CN115019591A - 手术模拟方法、装置及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供了手术模拟方法、装置及存储介质。所述手术模拟方法包括以下步骤：确定虚拟手术器械的第一模型及虚拟手术对象的第二模型，其中，所述第一模型涉及所述虚拟手术器械的几何参数，所述第二模型涉及所述虚拟手术对象的几何参数及生物力学参数；获取所述虚拟手术器械的第一位姿，以及所述虚拟手术对象的第二位姿；根据所述第一位姿、所述第二位姿、所述第一模型及所述第二模型的几何参数，进行碰撞判断；响应于所述虚拟手术器械碰撞所述虚拟手术对象的判断结果，根据碰撞位置从所述第二模型获取关于对应碰撞点的生物力学参数，并根据所述生物力学参数计算反馈力；以及经由力反馈设备向用户提供所述反馈力。

Description

手术模拟方法、装置及存储介质

技术领域

本发明涉及手术模拟技术，尤其涉及一种手术模拟方法、一种手术模拟装置，以及一种计算机可读存储介质。

背景技术

白内障超声乳化技术是显微手术的重大成果。自1967年第一台超声乳化仪首次用于临床，之后经过众多眼科专家多年的不断改进、完善，白内障超声乳化技术已成为世界公认的、先进而成熟的手术方式。目前，绝大部分医院针对白内障操作技能的培训方法主要是通过现场观摩和使用动物眼球进行操作训练。这种训练模式实验材料不易获得且损耗大，学员上手机会少，不利于在短时间内快速提高手术技能。

针对这一情况国内外多家企业和高校推出了基于虚拟现实技术的手术模拟器。这些手术模拟器可通过虚拟现实技术逼真还原手术场景，并通过特定的操作手柄使学员可以对某些手术步骤进行反复操作训练，提高手术操作训练的沉浸感，加深学员对手术的理解，快速提高学员对手术的认知和实操能力。目前，市场上针对眼科白内障超声乳化手术的手术模拟器数量较少，只有Haag-Streit Simulation公司生产的Eyesi。Eyesi包含丰富的眼科手术训练课程和清晰的难度梯度，包括定位训练、抗振颤训练、撕囊训练、超声乳化训练等模块。用户可以通过类似眼科手术显微镜的显示屏对虚拟眼球组织进行观察，并使用类似手术器械的笔状操作手柄插入仿真眼球中对显示屏中的虚拟手术场景进行晶状体前囊膜的连续环形撕囊术、超声乳化劈核术等特定训练操作。

然而，尽管Eyesi可以在视觉上逼真模拟手术场景，为用户提供高沉浸感的训练环境，但其缺乏力学上的反馈。用户在手术实操训练过程中无法体会真实手术中应有的手术器械与眼球组织接触的力感。这使得虚拟手术训练在感官上与真实手术有一定差距，对用户对手术实操中的手感的理解也会产生一定的偏差。

进一步地，高逼真度的虚拟眼科手术系统需要满足至少30Hz的视景更新和至少500Hz的力感更新频率。然而，眼科手术过程涉及诸如切割、缝合、撕裂等几何拓扑更改的非连续性操作，又包括刀具移动速度、位置、切割角度等手术特征参数。以超声乳化白内障手术为代表的眼科手术，其力感进一步具有10 mN量级的微力感知特点。此外，大部分眼科软组织力学性能具有不均匀性、非线性、各向异性、超弹性以及粘弹性等特征，为软组织实时变形以及生物特性仿真建模带来了困难。若采用现有的无网格方法为基础建立眼组织解剖模型，则难以满足模拟力感精度要求。反之，若采用基于网格的眼组织模型来处理诸如切割等手术过程，则需要动态更改模型网格的连接拓扑结构，从而消耗更多计算资源，并产生明显的力感迟滞效应，因而难以满足力感刷新频率的要求。

为了克服现有技术存在的上述缺陷，本领域亟需一种手术模拟技术，用于为手术模拟训练提供力反馈，以提升手术模拟训练的真实感及用户在训练过程中的沉浸感，并通过对生物组织的物理模型及视景模型的解耦来实现力感反馈和视觉反馈的非同步更新，从而通过突出手术过程中的手感来加深用户对手术的理解，并充分利用有限的计算资源来兼顾生物组织模型的力感反馈实时性和视觉显示精度，以帮助用户快速提高手术实操技能。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之前序。

为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种手术模拟方法、一种手术模拟装置，以及一种计算机可读存储介质，能够为手术模拟训练提供力反馈，以提升手术模拟训练的真实感及用户在训练过程中的沉浸感，并通过对生物组织的物理模型及视景模型的解耦来实现力感反馈和视觉反馈的非同步更新，从而通过突出手术过程中的手感来加深用户对手术的理解，并充分利用有限的计算资源来兼顾生物组织模型的力感反馈实时性和视觉显示精度，以帮助用户快速提高手术实操技能。

