvin模型和弹簧模型而建立的具有应力应变、蠕变和应力松弛粘弹性特性的3d虚拟软组织模型；
(3)所述模型读取与定位模块，用于加载3d虚拟环境、3d手术器械模型、3d虚拟软组织模型以及设置3d手术器械模型、3d虚拟软组织模型的大小、位置和渲染模式；
(4)所述切割工具与模型碰撞检测模块，用于3d手术器械模型和3d虚拟软组织模型的碰撞检测，确定碰撞位置和时间；为后续3d虚拟软组织模型的挤压和切割操作提供检测数据；
(5)所述力反馈模块，用于实现力触觉，完成力反馈操作；
力反馈模块通过接口连接手术切割训练系统中的3d手术器械模型，建立3d手术器械模型与手术机器人进行切割的真实手术器械的映射关系，并将真实手术器械切割的状态通过力反馈数据加载在手术切割训练系统中，3d手术器械模型在手术切割训练系统中的运动对应手术机器人真实切割过程中真实手术器械的6个自由度方向，即3d手术器械模型在手术切割训练系统中的运动与真实手术器械在真实切割过程中的运动状态相同；
(6)所述分类切割模块，用于实现3d虚拟软组织模型的面切割和体切割；
分类切割模块根据3d虚拟环境及3d手术器械模型构建模块、3d虚拟软组织模型构建模块、模型读取与定位模块、切割工具与模型碰撞检测模块以及力反馈模块中的数据，对3d虚拟软组织模型的进行切割。
2.根据权利要求1所述用于手术机器人的基于力反馈的手术切割训练系统，其特征在于所述3d虚拟环境及3d手术器械模型构建模块包括3d手术器械模型构建子模块和3d虚拟环境构建子模块；
3d手术器械模型构建子模块，用于构建3d手术器械模型；3d手术器械模型构建子模块是根据真实手术器械形状的大小，利用3dmax构建模型及网格划分方法建立3d手术器械模型；
3d虚拟环境构建子模块，用于构建手术切割训练系统的3d虚拟环境，包括水平面设置、光照、背景、视觉方位；3d虚拟环境构建子模块利用VC++和OpenGL技术构建手术切割训练系统的3d虚拟环境。
3.根据权利要求2所述用于手术机器人的基于力反馈的手术切割训练系统，其特征在于3d虚拟软组织模型构建模块中所述3d虚拟软组织模型是利用层次型填充球结构，依据软组织轮廓排列小球位置，根据不同位置设置不同小球半径大小；小球之间采用粘弹性结构相连，使得3d虚拟软组织模型具有和真实软组织粘弹性类似表现特征。
4.根据权利要求3所述用于手术机器人的基于力反馈的手术切割训练系统，其特征在于所述切割工具与模型碰撞检测模块的检测过程如下：
切割工具与模型碰撞检测模块利用循环遍历3d手术器械模型的刀尖和3d虚拟软组织模型表面填充球之间的距离，当两者距离小于某一个阈值k，则表示两者有碰撞，记录碰撞位置到数组；根据切割方向，记录碰撞起点和终点坐标至一个数组，为后续3d虚拟软组织模型切割操作提供数据。
5.根据权利要求4所述用于手术机器人的基于力反馈的手术切割训练系统，其特征在于所述分类切割模块实现3d虚拟软组织模型的面切割和体切割的过程如下：
分类切割模块采用分类切割算法，利用分类方法完成对3d虚拟软组织模型的面切割和体切割；
在面切割中，按照二次贝塞尔曲线排列3d虚拟软组织模型中的微型填充球；首先遍历3d虚拟软组织模型的存储顶点数组，确定3d手术器械模型刀尖和3d虚拟软组织模型的碰撞点；根据切割方向，记录离碰撞点最近的顶点为切割顶点；切割顶点和3d手术器械模型刀尖接触后，将接触到的切割顶点进行存储，将存储的切割顶点移到对应的切割平面的投影点上，再将切割顶点沿切割方向往模型内部移动切割深度d；通过移动切割顶点形成凹槽，通过渲染不同颜色深度来实现切割视觉效果；
