CN109961682A - 虚拟整形手术训练装置及终端设备 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于虚拟现实技术领域，提供了一种虚拟整形手术训练装置及终端设备，其中，所述装置包括：骨头建模单元，用于生成骨头物理模型，建立骨头几何模型；骨锯建模单元，用于生成骨锯物理模型，建立骨锯几何模型；人机交互单元，用于接收操作指令，根据该操作指令进行划割，对划割后的骨头物理模型进行碰撞检测，根据碰撞检测的结果实时重建锯切面，并根据碰撞检测的结果确定锯切力；视觉渲染单元，用于进行视觉渲染，并将渲染后的结果发送显示屏显示；触觉渲染单元，用于进行触觉渲染，并将渲染后的结果反馈给用户。可以解决现有虚拟手术无法培训用户绘制锯切面，也无法反馈给用户一个相对真实的锯切力，不能满足实际手术培训需求的问题。
Description
技术领域
本发明属于虚拟现实技术领域，尤其涉及一种虚拟整形手术训练装置及终端设备。
背景技术
对于虚拟整形手术训练系统，目前常用的手术器械主要有骨钻和骨锯，分别如图1(a)和(b)所示。由于骨钻的钻头可以近似为球形，球形的碰撞检测算法可以快速实现，所以目前针对骨钻的虚拟整形手术训练系统的研究已经相对成熟。但是，由于在锯切过程中需要考虑骨锯的外形和切割方向，所以现有针对骨锯的研究相对较少。
在虚拟交互场景中，骨锯与骨头的碰撞检测对训练环境的逼真度至关重要，但是，现有虚拟手术无法培训用户绘制锯切面，也无法反馈给用户一个相对真实的锯切力，不能满足实际手术培训需求。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种虚拟整形手术训练装置及终端设备，以解决现有虚拟手术无法培训用户绘制锯切面，也无法反馈给用户一个相对真实的锯切力，不能满足实际手术培训需求的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种虚拟整形手术训练装置，包括：
骨头建模单元，用于获取待整形目标的图像和骨头特性，对所述图像进行分割重建，根据所述骨头特性生成骨头物理模型，并根据分割重建后的图像和所述骨头物理模型建立骨头几何模型；
骨锯建模单元，用于根据目标骨锯设置骨锯参数，根据所述骨锯参数生成骨锯物理模型，并根据所述骨锯物理模型建立骨锯几何模型；
人机交互单元，用于接收用户输入的操作指令，根据所述操作指令利用所述骨锯物理模型在所述骨头物理模型上进行划割，对划割后的骨头物理模型进行碰撞检测，根据碰撞检测的结果实时重建锯切面，并根据碰撞检测的结果确定锯切力；
视觉渲染单元，用于对所述骨头几何模型、所述骨锯几何模型和实时重建的锯切面进行视觉渲染，并将视觉渲染后的渲染结果发送至显示屏显示；
触觉渲染单元，用于对所述锯切力进行触觉渲染，并将触觉渲染后的渲染结果通过触觉设备反馈给所述用户。
可选的，所述人机交互单元对划割后的骨头物理模型进行碰撞检测包括：
获取一个连续时间间隔内所述骨锯物理模型在所述骨头物理模型上划割的扫描面；
在所述扫描面内均匀分布点；
提取在所述扫描面内均匀分布的点所在的体素；
利用提取的体素的每条边分别与所述扫描面进行射线碰撞，获得在每个体素上的碰撞信息。
可选的，所述人机交互单元根据碰撞检测的结果实时重建锯切面包括：
根据获得的在每个体素上的碰撞信息，确定在每个体素中的交点个数；
根据确定的每个体素中的交点个数确定一个区分阈值的平面；
将确定的平面两侧的顶点值分别设为第一预设值和第二预设值；
根据设定的平面两侧的顶点值和获取的每个体素上的碰撞信息，实时重建等值面，并计算重建的每个等值面的法向量；
根据重建的等值面和计算的每个等值面的法向量，实时重建锯切面。
可选的，所述人机交互单元根据碰撞检测的结果确定锯切力包括：
根据获得的每个体素上的碰撞信息，确定所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的面积系数；
获取所述骨锯物理模型中每个锯齿的宽度、所述骨锯物理模型中相邻锯齿间的齿距、所述骨锯物理模型的振荡速度和所述骨锯物理模型的进给速度；
根据所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的面积系数、所述每个锯齿的宽度、所述相邻锯齿间的齿距、所述振荡速度和所述进给速度，确定所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的面积；
根据所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的面积，确定所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的锯切力。
本发明实施例的第二方面提供了一种虚拟整形手术训练方法，包括：
获取待整形目标的图像和骨头特性，对所述图像进行分割重建，根据所述骨头特性生成骨头物理模型，并根据分割重建后的图像和所述骨头物理模型建立骨头几何模型；