具体来说，根据本发明的第一方面提供的上述手术模拟方法包括以下步骤：确定虚拟手术器械的第一模型及虚拟手术对象的第二模型，其中，所述第一模型涉及所述虚拟手术器械的几何参数，所述第二模型涉及所述虚拟手术对象的几何参数及生物力学参数；获取所述虚拟手术器械的第一位姿，以及所述虚拟手术对象的第二位姿；根据所述第一位姿、所述第二位姿、所述第一模型及所述第二模型的几何参数，进行碰撞判断；响应于所述虚拟手术器械碰撞所述虚拟手术对象的判断结果，根据碰撞位置从所述第二模型获取关于对应碰撞点的生物力学参数，并根据所述生物力学参数计算反馈力；根据预设的力感更新频率，更新所述虚拟手术对象的所述第二模型中多个第一节点的生物力学参数，并根据预设的视景更新频率，更新所述第二模型中多个第二节点的几何参数，其中，所述第一节点的数量是根据所述力感更新频率确定，所述第二节点的数量是根据预设的视景更新频率确定，所述第一节点的数量小于所述第二节点的数量；以及经由力反馈设备向用户提供所述反馈力。

进一步地，在本发明的一些实施例中，获取所述虚拟手术器械的第一位姿的步骤包括：获取所述力反馈设备的多个特征点的位置坐标；以及根据所述多个特征点的位置坐标确定所述虚拟手术器械的第一位姿。

进一步地，在本发明的一些实施例中，获取所述虚拟手术对象的第二位姿的步骤包括：根据所述第二模型的几何参数，构建所述虚拟手术对象的可编辑外表面；根据所述可编辑外表面上多个质点的位置坐标，确定所述虚拟手术对象的初始第二位姿；以及响应于任意一个或多个所述质点的位置坐标发生改变，根据改变的位置坐标更新所述虚拟手术对象的第二位姿。

进一步地，在本发明的一些实施例中，所述根据所述第一位姿、所述第二位姿、所述第一模型及所述第二模型的几何参数，进行碰撞判断的步骤包括：根据所述第一位姿及所述第一模型的几何参数，确定所述虚拟手术器械占据的第一空间范围；根据所述第二位姿及所述第二模型的几何参数，确定所述虚拟手术对象占据的第二空间范围；根据所述第一空间范围及所述第二空间范围进行碰撞判断；以及响应于所述第一空间范围及所述第二空间范围相切的判断结果，判定所述虚拟手术器械与所述虚拟手术对象发生碰撞，并根据所述第一空间范围及所述第二空间范围的切点，确定所述碰撞点。

进一步地，在本发明的一些实施例中，所述根据所述第一位姿、所述第二位姿、所述第一模型及所述第二模型的几何参数，进行碰撞判断的步骤还包括：响应于所述第一空间范围及所述第二空间范围相交的判断结果，判定所述虚拟手术器械与所述虚拟手术对象发生碰撞，并根据所述第一空间范围与所述第二空间范围的交集，确定包含所述碰撞点的多个形变质点。

进一步地，在本发明的一些实施例中，关于所述碰撞点的生物力学参数包括对应各所述形变质点的多组生物力学参数。所述根据碰撞位置从所述第二模型获取关于对应碰撞点的生物力学参数，并根据所述生物力学参数计算反馈力的步骤包括：经由所述第二模型，分别获取对应各所述形变质点的多组生物力学参数；分别计算各所述形变质点到所述虚拟手术对象的初始外表面的距离；根据各所述生物力学参数及其对应的距离，分别计算各所述形变质点受到的弹力；以及根据各所述形变质点受到的弹力的合力，确定所述反馈力。

进一步地，在本发明的一些实施例中，所述生物力学参数包括所述形变质点的刚度系数及阻尼系数。所述根据各所述生物力学参数及其对应的距离，分别计算各所述形变质点受到的弹力的步骤包括：根据各所述形变质点的刚度系数及阻尼系数，以及其到所述初始外表面的距离，分别计算各所述形变质点受到的弹力。

进一步地，在本发明的一些实施例中，所述生物力学参数还包括所述形变质点的破裂极限阈值。所述根据各所述形变质点受到的弹力的合力，确定所述反馈力的步骤包括：判断各所述形变质点受到的弹力是否大于其破裂极限阈值；以及响应于任一所述形变质点受到的弹力大于其破裂极限阈值的判断结果，将各所述弹力的合力置零，以消除所述反馈力。

进一步地，在本发明的一些实施例中，所述手术模拟方法还包括以下步骤：响应于所述第一空间范围及所述第二空间范围相交的判断结果，根据所述多个形变质点的位置坐标，更新所述虚拟手术对象的可编辑外表面；以及响应于任一所述形变质点受到的弹力大于其破裂极限阈值的判断结果，初始化所述虚拟手术对象的可编辑外表面。

进一步地，在本发明的一些实施例中，所述手术包括撕囊手术。所述虚拟手术器械包括虚拟镊子。所述虚拟手术对象包括带有囊膜的眼球。所述手术模拟方法还包括以下步骤：响应于所述囊膜上的任一所述形变质点受到的弹力大于其破裂极限阈值的判断结果，根据所述虚拟手术器械的位移方向提供反向恒力，以作为所述反馈力。

