CN107080586A - 虚拟手术中用于软组织实时形变的交叉弹簧模型 - Google Patents
虚拟手术中用于软组织实时形变的交叉弹簧模型 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了虚拟手术中用于软组织实时形变的交叉弹簧模型，首先在 PC机接一个OpenGL图形化接口，在该OpenGL图形化接口中连接一个手控器，并在PC机内创建3D人体模型，手控器在3D人体模型上形成一个虚拟代理，交叉弹簧模型的建模方法包括如下步骤：步骤1:虚拟场景初始化；步骤2:位置检测；步骤3:判断是否碰撞；步骤4：给定虚拟接触压力；步骤5：虚拟代理与虚拟软组织交互的局部区域内部填充交叉弹簧力触觉计算模型；步骤6：软组织局部区域变形计算、图形刷新和反馈输出力触觉信息。本发明变形计算速度加快，减少了计算量,通过改变建模方法中相应的参数，就可对不同的软组织进行变形仿真，建模方法适用性广。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟手术中用于软组织实时形变的交叉弹簧模型，具体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用于软组织实时形变的交叉弹簧模型属于力触觉再现的建模方法技术领域。
背景技术
随着科学技术飞速发展，我国在医疗卫生方面取得了长足的进步。虚拟手术是指医生在计算机虚拟环境中进行手术训练和手术规划，是虚拟现实技术在医学上的一种重要应用，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。利用虚拟手术仿真，可大大减少所需的培训时间和昂贵的动物实验费用。因此，作为虚拟手术基础的软组织仿真技术已成为当前的虚拟现实技术的热点和前沿。准确快速的力触觉再现的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，已成为近几年研究的热点。
虚拟力触觉交互过程中，形变模型是手术成功的关键。目前常用的基于物理意义的柔性体变形模型中，有限元模型虽然精确，但要求网格的节点数多、计算时耗多，实时性较差。弹簧质点模型网络构建简单直观，计算量小，但由于弹簧系数设定的任意性，导致所仿真物体行为特性的优劣较难定量地鉴别。边界元模型通过对模型边界进行离散来降低问题维数，简化计算，但在稳定性方面却存在一定困难。基于球面调和函数的柔性体模型具有预测功能，能很好地表达柔性体的表面轮廓及细节部分，但该模型所能表达的几何复杂性有一定限制，且运行耗时较长。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。
针对以上计算复杂和仿真度欠缺的问题，提出一种用于力触觉再现的交叉弹簧模型的建模方法，使虚拟手术仿真过程中力触觉人机交互过程更加快速有效，而且提高了交互的沉浸感、真实感和仿真度。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种虚拟手术中用于软组织实时形变的交叉弹簧模型，其具体技术方案如下：
虚拟手术中用于软组织实时形变的交叉弹簧模型，该交叉弹簧模型应用于Microsoft Visual Studio软件，在Microsoft Visual Studio软件里建立3D人体模型，所述3D人体模型完全模拟人体软组织，形成虚拟平台,并在安装该Microsoft Visual Studio软件的硬件PC机连接一个OpenGL图形化接口，在该平台上连接一个手控器，所述手控器在3D人体模型上形成一个虚拟代理，所述虚拟代理跟随手控器同步移动，交叉弹簧模型的建模方法包括如下步骤：
步骤1:虚拟场景初始化：对3D人体模型进行虚拟场景初始化；
步骤2:位置检测：移动手控器到3D人体模型任意位置，并通过手控器施加力；
步骤3:判断是否碰撞：虚拟平台软件判断虚拟代理是否碰撞到软组织，如检测到碰触到软组织进入下一步，如检测到未碰触到软组织，则进入上一步；