根据目标骨锯设置骨锯参数，根据所述骨锯参数生成骨锯物理模型，并根据所述骨锯物理模型建立骨锯几何模型；
接收用户输入的操作指令，根据所述操作指令利用所述骨锯物理模型在所述骨头物理模型上进行划割，对划割后的骨头物理模型进行碰撞检测，根据碰撞检测的结果实时重建锯切面，并根据碰撞检测的结果确定锯切力；
对所述骨头几何模型、所述骨锯几何模型和实时重建的锯切面进行视觉渲染，并将视觉渲染后的渲染结果发送至显示屏显示；
对所述锯切力进行触觉渲染，并将触觉渲染后的渲染结果通过触觉设备反馈给所述用户。
可选的，所述对划割后的骨头物理模型进行碰撞检测包括：
获取一个连续时间间隔内所述骨锯物理模型在所述骨头物理模型上划割的扫描面；
在所述扫描面内均匀分布点；
提取在所述扫描面内均匀分布的点所在的体素；
利用提取的体素的每条边分别与所述扫描面进行射线碰撞，获得在每个体素上的碰撞信息。
可选的，所述根据碰撞检测的结果实时重建锯切面包括：
根据获得的在每个体素上的碰撞信息，确定在每个体素中的交点个数；
根据确定的每个体素中的交点个数确定一个区分阈值的平面；
将确定的平面两侧的顶点值分别设为第一预设值和第二预设值；
根据设定的平面两侧的顶点值和获取的每个体素上的碰撞信息，实时重建等值面，并计算重建的每个等值面的法向量；
根据重建的等值面和计算的每个等值面的法向量，实时重建锯切面。
可选的，所述根据碰撞检测的结果确定锯切力包括：
根据获得的每个体素上的碰撞信息，确定所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的面积系数；
获取所述骨锯物理模型中每个锯齿的宽度、所述骨锯物理模型中相邻锯齿间的齿距、所述骨锯物理模型的振荡速度和所述骨锯物理模型的进给速度；
根据所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的面积系数、所述每个锯齿的宽度、所述相邻锯齿间的齿距、所述振荡速度和所述进给速度，确定所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的面积；
根据所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的面积，确定所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的锯切力。
本发明实施例的第三方面提供了一种虚拟整形手术训练终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述虚拟整形手术训练方法的步骤。
本发明实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述虚拟整形手术训练方法的步骤。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本发明实施例通过骨头建模单元生成骨头物理模型，建立骨头几何模型；骨锯建模单元生成骨锯物理模型，建立骨锯几何模型；人机交互单元根据用户操作指令利用骨锯物理模型在骨头物理模型上进行划割，对划割后的骨头物理模型进行碰撞检测，根据碰撞检测的结果实时重建锯切面，并根据碰撞检测的结果确定锯切力；视觉渲染单元对骨头几何模型、骨锯几何模型和实时重建的锯切面进行视觉渲染，并将视觉渲染后的渲染结果发送至显示屏显示；触觉渲染单元对上述锯切力进行触觉渲染，并将触觉渲染后的渲染结果通过触觉设备反馈给用户。由于本发明可以在根据用户操作指令利用骨锯物理模型在骨头物理模型上进行划割后，及时对划割后的骨头物理模型进行碰撞检测，达到虚拟手术训练的实时性要求；根据碰撞检测的结果实时重建锯切面，使用户在相对平稳的锯切操作过程中，实时绘制锯切面，通过视觉渲染提高系统可视化效果，帮助用户评估自己的操作水平和技巧，通过触觉渲染可以反馈给用户一个相对真实的锯切力，增强用户训练的真实感和沉浸感，满足实际手术培训需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1(a)是本发明实施例提供的骨钻示意图；
图1(b)是本发明实施例提供的骨锯示意图；
图2是本发明实施例提供的一种虚拟整形手术训练装置的示意性框图；
图3是本发明实施例提供的基于体的快速碰撞检测算法的示意图；
图4是本发明实施例提供的基于Marching Cube的锯切面实时重建的示意图；
图5是本发明实施例提供的锯切力模型示意图；
图6是本发明实施例提供的一种虚拟整形手术训练方法的示意流程图；
图7是本发明实施例提供的对划割后的骨头物理模型进行碰撞检测的示意流程图；
图8是本发明实施例提供的根据碰撞检测的结果实时重建锯切面的示意流程图；
图9是本发明实施例提供的根据碰撞检测的结果确定锯切力的示意流程图；