进一步地，在本发明的一些实施例中，所述手术包括劈核手术。所述虚拟手术器械包括虚拟劈核钩及虚拟超声乳化手柄。所述虚拟手术对象包括带有晶状体核的眼球。所述根据所述生物力学参数计算反馈力的步骤包括：根据所述虚拟劈核钩及所述虚拟超声乳化手柄的第一空间范围，与所述第二空间范围的交集，分别确定所述晶状体核沿垂直切面两侧关于所述虚拟劈核钩及所述虚拟超声乳化手柄的多个形变质点；分别计算各所述形变质点受到的弹力；根据关于所述虚拟劈核钩的多个形变质点受到的弹力的合力，确定所述虚拟劈核钩的第一反馈力；以及根据关于所述虚拟超声乳化手柄的多个形变质点受到的弹力的合力，确定所述虚拟超声乳化手柄的第二反馈力。

进一步地，在本发明的一些实施例中，所述根据所述生物力学参数计算反馈力的步骤还包括：根据所述第一反馈力及所述第二反馈力，计算所述晶状体核受到的合力；以及响应于所述晶状体核受到的合力大于其破裂极限阈值的判断结果，将所述第一反馈力及所述第二反馈力置零。

进一步地，在本发明的一些实施例中，所述手术模拟方法还包括以下步骤：根据所述第一反馈力及所述第二反馈力，计算所述晶状体核受到的合力；以及响应于所述晶状体核受到的合力大于其破裂极限阈值的判断结果，在所述晶状体核的可编辑外表面的所述垂直切面的位置，生成对应的切口表面。

此外，根据本发明的第二方面提供的上述手术模拟装置包括存储器及处理器。所述处理器连接所述存储器，并被配置用于实施本发明的第一方面提供的上述手术模拟方法。

进一步地，在本发明的一些实施例中，所述手术模拟装置还包括力反馈设备、位置采集模块及运动控制模块。所述位置采集模块采集所述力反馈设备的多个特征点的位置坐标，并将其发送到所述运动控制模块。所述运动控制模块根据所述多个特征点的位置坐标确定所述虚拟手术器械的第一位姿，并将其发送到所述处理器。所述运动控制模块还从所述处理器获取对应所述第一位姿的反馈力数据，根据所述反馈力数据确定电机控制指令，并将所述电机控制指令发送到所述力反馈设备，以控制所述力反馈设备的电机向用户提供对应的反馈力。

此外，根据本发明的第三方面提供的上述计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令。所述计算机指令被处理器执行时，实施实施本发明的第一方面提供的上述手术模拟方法。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1示出了根据本发明的一些实施例提供的手术模拟装置的架构示意图。

图2示出了根据本发明的一些实施例提供的力反馈设备的结构示意图。

图3示出了根据本发明的一些实施例提供的手术模拟方法的流程示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合优选实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，在以下的说明中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“水平”、“垂直”应被理解为该段以及相关附图中所绘示的方位。此相对性的用语仅是为了方便说明之用，其并不代表其所叙述的装置需以特定方位来制造或运作，因此不应理解为对本发明的限制。

能理解的是，虽然在此可使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来叙述各种组件、区域、层和/或部分，这些组件、区域、层和/或部分不应被这些用语限定，且这些用语仅是用来区别不同的组件、区域、层和/或部分。因此，以下讨论的第一组件、区域、层和/或部分可在不偏离本发明一些实施例的情况下被称为第二组件、区域、层和/或部分。

如上所述，尽管现有的手术模拟器可以在视觉上逼真模拟手术场景，为用户提供高沉浸感的训练环境，但其缺乏力学上的反馈。用户在手术实操训练过程中无法体会真实手术中应有的手术器械与眼球组织接触的力感。这使得虚拟手术训练在感官上与真实手术有一定差距，对用户对手术实操中的手感的理解也会产生一定的偏差。

进一步地，高逼真度的虚拟眼科手术系统需要满足至少30Hz的视景更新和至少500Hz的力感更新频率。然而，眼科手术过程涉及诸如切割、缝合、撕裂等几何拓扑更改的非连续性操作，又包括刀具移动速度、位置、切割角度等手术特征参数。以超声乳化白内障手术为代表的眼科手术，其力感进一步具有10 mN量级的微力感知特点。此外，大部分眼科软组织力学性能具有不均匀性、非线性、各向异性、超弹性以及粘弹性等特征，为软组织实时变形以及生物特性仿真建模带来了困难。若采用现有的无网格方法为基础建立眼组织解剖模型，则难以满足模拟力感精度要求。反之，若采用基于网格的眼组织模型来处理诸如切割等手术过程，则需要动态更改模型网格的连接拓扑结构，从而消耗更多计算资源，并产生明显的力感迟滞效应，因而难以满足力感刷新频率的要求。

为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种手术模拟方法、一种手术模拟装置，以及一种计算机可读存储介质，能够为手术模拟训练提供力反馈，以提升手术模拟训练的真实感及用户在训练过程中的沉浸感，并通过对生物组织的物理模型及视景模型的解耦来实现力感反馈和视觉反馈的非同步更新，从而通过突出手术过程中的手感来加深用户对手术的理解，并充分利用有限的计算资源来兼顾生物组织模型的力感反馈实时性和视觉显示精度，以帮助用户快速提高手术实操技能。