步骤4：给定虚拟接触压力F：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；
步骤5：虚拟代理与虚拟软组织交互的局部区域内部填充交叉弹簧力触觉计算模型：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填充交叉弹簧力触觉计算模型；
步骤6：软组织局部区域变形计算、图形刷新和反馈输出力触觉信息：在交互过程中，软组织局部区域通过交叉弹簧模型进行变形计算和图形刷新，输出反馈为采用交叉弹簧力触觉虚拟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的信号。
所述步骤6中软组织实时形变和图形刷新的方法为：
(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的任意点时，在碰撞点处下方竖直悬挂一个半径为R的刚性圈，在刚性圈中过圆心O1有四个相同的弹簧水平垂直相交于一个点，四个弹簧外边缘连接一个刚性圈，构成第一层，将其定义为一个结构单元，在第一层圈下，刚性圈下竖直固定另一刚性圈，以连接另一个结构单元即第二层，第一层与第二层之间由最边缘的刚性棒和中心的弹簧相连接，第二层在第一层基础上增加一个半径为2R的同心刚性圈，且也以四个弹簧连接内刚性圈，第二层以第一层为基础沿四个弹簧的方向续接四个弹簧外加一个刚性圈构成第二层，第三层则为三个同心刚性圈，层与层之间以一个弹簧来连接，以此类推，第二层的弹簧弹性系数是第一层的2倍，即第k层的弹簧弹性系数是第k-1层的2倍；
假定虚拟接触压力F的作用线和交叉弹簧模型中心线一致，且在虚拟接触压力F作用下，若软组织中共有n层的结构单元的弹簧产生变形，则第n层称为变形截止层；
(3)每层交叉弹簧受力分析。
所述每层交叉弹簧受力分析过程如下：假设每层的交叉弹簧由圆心受分力，所受分力系数为该点受力所占F的比重，则第n层中心圆点所受分力大小为：
根据实际需要，当第n层中所受最大的分力小于给定数值f时，即可忽略，认为此时变形截止；令fn＜f，通过计算求出变形截止层n；
交叉弹簧模型中每一层弹簧的弹性系数，以每一层的第一个弹簧的弹性系数为标准，本层弹簧的弹性系数是上一层弹簧的系数2倍。则第i层第一个弹簧的弹性系数满足下面公式：
其中，k1为第一层第一个弹簧的弹性系数，ki为第i层的第一个弹簧的弹性系数，
每一层弹簧变形量如下：
Δxi为前n层中任意第i层的弹簧产生的压缩变形量；
所述交叉弹簧模型中每层的弹簧变形量之和的叠加对外等效为虚拟软组织表面的变形，
其中，Δx总为前n层所有的弹簧产生的压缩变形量之和，F为给定的虚拟接触压力，k1为第1层的第一个弹簧的弹性系数。
所述手控器包括手持部和底座，所述手持部用于手持和施加力，底座用于置于平整桌名上移动位置。
所有的所述弹簧规格相同。
本发明的有益效果是：
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，该建模方法变形计算速度加快，减少了计算量。
本发明通过改变建模方法中相应的参数，就可对不同的软组织进行变形仿真，建模方法适用性广。
附图说明
图1是本发明流程图，
图2是本发明的建模方法流程图，
图3是本发明交叉弹簧模型示意图，
图4是本发明交叉弹簧模型受力示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本虚拟手术中用于软组织实时形变的交叉弹簧模型，该交叉弹簧模型应用于Microsoft Visual Studio软件，在Microsoft Visual Studio软件里建立3D人体模型，所述3D人体模型完全模拟人体软组织，并在安装该Microsoft Visual Studio软件的硬件PC机接一个OpenGL图形化接口，在该OpenGL图形化接口中连接一个手控器，所述手控器在3D人体模型上形成一个鼠标光点，该鼠标光点即虚拟代理，所述虚拟代理跟随手控器同步移动。所述手控器包括手持部和底座，所述手持部用于手持和施加力，底座用于置于平整桌名上移动位置。