图10是本发明实施例提供的一种虚拟整形手术训练终端设备的示意性框图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
参见图2，图2是本发明实施例提供的一种虚拟整形手术训练装置的示意性框图。本实施例的虚拟整形手术训练装置200包括骨头建模单元201、骨锯建模单元202、人机交互单元203、视觉渲染单元204及触觉渲染单元205。
其中，骨头建模单元201，用于获取待整形目标的图像和骨头特性，对所述图像进行分割重建，根据所述骨头特性生成骨头物理模型，并根据分割重建后的图像和所述骨头物理模型建立骨头几何模型。
这里，待整形目标为需要进行整形的部位，可以根据实际需要设置，获取的待整形目标的图像可以为待整形目标的计算机体层摄影(Computed Tomography，CT)图像，获取的待整形目标的骨头特性可以为待整形目标的骨骼参数，例如待整形目标的骨骼组成、骨骼间位置关系等。
对所述图像进行分割重建可以包括：确定待整形目标的目标骨头区域，根据确定的目标骨头区域对待整形目标的图像进行分割重建，将目标骨头区域分割出来。
根据所述骨头特性生成骨头物理模型可以包括：利用预设模型生成方法根据所述骨头特性生成骨头物理模型，预设模型生成方法可以根据实际情况选择设置。在根据所述骨头特性生成骨头物理模型之后，还可以接收第一调整指令，根据第一调整指令调整生成的骨头物理模型的位置、大小等。
根据分割重建后的图像和所述骨头物理模型建立骨头几何模型可以包括：利用三维重建方法，将分割重建后的图像和所述骨头物理模型建立成骨头几何模型，即对分割出来的目标骨头区域和所述骨头物理模型进行三维重建，得到骨头几何模型。在根据分割重建后的图像和所述骨头物理模型建立骨头几何模型之后，还可以接收第二调整指令，根据第二调整指令调整建立的骨头几何模型的位置、大小等。
骨锯建模单元202，用于根据目标骨锯设置骨锯参数，根据所述骨锯参数生成骨锯物理模型，并根据所述骨锯物理模型建立骨锯几何模型。
具体地，目标骨锯为此次虚拟整形手术需要使用的骨锯，根据该骨锯的参数设置骨锯参数。
根据所述骨锯参数生成骨锯物理模型可以包括：根据上述骨锯参数利用预设模型生成方法生成骨锯物理模型。在根据所述骨锯参数生成骨锯物理模型之后，还可以接收第三调整指令，根据第三调整指令调整生成的骨锯物理模型的位置、大小等。
根据所述骨锯物理模型建立骨锯几何模型包括：对生成的骨锯物理模型进行三维重建，得到骨锯几何模型。在根据所述骨锯物理模型建立骨锯几何模型之后，还可以接收第四调整指令，根据第四调整指令调整建立的骨锯几何模型的位置、大小等。
人机交互单元203，用于接收用户输入的操作指令，根据所述操作指令利用所述骨锯物理模型在所述骨头物理模型上进行划割，对划割后的骨头物理模型进行碰撞检测，根据碰撞检测的结果实时重建锯切面，并根据碰撞检测的结果确定锯切力。
这里，人机交互单元接收用户输入的操作指令，根据该操作指令利用骨锯物理模型在骨头物理模型上进行划割，可以实现切割，切割过程中锯切面的实时重建，以及切割过程中锯切力的计算。
在对划割后的骨头物理模型进行碰撞检测之后，可以显示碰撞检测的结果，也可以保存碰撞检测的结果方便后续数据查询。
视觉渲染单元204，用于对所述骨头几何模型、所述骨锯几何模型和实时重建的锯切面进行视觉渲染，并将视觉渲染后的渲染结果发送至显示屏显示。
触觉渲染单元205，用于对所述锯切力进行触觉渲染，并将触觉渲染后的渲染结果通过触觉设备反馈给所述用户。
具体地，视觉和触觉渲染分别为图形渲染和力反馈，可以使用户通过视觉和触觉于虚拟环境中的物体和工具进行交互，良好的反馈环境可以大大增强虚拟手术环境的真实感和沉浸感。
从以上描述可知，本发明实施例虚拟整形手术训练装置，由于可以在根据用户操作指令利用骨锯物理模型在骨头物理模型上进行划割后，及时对划割后的骨头物理模型进行碰撞检测，达到虚拟手术训练的实时性要求；根据碰撞检测的结果实时重建锯切面，使用户在相对平稳的锯切操作过程中，实时绘制锯切面，通过视觉渲染提高系统可视化效果，帮助用户评估自己的操作水平和技巧，通过触觉渲染可以反馈给用户一个相对真实的锯切力，增强用户训练的真实感和沉浸感，满足实际手术培训需求。
此外，在一个具体示例中，所述人机交互单元203对划割后的骨头物理模型进行碰撞检测包括：
获取一个连续时间间隔内所述骨锯物理模型在所述骨头物理模型上划割的扫描面；
在所述扫描面内均匀分布点；
提取在所述扫描面内均匀分布的点所在的体素；
利用提取的体素的每条边分别与所述扫描面进行射线碰撞，获得在每个体素上的碰撞信息。
这里，以减小下颌角的虚拟整形手术训练为例，在虚拟整形手术训练装置中，骨头模型选择的是外部基于表面内部基于体的复杂三维模型，所以本实施例提出了一种基于体的快速的碰撞检测方法。装置中应用的手术器械是骨锯，为了快速的实现碰撞检测和力觉交互，将骨锯简化为两个三角面片的几何形状。在过去的研究中，关于骨锯的碰撞检测，通常把刀刃作为活动对象。在基于工具表面的多点碰撞方法中，由于骨锯的往复震荡会导致提取体素的重复性极高，造成数据冗余，降低碰撞检测效率。但是在本实施例中，将骨锯在一个时间间隔内划过的扫描面作为活动对象于骨头进行碰撞检测，因为一个连续的时间间隔的扫描面是固定的，所以只要分布点的距离适当，每个体素只需要提取一次即可，成功避免了数据冗余的问题，并提高了碰撞检测的速度，完全可以达到虚拟手术系统的实时性的要求。