在一些非限制性的实施例中，本发明的第一方面提供的上述手术模拟方法，可以经由本发明的第二方面提供的上述手术模拟装置来实施。具体来说，该手术模拟装置中可以配置有存储器及处理器。该存储器包括但不限于本发明的第三方面提供的上述计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令。该处理器连接该存储器，并被配置用于执行该存储器上存储的计算机指令，以实施本发明的第一方面提供的上述手术模拟方法。

请进一步参考图1及图2。图1示出了根据本发明的一些实施例提供的手术模拟装置的架构示意图。图2示出了根据本发明的一些实施例提供的力反馈设备的结构示意图。

如图1所示，在本发明的一些实施例中，上述处理器11可以基于游戏开发引擎来构建手术场景，并进行虚拟手术器械及虚拟手术对象的建模、碰撞检测、组织形变切割及反馈力计算等操作。此外，该手术模拟装置中还可以优选地配置有力反馈设备12、位置采集模块13及运动控制模块14，以用于采集虚拟手术器械的第一位姿，并用户提供对应的反馈力。

如图2所示，在一些实施例中，该力反馈设备12中可以配置有静平台121、动平台122，以及多条并联传动的传动臂123。

该静平台121可以通过螺栓、铆钉和/或其他紧固机构，固定安装于地面、墙体、训练设备柜体等稳定场所，并经由多个第一旋转机构分别连接各并联传动的传动臂123。进一步地，该静平台121与各传动臂123的连接处安装有多个电机124，用于驱动各传动臂123扭转，以向操作件125提供反馈力。相比于现有技术在传动杆件的末端安装电机等主动驱动装置的方案，本发明将电机安装在静平台121的轻量化设计能够有效降低各传动臂123的结构惯性，从而降低运动过程中控制力矩的难度，并会提升力反馈的实时性。

该动平台122的上端连接用户手持的操作件125，而其下部经由多个第二旋转机构分别连接各并联传动的传动臂123。在此，针对虚拟手术训练的具体应用场景，该操作件125可以选自操作横杆、手术刀柄、手术钳柄、镊子柄中的至少一者。响应于用户对操作件125的平移和/或旋转操作，动平台122将在操作件125的带动下，发生同步的平移和/或旋转的位姿调整。各传动臂123也将随动平台122的位姿调整而发生扭转，以调节各对应电机124的旋转角度

。相应地，响应于各电机124向对应传动臂123提供的反向力矩，该动平台122也将在各传动臂123的共同带动下，向操作件125提供对应的反馈力。

进一步地，在图1所示的实施例中，各电机124可以分别配置有对应的编码器126及伺服控制器127，经由该编码器126连接位置采集模块13，并经由该伺服控制器127连接运动控制模块14。位置采集模块13可以经由各编码器126获取各对应电机124的旋转角度

，并将其发送到运动控制模块14，以表征力反馈设备12上多个特征点（例如：动平台122与各传动臂123的连接铰点）的位置坐标。运动控制模块14可以根据位置采集模块13提供的该多个特征点的位置坐标进行实时解算，以确定操作件125的第一位姿，并将其发送到处理器11进行虚拟手术器械渲染、碰撞检测、虚拟手术对象形变切割渲染、反馈力计算等处理。此外，运动控制模块14还可以从处理器11获取对应该第一位姿的反馈力数据，根据该反馈力数据确定各电机124的力矩控制指令，并将各力矩控制指令分别发送到力反馈设备12的各伺服控制器127，以控制各对应电机124相互配合地向用户提供对应的反馈力。

以下将结合一些手术模拟方法的实施例来描述上述手术模拟装置的工作原理。本领域的技术人员可以理解，这些手术模拟方法的实施例只是本发明提供的一些非限制性的实施方式，旨在清楚地展示本发明的主要构思，并提供一些便于公众实施的具体方案，而非用于限制该手术模拟装置的全部功能或全部工作方式。同样地，该手术模拟装置也只是本发明提供的一种非限制性的实施方式，不对这些手术模拟方法中各步骤的执行主体构成限制。

请参考图3，图3示出了根据本发明的一些实施例提供的手术模拟方法的流程示意图。

如图3所示，在进行手术模拟的过程中，处理器11可以首先启动游戏（开发）引擎，以进入手术模拟训练系统，并加载预先构建及渲染的虚拟手术场景画面。此外，响应于进入手术模拟训练系统的操作，处理器11还可以加载预先构建的至少一个第一模型及至少一个第二模型，从而在该虚拟手术场景画面中添加至少一个虚拟手术器械和至少一个虚拟手术对象。