图1是本发明流程图，结合附图可见，交叉弹簧模型的建模方法包括如下步骤：
步骤1:虚拟场景初始化：对3D人体模型进行虚拟场景初始化；
步骤2:位置检测：移动手控器到3D人体模型任意位置，并通过手控器施加力；
步骤3:判断是否碰撞：Microsoft Visual Studio软件判断虚拟代理是否碰撞到软组织，如检测到碰触到软组织进入下一步，如检测到未碰触到软组织，则进入上一步；
步骤4：给定虚拟接触压力F：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；
步骤5：虚拟代理与虚拟软组织交互的局部区域内部填充交叉弹簧力触觉计算模型：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填充交叉弹簧力触觉计算模型；
步骤6：软组织局部区域变形计算、图形刷新和反馈输出力触觉信息：在交互过程中，软组织局部区域通过交叉弹簧模型进行变形计算和图形刷新，输出反馈为采用交叉弹簧力触觉虚拟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的信号。
图2是本发明的建模方法流程图，结合附图可见，所述步骤6中软组织实时形变和图形刷新的方法为：
(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的任意点时，在碰撞点处下悬挂一个半径为R的刚性圈，在刚性圈中过圆心O1有四个相同的弹簧水平垂直相交于一个点，图3是本发明交叉弹簧模型示意图，结合附图可见，四个弹簧外边缘连接一个刚性圈，所有弹簧规格相同，构成第一层，将其定义为一个结构单元，在第一层结构单元下连接一个竖直的弹簧，以连接另一个结构单元即第二层，第一层与第二层之间由最边缘的两个刚性棒和中心的一个弹簧相连接，第二层在第一层基础上增加一个半径为2R的同心刚性圈，且也以四个弹簧连接内刚性圈，第二层以第一层为基础沿四个弹簧的方向续接四个弹簧外加一个刚性圈构成第二层，第三层则为三个同心刚性圈，层与层之间以一个竖直弹簧来连接，以此类推，第二层的弹簧弹性系数是第一层的2倍，即第k层的弹簧弹性系数是第k-1层的2倍；
假定虚拟接触压力F的作用线和交叉弹簧模型中心线一致，且在虚拟接触压力F作用下，若软组织中共有n层的结构单元的弹簧产生变形，则第n层称为变形截止层；
(3)每层交叉弹簧受力分析。
图4是本发明交叉弹簧模型受力示意图，结合附图可见，所述每层交叉弹簧受力分析过程如下：假设每层的交叉弹簧由圆心受分力，所受分力系数为该点受力所占F的比重，则第n层中心圆点所受分力大小为：
根据实际需要，当第n层中所受最大的分力小于给定数值f时，即可忽略，认为此时变形截止；令fn＜f，通过计算求出变形截止层n；
交叉弹簧模型中每一层弹簧的弹性系数，以每一层的第一个弹簧的弹性系数为标准，本层弹簧的弹性系数是上一层弹簧的系数2倍。则第i层第一个弹簧的弹性系数满足下面公式：
其中，k1为第一层每一个弹簧的弹性系数，ki为第i层的每一个弹簧的弹性系数，
每一层弹簧变形量如下：
Δxi为前n层中任意第i层的弹簧产生的压缩变形量；
所述交叉弹簧模型中每层的弹簧变形量之和的叠加对外等效为虚拟软组织表面的变形，
其中，Δx总为前n层所有的弹簧产生的压缩变形量之和，F为给定的虚拟接触压力，k1为第1层的第一个弹簧的弹性系数。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (5)
1.虚拟手术中用于软组织实时形变的交叉弹簧模型，其特征在于该交叉弹簧模型应用于Microsoft Visual Studio软件，在Microsoft Visual Studio软件里建立3D人体模型，所述3D人体模型完全模拟人体软组织，形成虚拟平台,并在安装该Microsoft VisualStudio软件的硬件PC机接一个OpenGL图形化接口，在该虚拟平台中连接一个手控器，所述手控器在3D人体模型上形成一个虚拟代理，所述虚拟代理跟随手控器的操作同步移动，交叉弹簧模型的建模方法包括如下步骤：