如图3，在一个时间间隔t内，骨锯划过的扫描面如虚线线框所示。之后再通过分布点的方法在扫描面内均匀分布点(点距只要小于每个立方体的边长)，分别查看每个点落在体素空间中哪个体素内部，就可以把该时间段碰到的体素提取出来，之后用提取出来的体素的每条边分别扫描面进行射线碰撞，确定在每个体素上精确的碰撞点信息，便并完成一个快速的碰撞检测。
此外，在一个具体示例中，所述人机交互单元203根据碰撞检测的结果实时重建锯切面包括：
根据获得的在每个体素上的碰撞信息，确定在每个体素中的交点个数；
根据确定的每个体素中的交点个数确定一个区分阈值的平面；
将确定的平面两侧的顶点值分别设为第一预设值和第二预设值；
根据设定的平面两侧的顶点值和获取的每个体素上的碰撞信息，实时重建等值面，并计算重建的每个等值面的法向量；
根据重建的等值面和计算的每个等值面的法向量，实时重建锯切面。
具体地，装置中的三维头骨模型内部是基于体的表示，Marching Cube方法也是一种基于立方体的表面渲染方法，所以本实施例中结合了锯切过程中的真实情况，设计了一套基于Marching Cube的锯切面实时重建方法。在三维体素空间中，把锯切的操作看作骨锯与体素的交互过程。对于上述碰撞检测提取的一个立方体而言如图4所示，顶点分别为V0、V1、V2、V3、V4、V5、V6和V7。
人机交互单元203根据碰撞检测的结果实时重建锯切面可以包括：
(1)碰撞检测中用立方体的每条边分别与这两个三角面片进行射线碰撞，确定该立方体的边上的交点信息并记录在该立方体中的交点个数。
(2)然后根据每个立方体中交点的个数确定各顶点的阈值，这也是应用MarchingCube方法的前提。这里有三种情况：
(a)该立方体中仅有三个交点，例如图4中的A、B、C三个交点，则三个交点确定一个平面P，也称区分阈值的平面，即将平面两侧的顶点阈值分别设置为第一预设值和第二预设值，第一预设值可以是1，第二预设值可以是-1。
(b)该立方体中刚好有四个交点，则四个交点确定一个区分阈值的平面P，同样将平面两侧的阈值分别设置为第一预设值和第二预设值。
(c)该立方体中顶点个数大于四个，即交互过程中骨锯出现晃动的情况，此时为了可以渲染一个平稳的锯切面，只取前两个和最后一个交点确定一个区分阈值的平面P，再将平面两侧的阈值分别设置为第一预设值和第二预设值。
(3)确定各个顶点的阈值后，再结合(1)中的交点信息，利用Marching Cube方法实时重建等值面，并计算每个等值面的法向量。
(4)可以使用开放图形库(Open Graphics Library，OpenGL)实时绘制重建出来的锯切面。
此外，在一个具体示例中，所述人机交互单元203根据碰撞检测的结果确定锯切力包括：
根据获得的每个体素上的碰撞信息，确定所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的面积系数；
获取所述骨锯物理模型中每个锯齿的宽度、所述骨锯物理模型中相邻锯齿间的齿距、所述骨锯物理模型的振荡速度和所述骨锯物理模型的进给速度；
根据所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的面积系数、所述每个锯齿的宽度、所述相邻锯齿间的齿距、所述振荡速度和所述进给速度，确定所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的面积；
根据所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的面积，确定所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的锯切力。
这里，本实施例中，提出的锯切力模型考虑了骨锯的振荡速度和进给速度，通过计算每个锯齿的受力，将它们累加起来再分为三个方向的力用来渲染触觉设备。
为了计算每个锯齿上的力，把每个锯齿每个面离散分为N个小的切割单元，则第i个齿面上的第j个切割单元的力可以表示为法向力切向力径向力如图5所示。法向力沿着锯切进给方向，切向力是骨锯的振荡方向，径向力垂直于锯齿面。假设锯齿面共有M个，为锯齿个数的两倍，因为每个锯齿具有两个相对的面。骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的锯切力包括三个力，三个力可以分别表示为：法向力:切向力:径向力:其中Aij为第j个锯齿上第i个切割单元的面积，表示为：Aij＝△*w*p*f/u。在锯切力模型中，每个切割单元需要被判断是否沉浸于体素中，即是否参与切割，若切割单元在体素中，则△为1，否则为0，该切割单元不受力。△代表的是骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的面积系数，w代表的是锯齿的宽度。p代表的是齿距。u代表的是骨锯的振荡速度，f为骨锯的进给速度。