在一些非限制性的实施例中，针对白内障超声乳化手术，该虚拟手术器械可以选自虚拟镊子、虚拟劈核钩、虚拟超声乳化手柄中的至少一者。该虚拟手术对象可以选用带有囊膜和/或晶状体核的眼球。该第一模型可以为空间几何模型，涉及该虚拟手术器械的空间几何参数。该第二模型可以为空间几何模型和生物力学模型的复合模型，同时涉及该虚拟手术对象的空间几何参数及生物力学参数。进一步地，该生物力学参数包括但不限于囊膜、晶状体核、眼部肌肉、眼部韧带等各种生物组织的刚度系数、阻尼系数和/或破裂极限阈值。该生物力学模型可以通过使用四面体网格生成工具建立虚拟眼球组织的四面体网格化模型，再对网格节点和边分别附上虚拟质点和虚拟弹簧阻尼模型来构建。鉴于根据空间几何参数及生物力学参数构建虚拟模型的具体方案，不涉及本发明的技术改进，在此不做赘述。

进一步地，在本发明的一些实施例中，为了提供虚拟手术对象随虚拟手术器械的操作而发生形变、破裂等状态变化的视觉反馈及力反馈，处理器11还可以在加载虚拟手术对象的第二模型时，根据该第二模型的几何参数进行曲面重建，以构建该虚拟手术对象的可编辑外表面，再根据该可编辑外表面上多个质点的位置坐标，确定该虚拟手术对象的初始第二位姿。

之后，响应于用户对操作件125的平移和/或旋转操作，位置采集模块13可以经由各增量式编码器126获取各电机124的旋转角度

，并将其发送到运动控制模块14，以表征力反馈设备12上多个特征点（例如：动平台122与各传动臂123的连接铰点）的位置坐标。运动控制模块14可以根据位置采集模块13提供的该多个特征点的位置坐标确定操作件125的第一位姿，并将其发送到处理器11，以进行虚拟手术器械的第一位姿的映射、虚拟手术器械与虚拟手术对象的碰撞检测、反馈力计算，以及虚拟手术对象的组织形变及切割的渲染等处理。

具体来说，在进行碰撞检测的过程中，处理器11可以首先经由运动控制模块14获取虚拟手术器械的第一位姿，并从本地构建的第一模型及第二模型获取虚拟手术器械的空间几何参数、虚拟手术对象的初始第二位姿及其空间几何参数。之后，处理器11可以根据该第一位姿及第一模型的几何参数，确定虚拟手术器械占据的第一空间范围，并根据第二位姿及第二模型的几何参数，确定虚拟手术对象占据的第二空间范围，再根据该第一空间范围及该第二空间范围进行碰撞判断。

例如，响应于第一空间范围及第二空间范围相离的判断结果，处理器11可以判定虚拟手术器械未与虚拟手术对象发生碰撞，虚拟手术对象未发生形变，也不会产生反馈力（即反馈力F=0）。

又例如，响应于第一空间范围及第二空间范围相切的判断结果，处理器11可以判定虚拟手术器械与虚拟手术对象发生碰撞，并根据该第一空间范围及该第二空间范围的切点，确定虚拟手术对象关于该虚拟手术器械的碰撞点。此时，虚拟手术对象未在碰撞点发生形变，因此也不会产生反馈力（即反馈力F=0）。

又例如，随着虚拟手术器械进一步靠近虚拟手术对象，第一空间范围与第二空间范围的交集将进一步增大。响应于第一空间范围及第二空间范围相交的判断结果，处理器11也可以判定虚拟手术器械与虚拟手术对象发生碰撞，并根据第一空间范围与第二空间范围的交集，确定包含上述碰撞点的多个形变质点。如此，处理器11即可根据该碰撞点和/或其周围的形变质点的生物力学参数，计算虚拟手术器械应当受到的反馈力。

具体来说，在进行反馈力计算的过程中，处理器11可以首先经由第二模型，分别获取上述碰撞点和/或其周围的形变质点的多组生物力学参数。该生物力学参数可以选自刚度系数和/或阻尼系数。此外，处理器11还可以根据上述第一空间范围与第二空间范围的交集，分别计算各形变质点到虚拟手术对象的初始外表面的距离。如此，处理器11即可根据各形变质点的刚度系数、阻尼系数等生物力学参数，以及其对应的形变距离，分别计算各形变质点受到的弹力，并根据各形变质点受到的弹力的合力确定虚拟手术器械应当受到的反馈力的大小和方向。

进一步地，在一些实施例中，上述第二模型涉及的生物力学参数还可以优选地包括形变质点的破裂极限阈值。如此，处理器11可以在确定虚拟手术器械应当受到的反馈力之前，优先判断各形变质点受到的弹力是否大于其破裂极限阈值。若各形变质点受到的弹力均小于或等于其破裂极限阈值，则处理器11可以判定该位置的生物组织未发生穿刺或切割，从而正常地根据各形变质点受到的弹力的合力确定虚拟手术器械应当受到的反馈力的大小和方向。反之，若任意一个形变质点受到的弹力大于其破裂极限阈值，则处理器11可以判定该位置的生物组织将发生穿刺或切割，从而将各质点弹力的合力置零，以消除虚拟手术器械受到的反馈力。