步骤1:虚拟场景初始化：对3D人体模型进行虚拟场景初始化；
步骤2:位置检测：移动手控器到3D人体模型任意位置，并通过手控器施加力；
步骤3:判断是否碰撞：Microsoft Visual Studio软件判断虚拟代理是否碰撞到软组织，如检测到碰触到软组织进入下一步，如检测到未碰触到软组织，则进入上一步；
步骤4：给定虚拟接触压力F：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；
步骤5：虚拟代理与虚拟软组织交互的局部区域内部填充交叉弹簧力触觉计算模型：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填充交叉弹簧力触觉计算模型；
步骤6：软组织局部区域变形计算、图形刷新和反馈输出力触觉信息：在交互过程中，软组织局部区域通过交叉弹簧模型进行变形计算和图形刷新，输出反馈为采用交叉弹簧力触觉虚拟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的信号。
2.根据权利要求1所述的虚拟手术中用于软组织实时形变的交叉弹簧模型，其特征在于所述步骤6中软组织实时形变和图形刷新的方法为：
(1)参数初始化；
(2)在给定虚拟接触压力F作用下，当鼠标光点碰撞到虚拟软组织表面上的任意点时，在碰撞点处下垂直悬挂一个半径为R的刚性圈，在刚性圈中过圆心O1有四个规格相同的弹簧水平垂直相交于一个点，四个弹簧外边缘连接一个刚性圈，构成第一层，将其定义为一个结构单元，在第一层圈下，刚性圈下竖直连接一个弹簧，以连接另一个结构单元即第二层，第一层与第二层之间由最边缘的两个刚性棒和一个中心的弹簧相连接，第二层在第一层基础上增加一个半径为2R的同心刚性圈，且也以四个弹簧连接内刚性圈，第二层以第一层为基础沿四个弹簧的方向续接四个弹簧外加一个刚性圈构成第二层，第三层则为三个同心刚性圈，层与层之间以一个弹簧来连接，以此类推，第二层的弹簧弹性系数是第一层的2倍，即第k层的弹簧弹性系数是第k-1层的2倍,除弹性系数外,其他各层弹簧中规格均相同；
假定虚拟接触压力F的作用线和交叉弹簧模型中心线一致，且在虚拟接触压力F作用下，若软组织中共有n层的结构单元的弹簧产生变形，则第n层称为变形截止层；
(3)每层交叉弹簧受力分析。
3.根据权利要求2所述的虚拟手术中用于软组织实时形变的交叉弹簧模型，其特征在于所述每层交叉弹簧受力分析过程如下：假设每层的交叉弹簧由圆心受分力，所受分力系数为该点受力所占F的比重，则第n层中心圆点所受分力大小为：
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根据实际需要，当第n层中所受最大的分力小于给定数值f时，即可忽略，认为此时变形截止；令fn＜f，通过计算求出变形截止层n；
交叉弹簧模型中每一层弹簧的弹性系数，以每一层的第一个弹簧的弹性系数为标准，本层弹簧的弹性系数是上一层弹簧的系数2倍。则第i层第一个弹簧的弹性系数满足下面公式：
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其中，k1为第一层每一个弹簧的弹性系数，ki为第i层的每一个弹簧的弹性系数，
每一层弹簧变形量如下：
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Δxi为前n层中任意第i层的弹簧产生的压缩变形量；
所述交叉弹簧模型中每层的弹簧变形量之和的叠加对外等效为虚拟软组织表面的变形，
其中，Δx总为前n层所有的弹簧产生的压缩变形量之和，F为给定的虚拟接触压力，k1为第1层弹簧的弹性系数。
4.根据权利要求1所述的虚拟手术中用于软组织实时形变的交叉弹簧模型，其特征在于所述手控器包括手持部和底座，所述手持部用于手持和施加力，底座用于置于平整桌名上移动位置。
5.根据权利要求1所述的虚拟手术中用于软组织实时形变的交叉弹簧模型，其特征在于一个结构层中的所述弹簧规格相同。
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