进一步的，触觉渲染单元205对人机交互单元确定的锯切力进行触觉渲染，并将触觉渲染后的渲染结果通过触觉设备反馈给用户。触觉渲染单元205可以借助于Phantom的力反馈设备对接触力进行了实时触觉渲染，Fx，Fy和Fz是渲染在触觉设备x轴、y轴和z轴三个方向的力，可以通过以下公式计算得到：
其中，θij代表第i个切割单元相对于进给方向的夹角。
对应于上文实施例所述的虚拟整形手术训练装置，图6示出了本发明实施例提供的一种虚拟整形手术训练方法的示意流程图。上述实施例的虚拟整形手术训练装置200包括的各单元用于执行图6对应的实施例中的各步骤。具体请参阅图2及图2对应的实施例中的相关描述，此处不赘述。
在该实施例中，以终端的角度触发为例进行说明，这里，终端可以为智能手机、平板电脑等移动终端。如图6所示，在该实施例中，终端的处理过程可以包括以下步骤：
S601：获取待整形目标的图像和骨头特性，对所述图像进行分割重建，根据所述骨头特性生成骨头物理模型，并根据分割重建后的图像和所述骨头物理模型建立骨头几何模型。
S602：根据目标骨锯设置骨锯参数，根据所述骨锯参数生成骨锯物理模型，并根据所述骨锯物理模型建立骨锯几何模型。
S603：接收用户输入的操作指令，根据所述操作指令利用所述骨锯物理模型在所述骨头物理模型上进行划割，对划割后的骨头物理模型进行碰撞检测，根据碰撞检测的结果实时重建锯切面，并根据碰撞检测的结果确定锯切力。
S604：对所述骨头几何模型、所述骨锯几何模型和实时重建的锯切面进行视觉渲染，并将视觉渲染后的渲染结果发送至显示屏显示。
S605：对所述锯切力进行触觉渲染，并将触觉渲染后的渲染结果通过触觉设备反馈给所述用户。
从以上描述可知，本发明实施例虚拟整形手术训练方法，由于可以在根据用户操作指令利用骨锯物理模型在骨头物理模型上进行划割后，及时对划割后的骨头物理模型进行碰撞检测，达到虚拟手术训练的实时性要求；根据碰撞检测的结果实时重建锯切面，使用户在相对平稳的锯切操作过程中，实时绘制锯切面，通过视觉渲染提高系统可视化效果，帮助用户评估自己的操作水平和技巧，通过触觉渲染可以反馈给用户一个相对真实的锯切力，增强用户训练的真实感和沉浸感，满足实际手术培训需求。
请参阅图7，图7是本发明实施例提供的对划割后的骨头物理模型进行碰撞检测的示意流程图。具体地，可以包括S701～S704：
S701：获取一个连续时间间隔内所述骨锯物理模型在所述骨头物理模型上划割的扫描面。
S702：在所述扫描面内均匀分布点；
S703：提取在所述扫描面内均匀分布的点所在的体素；
S704：利用提取的体素的每条边分别与所述扫描面进行射线碰撞，获得在每个体素上的碰撞信息。
这里，如图3，在一个时间间隔t内，骨锯划过的扫描面如虚线线框所示。之后再通过分布点的方法在扫描面内均匀分布点(点距只要小于每个cube的边长)，分别查看每个点落在体素空间中哪个体素内部，就可以把该时间段碰到的体素提取出来，之后用提取出来的体素的每条边分别扫描面进行射线碰撞，确定在每个体素上精确的碰撞点信息，便并完成一个快速的碰撞检测。
请参阅图8，图8是本发明实施例提供的根据碰撞检测的结果实时重建锯切面的示意流程图。具体地，可以包括S801～S805：
S801：根据获得的在每个体素上的碰撞信息，确定在每个体素中的交点个数。
S802：根据确定的每个体素中的交点个数确定一个区分阈值的平面。
S803：将确定的平面两侧的顶点值分别设为第一预设值和第二预设值。
S804：根据设定的平面两侧的顶点值和获取的每个体素上的碰撞信息，实时重建等值面，并计算重建的每个等值面的法向量。
S805：根据重建的等值面和计算的每个等值面的法向量，实时重建锯切面。
具体地，本实施例中结合了锯切过程中的真实情况，设计了一套基于MarchingCube的锯切面实时重建方法。在三维体素空间中，把锯切的操作看作骨锯与体素的交互过程。对于上述碰撞检测提取的一个立方体而言如图4所示。
根据碰撞检测的结果实时重建锯切面可以包括：
(1)碰撞检测中用立方体的每条边分别与这两个三角面片进行射线碰撞，确定该立方体的边上的交点信息并记录在该立方体中的交点个数。
(2)然后根据每个立方体中交点的个数确定各顶点的阈值，这也是应用MarchingCube方法的前提。这里有三种情况：
(a)该立方体中仅有三个交点，则三个交点确定一个平面P，也称区分阈值的平面，即将平面两侧的顶点阈值分别设置为第一预设值和第二预设值，第一预设值可以是1，第二预设值可以是-1。
(b)该立方体中刚好有四个交点，则四个交点确定一个区分阈值的平面P，同样将平面两侧的阈值分别设置为第一预设值和第二预设值。