此外，为了进一步加强视觉反馈与力反馈的结合性，以提高手术模拟的逼真度与用户的沉浸感，在进行虚拟手术对象的组织形变及切割的渲染过程中，处理器11还可以优选地根据碰撞点等多个形变质点的位置坐标进行眼球组织网格的平滑处理，以确定多个过渡坐标，并根据这些过渡坐标来更新对应质点的坐标位置，从而在虚拟手术对象的可编辑外表面更新产生凹陷形变的动画效果。更进一步地，响应于任意一个形变质点受到的弹力大于其破裂极限阈值的判断结果，处理器11可以初始化虚拟手术对象的可编辑外表面，以消除该凹陷形变的动画效果，再在对应位置添加穿刺或切割的切口图样，以加强视觉反馈与力反馈的结合效果。之后，响应于该可编辑外表面上任意一个或多个质点的位置坐标发生改变，处理器11还可以根据改变的位置坐标，对虚拟手术对象的第二位姿进行实时更新，以便进行后续的碰撞判断及反馈力计算。

进一步地，为了避免高频率的视景更新过度消耗计算资源，并产生明显的力感迟滞效应，手术模拟装置还可以根据人体的触觉响应来确定力感更新频率（例如：500~1000Hz），并结合该力感更新频率及手术模拟装置的数据处理能力，以确定第一节点数量，再为对应数量的第一节点赋予生物力学参数。此外，手术模拟装置还可以根据人体的视觉响应来确定视景更新频率（例如：30~120Hz），并结合该视景更新频率及手术模拟装置的数据处理能力，以确定第二节点数量，再为对应数量的第二节点赋予几何参数。在此，在手术模拟装置的数据处理能力一致的情况下，第二节点数量远大于第一节点数量。

之后，在虚拟手术对象的第二模型的更新过程中，手术模拟装置将根据预设的力感更新频率（例如：500~1000Hz）快速更新虚拟手术对象的第二模型中多个第一节点的生物力学参数，以优先保障手术模拟的力感反馈实时性。同时，手术模拟装置还将根据预设的视景更新频率（例如：30~120Hz）低速更新第二模型中多个第二节点的几何参数，以优先保障视景细节的渲染显示。如此，通过对生物组织的物理模型及视景模型的解耦来实现力感反馈和视觉反馈的非同步更新，本发明能够结合手术模拟装置的数据处理能力、人眼视觉的分辨和反应能力，以及人体触感的分辨和反应能力，充分利用有限的计算资源来兼顾生物组织模型的力感反馈实时性和视觉显示精度。

更进一步地，针对白内障超声乳化手术的具体应用场景，本发明还分别提供了针对连续环形撕囊操作及劈核操作的力反馈方案，以进一步加深用户对白内障超声乳化手术的理解。

具体来说，在连续环形撕囊手术的模拟过程中，用户可以选择虚拟镊子作为手术器械，而其虚拟手术对象为带有囊膜的眼球。当用户使用虚拟镊子夹取囊膜且囊膜尚未破损时，囊膜向虚拟镊子提供的反馈力可以根据上述反馈力的计算方案来正常计算，在此不做赘述。之后，随着虚拟镊子的进一步深入，当囊膜产生的反馈力超过其破裂极限阈值，处理器11可以判定囊膜破裂，从而消除上述弹力，并跟随虚拟镊子的位移方向展示撕扯囊膜的动画效果。此时，由于环形撕囊的反馈力较弱，处理器11可以不再考虑各质点的形变量，而是根据虚拟镊子的位移方向提供微小的反向恒力来作为反馈力，从而降低反馈力计算的数据处理负荷，以优先保障力反馈的实时性和方向性。

此外，在劈核手术的模拟过程中，用户可以选择虚拟劈核钩及虚拟超声乳化手柄作为手术器械，而其虚拟手术对象为带有晶状体核的眼球。当用户使用双手分别操作虚拟劈核钩和虚拟超声乳化手柄，基于某一垂直切面向相反方向运动来掰开晶状体核，处理器11可以重点关注垂直切面两侧的质点和与该垂直切面相交的弹簧阻尼系统。具体来说，处理器11可以根据虚拟劈核钩及虚拟超声乳化手柄的第一空间范围，与第二空间范围的交集，分别确定晶状体核沿垂直切面两侧关于虚拟劈核钩及虚拟超声乳化手柄的多个形变质点，并分别计算各形变质点受到的弹力。之后，处理器11可以根据关于虚拟劈核钩的多个形变质点受到的弹力的合力，确定虚拟劈核钩的第一反馈力，并根据关于虚拟超声乳化手柄的多个形变质点受到的弹力的合力，确定虚拟超声乳化手柄的第二反馈力。进一步地，处理器11还可以根据该第一反馈力及该第二反馈力，计算晶状体核受到的合力。响应于晶状体核受到的合力大于其破裂极限阈值的判断结果，处理器11可以判定晶状体核被掰开，从而将该第一反馈力及该第二反馈力置零，以消除力感反馈。此外，响应于晶状体核受到的合力大于其破裂极限阈值的判断结果，处理器11还可以在晶状体核的可编辑外表面的垂直切面的位置，生成对应的切口表面，以加强视觉反馈与力反馈的结合效果。