在体切割中，采用层次搜索算法，实现分类切割；根据3d虚拟软组织模型的不同大小形状，将整体模型分成层次型网格切片结构，多个层次型网格切片构成整个3d虚拟软组织模型；每层切片网格内部连接填充球结构；在切割过程中，遍历确定3d手术器械模型刀尖和3d虚拟软组织模型的碰撞点，确定碰撞点所在不同网格切片区域；然后根据不同切割深度，实现该层网格切片的分离。
6.根据权利要求5所述用于手术机器人的基于力反馈的手术切割训练系统，其特征在于所述3d虚拟软组织模型的构建过程中的受力过程如下：
虚拟软组织模型构建以及受力分析；根据模型连接的粘弹性结构模型和受力分析，利用如下模型受力方程分析虚拟切割过程中软组织模型受力过程，体现为应力应变和应力松弛特性；
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公式中，Fi(t)是模型受到的外力，Ei1，Ei2和Ei′是杨氏模量，Si是第i个填充球，α是单个填充球受力后和受力前之间产生的夹角，mi是第i个填充球的质量，γi是粘性模量，ε0是受力稳定后的应变长度；t为时间、g为重力加速度；
在3d虚拟软组织模型中，对于单独两个填充球S0和S1中心点组成向量S0和S1之间采用三参量模型连接，在填充球S0上垂直施加外力Fi(t)；填充球S0端匀速受力后，垂直方向位置变为S0′，S1S0′与初始水平位置S0S1形成的夹角α；剪应力σf(t)的值随着三参量模型边长ε(t)的变化而变化，剪应力σf(t)是关于ε(t)的线性函数σf(t)＝λ1·ε(t)，λ1是剪应力和位移之间的变化系数，单位是MPa，λ1＞0；ε(t)是受力随时间变化的应变长度。
7.根据权利要求6所述用于手术机器人的基于力反馈的手术切割训练系统，其特征在于所述面切割和体切割是按照下步骤进行的：
面切割具体切割过程如下：
假设3d虚拟软组织模型竖直设置，手术刀按照从上到下切割3d虚拟软组织模型，程序遍历整个3d虚拟软组织模型的顶点，计算3d虚拟软组织模型顶点和3d手术器械模型刀尖位置的空间距离，当两者距离小于设定的阈值k，记录当前顶点标号；同时记录离3d手术器械模型刀尖位置最近的网格下层填充球标号，即切割顶点；假设3d手术器械模型刀尖接触最开始位置是切割顶点v1和填充球S1；先将切割顶点v1移到切割平面的投影点上，再将切割顶点v1往模型内部移动到切割深度d，断裂记录的填充球S1和S4的连接；切割操作结束后，切割顶点为v1、v2、v3、v4根据切割平面的投影点向模型内部移动到切割深度d，断裂填充球S1和S4，S2和S5，S3和S6的连接；为了提高切割面的平滑度，利用二次方贝塞尔曲线和微小球体法来实现；假设由点P1′，P0和P2确定二次方贝塞尔曲线路径，表达式为：
B(t′)＝(1-t′)2P0+2t′(1-t′)P1′+t′2P2,t′∈[0,1]
其中，P0为切割起点，P2为切割终点，P1为切割深度的位置点，三个点构成一个等腰三角形；P1′为点P1垂直于切割平面的投影点，两点距离为2d；t′是一个时间无量纲，取值在[0,1]，对于某个t′，函数得到的值是在t′时刻点的位置，t′＝0是起点位置，t′＝1是终点位置；
体切割实施方案如下：
根据3d虚拟软组织模型的不同大小形状，将整体模型分成层次型网格切片结构，多个层次型网格切片构成整个软组织模型，假设多层切片区域从左往右依次为A、B、C和D；每层切片网格内部连接填充球结构；在切割过程中，遍历确定3d手术器械模型刀尖和3d虚拟软组织模型的碰撞点，确定碰撞点所在的网格切片区域；然后根据不同切割深度，实现该层网格切片的分离；假设查询到切割位置在区域D中，此时根据切割深度的不同将该区域D的网格切片从整个模型中分离，完成模型的切割操作。
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