(c)该立方体中顶点个数大于四个，即交互过程中骨锯出现晃动的情况，此时为了可以渲染一个平稳的锯切面，只取前两个和最后一个交点确定一个区分阈值的平面P，再将平面两侧的阈值分别设置为第一预设值和第二预设值。
(3)确定各个顶点的阈值后，再结合(1)中的交点信息，利用Marching Cube方法实时重建等值面，并计算每个等值面的法向量。
(4)可以使用OpenGL实时绘制重建出来的锯切面。
请参阅图9，图9是本发明实施例提供的根据碰撞检测的结果确定锯切力的示意流程图。具体地，可以包括S901～S904：
S901：根据获得的每个体素上的碰撞信息，确定所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的面积系数。
S902：获取所述骨锯物理模型中每个锯齿的宽度、所述骨锯物理模型中相邻锯齿间的齿距、所述骨锯物理模型的振荡速度和所述骨锯物理模型的进给速度；
S903：根据所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的面积系数、所述每个锯齿的宽度、所述相邻锯齿间的齿距、所述振荡速度和所述进给速度，确定所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的面积；
S904：根据所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的面积，确定所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的锯切力。
这里，本实施例中，提出的锯切力模型考虑了骨锯的振荡速度和进给速度，通过计算每个锯齿的受力，将它们累加起来再分为三个方向的力用来渲染触觉设备。
为了计算每个锯齿上的力，把每个锯齿每个面离散分为N个小的切割单元，则第i个齿面上的第j个切割单元的力可以表示为法向力切向力径向力如图5所示。法向力沿着锯切进给方向，切向力是骨锯的振荡方向，径向力垂直于锯齿面。假设锯齿面共有M个，为锯齿个数的两倍，因为每个锯齿具有两个相对的面。骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的锯切力包括三个力，三个力可以分别表示为：法向力:切向力:径向力:其中Aij为第j个锯齿上第i个切割单元的面积，表示为：Aij＝△*w*p*f/u。在锯切力模型中，每个切割单元需要被判断是否沉浸于体素中，即是否参与切割，若切割单元在体素中，则△为1，否则为0，该切割单元不受力。△代表的是骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的面积系数，w代表的是锯齿的宽度。p代表的是齿距。u代表的是骨锯的振荡速度，f为骨锯的进给速度。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
参见图10，图10是本发明一个实施例提供的一种虚拟整形手术训练终端设备的示意框图。如图10所示，该实施例的虚拟整形手术训练终端设备10包括：处理器100、存储器101以及存储在所述存储器101中并可在所述处理器100上运行的计算机程序102，例如虚拟整形手术训练程序。所述处理器100执行所述计算机程序102时实现上述各个虚拟整形手术训练方法实施例中的步骤，例如图6所示的步骤601至605。或者，所述处理器100执行所述计算机程序102时实现上述各装置实施例中各单元的功能，例如图2所示单元201至205的功能。
所述计算机程序102可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器101中，并由所述处理器100执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序102在所述虚拟整形手术训练终端设备10中的执行过程。例如，所述计算机程序102可以被分割成骨头建模单元、骨锯建模单元、人机交互单元、视觉渲染单元及触觉渲染单元，各单元具体功能如下：
获取待整形目标的图像和骨头特性，对所述图像进行分割重建，根据所述骨头特性生成骨头物理模型，并根据分割重建后的图像和所述骨头物理模型建立骨头几何模型；
根据目标骨锯设置骨锯参数，根据所述骨锯参数生成骨锯物理模型，并根据所述骨锯物理模型建立骨锯几何模型；
接收用户输入的操作指令，根据所述操作指令利用所述骨锯物理模型在所述骨头物理模型上进行划割，对划割后的骨头物理模型进行碰撞检测，根据碰撞检测的结果实时重建锯切面，并根据碰撞检测的结果确定锯切力；
对所述骨头几何模型、所述骨锯几何模型和实时重建的锯切面进行视觉渲染，并将视觉渲染后的渲染结果发送至显示屏显示；
对所述锯切力进行触觉渲染，并将触觉渲染后的渲染结果通过触觉设备反馈给所述用户。
进一步的，所述对划割后的骨头物理模型进行碰撞检测包括：
获取一个连续时间间隔内所述骨锯物理模型在所述骨头物理模型上划割的扫描面；
在所述扫描面内均匀分布点；