请继续参考图1及图3，在本发明的一些实施例中，在确定虚拟手术对象发生形变而产生的反馈力后，处理器11还可以将该反馈力数据发送到运动控制模块14，由其根据该反馈力数据确定各电机124的力矩控制指令，并将各力矩控制指令分别发送到力反馈设备12的各伺服控制器127，以控制各对应电机124相互配合地向用户提供对应的反馈力。根据反馈力数据解算电机控制指令，再经由伺服控制器127控制电机的方案，不涉及本发明的技术改进，在此不做赘述。

综上所述，通过采用融合了几何参数及生物力学参数的虚拟手术对象模型来进行碰撞判断及反馈力计算，本发明能为手术模拟训练提供力反馈，以提升手术模拟训练的真实感及用户在训练过程中的沉浸感，从而通过突出手术过程中的手感来加深用户对手术的理解，并帮助用户快速提高手术实操技能。进一步地，通过针对连续环形撕囊、劈核等重要操作进行特殊的力感设计，本发明能够进一步产生囊膜拉扯、劈开晶状体核等手感，更有利于加深用户对白内障手术的理解和手感。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

本领域技术人员将可理解，信息、信号和数据可使用各种不同技术和技艺中的任何技术和技艺来表示。例如，以上描述通篇引述的数据、指令、命令、信息、信号、位（比特）、码元、和码片可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光学粒子、或其任何组合来表示。

本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。

尽管上述的实施例所述的处理器11可以通过软件与硬件的组合来实现。但是可以理解，该处理器11也可单独在软件或硬件中加以实施。对于硬件实施而言，该处理器11可在一个或多个专用集成电路（ASIC）、数字信号处理器（DSP）、可编程逻辑器件（PLD）、现场可编程门阵列（FPGA）、处理器、控制器、微控制器、微处理器、用于执行上述功能的其它电子装置或上述装置的选择组合来加以实施。对软件实施而言，该处理器11可通过在通用芯片上运行的诸如程序模块（procedures）和函数模块（functions）等独立的软件模块来加以实施，其中每一个模块执行一个或多个本文中描述的功能和操作。

结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (16)

1.一种手术模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定虚拟手术器械的第一模型及虚拟手术对象的第二模型，其中，所述第一模型涉及所述虚拟手术器械的几何参数，所述第二模型涉及所述虚拟手术对象的几何参数及生物力学参数；

获取所述虚拟手术器械的第一位姿，以及所述虚拟手术对象的第二位姿；

根据所述第一位姿、所述第二位姿、所述第一模型及所述第二模型的几何参数，进行碰撞判断；

响应于所述虚拟手术器械碰撞所述虚拟手术对象的判断结果，根据碰撞位置从所述第二模型获取关于对应碰撞点的生物力学参数，并根据所述生物力学参数计算反馈力；

根据预设的力感更新频率，更新所述虚拟手术对象的所述第二模型中多个第一节点的生物力学参数，并根据预设的视景更新频率，更新所述第二模型中多个第二节点的几何参数，其中，所述第一节点的数量是根据所述力感更新频率确定，所述第二节点的数量是根据预设的视景更新频率确定，所述第一节点的数量小于所述第二节点的数量；以及

经由力反馈设备向用户提供所述反馈力。

2.如权利要求1所述的手术模拟方法，其特征在于，获取所述虚拟手术器械的第一位姿的步骤包括：

获取所述力反馈设备的多个特征点的位置坐标；以及

根据所述多个特征点的位置坐标确定所述虚拟手术器械的第一位姿。

3.如权利要求1或2所述的手术模拟方法，其特征在于，获取所述虚拟手术对象的第二位姿的步骤包括：

根据所述第二模型的几何参数，构建所述虚拟手术对象的可编辑外表面；

根据所述可编辑外表面上多个质点的位置坐标，确定所述虚拟手术对象的初始第二位姿；以及

响应于任意一个或多个所述质点的位置坐标发生改变，根据改变的位置坐标更新所述虚拟手术对象的第二位姿。

4.如权利要求1所述的手术模拟方法，其特征在于，所述根据所述第一位姿、所述第二位姿、所述第一模型及所述第二模型的几何参数，进行碰撞判断的步骤包括：

根据所述第一位姿及所述第一模型的几何参数，确定所述虚拟手术器械占据的第一空间范围；

根据所述第二位姿及所述第二模型的几何参数，确定所述虚拟手术对象占据的第二空间范围；

根据所述第一空间范围及所述第二空间范围进行碰撞判断；以及

响应于所述第一空间范围及所述第二空间范围相切的判断结果，判定所述虚拟手术器械与所述虚拟手术对象发生碰撞，并根据所述第一空间范围及所述第二空间范围的切点，确定所述碰撞点。

5.如权利要求4所述的手术模拟方法，其特征在于，所述根据所述第一位姿、所述第二位姿、所述第一模型及所述第二模型的几何参数，进行碰撞判断的步骤还包括：

响应于所述第一空间范围及所述第二空间范围相交的判断结果，判定所述虚拟手术器械与所述虚拟手术对象发生碰撞，并根据所述第一空间范围与所述第二空间范围的交集，确定包含所述碰撞点的多个形变质点。