提取在所述扫描面内均匀分布的点所在的体素；
利用提取的体素的每条边分别与所述扫描面进行射线碰撞，获得在每个体素上的碰撞信息。
进一步的，所述根据碰撞检测的结果实时重建锯切面包括：
根据获得的在每个体素上的碰撞信息，确定在每个体素中的交点个数；
根据确定的每个体素中的交点个数确定一个区分阈值的平面；
将确定的平面两侧的顶点值分别设为第一预设值和第二预设值；
根据设定的平面两侧的顶点值和获取的每个体素上的碰撞信息，实时重建等值面，并计算重建的每个等值面的法向量；
根据重建的等值面和计算的每个等值面的法向量，实时重建锯切面。
进一步的，所述根据碰撞检测的结果确定锯切力包括：
根据获得的每个体素上的碰撞信息，确定所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的面积系数；
获取所述骨锯物理模型中每个锯齿的宽度、所述骨锯物理模型中相邻锯齿间的齿距、所述骨锯物理模型的振荡速度和所述骨锯物理模型的进给速度；
根据所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的面积系数、所述每个锯齿的宽度、所述相邻锯齿间的齿距、所述振荡速度和所述进给速度，确定所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的面积；
根据所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的面积，确定所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的锯切力。
上述方案，由于可以在根据用户操作指令利用骨锯物理模型在骨头物理模型上进行划割后，及时对划割后的骨头物理模型进行碰撞检测，达到虚拟手术训练的实时性要求；根据碰撞检测的结果实时重建锯切面，使用户在相对平稳的锯切操作过程中，实时绘制锯切面，通过视觉渲染提高系统可视化效果，帮助用户评估自己的操作水平和技巧，通过触觉渲染可以反馈给用户一个相对真实的锯切力，增强用户训练的真实感和沉浸感，满足实际手术培训需求。
所述虚拟整形手术训练终端设备10可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述虚拟整形手术训练终端设备可包括，但不仅限于，处理器100、存储器101。本领域技术人员可以理解，图10仅仅是虚拟整形手术训练终端设备10的示例，并不构成对虚拟整形手术训练终端设备10的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述虚拟整形手术训练终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器100可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器101可以是所述虚拟整形手术训练终端设备10的内部存储单元，例如虚拟整形手术训练终端设备10的硬盘或内存。所述存储器101也可以是所述虚拟整形手术训练终端设备10的外部存储设备，例如所述虚拟整形手术训练终端设备10上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器101还可以既包括所述虚拟整形手术训练终端设备10的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器101用于存储所述计算机程序以及所述虚拟整形手术训练终端设备所需的其他程序和数据。所述存储器101还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种虚拟整形手术训练装置，其特征在于，包括：
骨头建模单元，用于获取待整形目标的图像和骨头特性，对所述图像进行分割重建，根据所述骨头特性生成骨头物理模型，并根据分割重建后的图像和所述骨头物理模型建立骨头几何模型；
骨锯建模单元，用于根据目标骨锯设置骨锯参数，根据所述骨锯参数生成骨锯物理模型，并根据所述骨锯物理模型建立骨锯几何模型；
人机交互单元，用于接收用户输入的操作指令，根据所述操作指令利用所述骨锯物理模型在所述骨头物理模型上进行划割，对划割后的骨头物理模型进行碰撞检测，根据碰撞检测的结果实时重建锯切面，并根据碰撞检测的结果确定锯切力；
视觉渲染单元，用于对所述骨头几何模型、所述骨锯几何模型和实时重建的锯切面进行视觉渲染，并将视觉渲染后的渲染结果发送至显示屏显示；
触觉渲染单元，用于对所述锯切力进行触觉渲染，并将触觉渲染后的渲染结果通过触觉设备反馈给所述用户。
2.如权利要求1所述的虚拟整形手术训练装置，其特征在于，所述人机交互单元对划割后的骨头物理模型进行碰撞检测包括：
获取一个连续时间间隔内所述骨锯物理模型在所述骨头物理模型上划割的扫描面；
在所述扫描面内均匀分布点；
提取在所述扫描面内均匀分布的点所在的体素；
利用提取的体素的每条边分别与所述扫描面进行射线碰撞，获得在每个体素上的碰撞信息。
3.如权利要求2所述的虚拟整形手术训练装置，其特征在于，所述人机交互单元根据碰撞检测的结果实时重建锯切面包括：
根据获得的在每个体素上的碰撞信息，确定在每个体素中的交点个数；
根据确定的每个体素中的交点个数确定一个区分阈值的平面；
将确定的平面两侧的顶点值分别设为第一预设值和第二预设值；
根据设定的平面两侧的顶点值和获取的每个体素上的碰撞信息，实时重建等值面，并计算重建的每个等值面的法向量；
根据重建的等值面和计算的每个等值面的法向量，实时重建锯切面。
4.如权利要求2所述的虚拟整形手术训练装置，其特征在于，所述人机交互单元根据碰撞检测的结果确定锯切力包括：
根据获得的每个体素上的碰撞信息，确定所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的面积系数；
获取所述骨锯物理模型中每个锯齿的宽度、所述骨锯物理模型中相邻锯齿间的齿距、所述骨锯物理模型的振荡速度和所述骨锯物理模型的进给速度；
根据所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的面积系数、所述每个锯齿的宽度、所述相邻锯齿间的齿距、所述振荡速度和所述进给速度，确定所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的面积；
根据所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的面积，确定所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的锯切力。
5.一种虚拟整形手术训练方法，其特征在于，包括：
获取待整形目标的图像和骨头特性，对所述图像进行分割重建，根据所述骨头特性生成骨头物理模型，并根据分割重建后的图像和所述骨头物理模型建立骨头几何模型；
根据目标骨锯设置骨锯参数，根据所述骨锯参数生成骨锯物理模型，并根据所述骨锯物理模型建立骨锯几何模型；
接收用户输入的操作指令，根据所述操作指令利用所述骨锯物理模型在所述骨头物理模型上进行划割，对划割后的骨头物理模型进行碰撞检测，根据碰撞检测的结果实时重建锯切面，并根据碰撞检测的结果确定锯切力；
对所述骨头几何模型、所述骨锯几何模型和实时重建的锯切面进行视觉渲染，并将视觉渲染后的渲染结果发送至显示屏显示；
对所述锯切力进行触觉渲染，并将触觉渲染后的渲染结果通过触觉设备反馈给所述用户。
6.如权利要求5所述的虚拟整形手术训练方法，其特征在于，所述对划割后的骨头物理模型进行碰撞检测包括：
获取一个连续时间间隔内所述骨锯物理模型在所述骨头物理模型上划割的扫描面；
在所述扫描面内均匀分布点；
提取在所述扫描面内均匀分布的点所在的体素；
利用提取的体素的每条边分别与所述扫描面进行射线碰撞，获得在每个体素上的碰撞信息。
7.如权利要求6所述的虚拟整形手术训练方法，其特征在于，所述根据碰撞检测的结果实时重建锯切面包括：
根据获得的在每个体素上的碰撞信息，确定在每个体素中的交点个数；
根据确定的每个体素中的交点个数确定一个区分阈值的平面；
将确定的平面两侧的顶点值分别设为第一预设值和第二预设值；
根据设定的平面两侧的顶点值和获取的每个体素上的碰撞信息，实时重建等值面，并计算重建的每个等值面的法向量；
根据重建的等值面和计算的每个等值面的法向量，实时重建锯切面。
8.如权利要求6所述的虚拟整形手术训练方法，其特征在于，所述根据碰撞检测的结果确定锯切力包括：
根据获得的每个体素上的碰撞信息，确定所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的面积系数；
获取所述骨锯物理模型中每个锯齿的宽度、所述骨锯物理模型中相邻锯齿间的齿距、所述骨锯物理模型的振荡速度和所述骨锯物理模型的进给速度；
根据所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的面积系数、所述每个锯齿的宽度、所述相邻锯齿间的齿距、所述振荡速度和所述进给速度，确定所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的面积；
根据所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的面积，确定所述骨锯物理模型中每个锯齿的每个切割单元的锯切力。
9.一种虚拟整形手术训练终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求5至8任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求5至8任一项所述方法的步骤。
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