6.如权利要求5所述的手术模拟方法，其特征在于，关于所述碰撞点的生物力学参数包括对应各所述形变质点的多组生物力学参数，所述根据碰撞位置从所述第二模型获取关于对应碰撞点的生物力学参数，并根据所述生物力学参数计算反馈力的步骤包括：

经由所述第二模型，分别获取对应各所述形变质点的多组生物力学参数；

分别计算各所述形变质点到所述虚拟手术对象的初始外表面的距离；

根据各所述生物力学参数及其对应的距离，分别计算各所述形变质点受到的弹力；以及

根据各所述形变质点受到的弹力的合力，确定所述反馈力。

7.如权利要求6所述的手术模拟方法，其特征在于，所述生物力学参数包括所述形变质点的刚度系数及阻尼系数，所述根据各所述生物力学参数及其对应的距离，分别计算各所述形变质点受到的弹力的步骤包括：

根据各所述形变质点的刚度系数及阻尼系数，以及其到所述初始外表面的距离，分别计算各所述形变质点受到的弹力。

8.如权利要求7所述的手术模拟方法，其特征在于，所述生物力学参数还包括所述形变质点的破裂极限阈值，所述根据各所述形变质点受到的弹力的合力，确定所述反馈力的步骤包括：

判断各所述形变质点受到的弹力是否大于其破裂极限阈值；以及

响应于任一所述形变质点受到的弹力大于其破裂极限阈值的判断结果，将各所述弹力的合力置零，以消除所述反馈力。

9.如权利要求8所述的手术模拟方法，其特征在于，还包括以下步骤：

响应于所述第一空间范围及所述第二空间范围相交的判断结果，根据所述多个形变质点的位置坐标，更新所述虚拟手术对象的可编辑外表面；以及

响应于任一所述形变质点受到的弹力大于其破裂极限阈值的判断结果，初始化所述虚拟手术对象的可编辑外表面。

10.如权利要求8所述的手术模拟方法，其特征在于，所述手术包括撕囊手术，所述虚拟手术器械包括虚拟镊子，所述虚拟手术对象包括带有囊膜的眼球，所述手术模拟方法还包括以下步骤：

响应于所述囊膜上的任一所述形变质点受到的弹力大于其破裂极限阈值的判断结果，根据所述虚拟手术器械的位移方向提供反向恒力，以作为所述反馈力。

11.如权利要求8所述的手术模拟方法，其特征在于，所述手术包括劈核手术，所述虚拟手术器械包括虚拟劈核钩及虚拟超声乳化手柄，所述虚拟手术对象包括带有晶状体核的眼球，所述根据所述生物力学参数计算反馈力的步骤包括：

根据所述虚拟劈核钩及所述虚拟超声乳化手柄的第一空间范围，与所述第二空间范围的交集，分别确定所述晶状体核沿垂直切面两侧关于所述虚拟劈核钩及所述虚拟超声乳化手柄的多个形变质点；

分别计算各所述形变质点受到的弹力；

根据关于所述虚拟劈核钩的多个形变质点受到的弹力的合力，确定所述虚拟劈核钩的第一反馈力；以及

根据关于所述虚拟超声乳化手柄的多个形变质点受到的弹力的合力，确定所述虚拟超声乳化手柄的第二反馈力。

12.如权利要求11所述的手术模拟方法，其特征在于，所述根据所述生物力学参数计算反馈力的步骤还包括：

根据所述第一反馈力及所述第二反馈力，计算所述晶状体核受到的合力；以及

响应于所述晶状体核受到的合力大于其破裂极限阈值的判断结果，将所述第一反馈力及所述第二反馈力置零。

13.如权利要求11所述的手术模拟方法，其特征在于，还包括以下步骤：

根据所述第一反馈力及所述第二反馈力，计算所述晶状体核受到的合力；以及

响应于所述晶状体核受到的合力大于其破裂极限阈值的判断结果，在所述晶状体核的可编辑外表面的所述垂直切面的位置，生成对应的切口表面。

14.一种手术模拟装置，其特征在于，包括：

存储器；以及

处理器，所述处理器连接所述存储器，并被配置用于实施如权利要求1~13中任一项所述的手术模拟方法。

15.如权利要求14所述的手术模拟装置，其特征在于，还包括力反馈设备、位置采集模块及运动控制模块，其中，

所述位置采集模块采集所述力反馈设备的多个特征点的位置坐标，并将其发送到所述运动控制模块，

所述运动控制模块根据所述多个特征点的位置坐标确定所述虚拟手术器械的第一位姿，并将其发送到所述处理器，

所述运动控制模块还从所述处理器获取对应所述第一位姿的反馈力数据，根据所述反馈力数据确定电机控制指令，并将所述电机控制指令发送到所述力反馈设备，以控制所述力反馈设备的电机向用户提供对应的反馈力。

16.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时，实施如权利要求1~13中任一项所述的手术模拟方法。

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