[发明专利]一种模拟骨钻与骨骼间力觉交互的方法、装置及系统

说明书

技术领域

本发明属于力觉交互领域，尤其涉及一种模拟骨钻与骨骼间力觉交互的方法、装置及系统。

背景技术

磨骨操作是各类骨科手术中最常用的手术技巧，主要被用来去除部分骨质暴露手术区域或对骨体进行塑形。例如，椎间盘突出手术中磨除骨刺或者骨赘；在髋关节置换手术中用骨钻创造光滑的凹槽来替换磨损的髖臼杯；通过在头骨上磨除一条路径来移出脑肿瘤等。这类手术绝大部分都是不可逆的，所以任何手术失误都可能会对病人产生很大的伤害，例如，若磨骨的过程中把握的不好，很容易伤及神经血管等脆弱组织。因此，年轻医生在能准确、安全实施手术前都需要经过长期艰苦的训练。传统的训练方式医生只能在塑料人体模型、动物、尸体和病人身上进行练习，但这些方法通常存在各种各样的问题，如：不真实、昂贵、不可复用以及会使病人陷入困境。

基于虚拟现实的手术模拟系统做为一种安全、可靠的手术训练方式受到越来越多的关注。如何有效、尽可能逼真的模拟骨钻模型与骨骼模型之间的力觉交互是手术模拟系统中所要解决的关键问题。现有模拟骨钻模型与骨骼模型之间的力觉交互方法中一种常见方法是基于金属磨削理论、根据金属切削的机制对骨骼磨削进行模拟，但金属的物理属性和骨骼差距很大，无法体现出不同材料的骨钻和骨骼进行磨削等力觉交互所带来的力觉差异。

综上所述，现有的模拟骨钻模型与骨骼模型之间的力觉交互方法无法体现出不同材料的骨钻和骨骼进行力觉交互所带来的力觉差异。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种模拟骨钻与骨骼间力觉交互的方法，旨在解决现有的模拟骨钻模型与骨骼模型之间的力觉交互方法无法体现出不同材料的骨钻和骨骼上进行力觉交互所带来的力觉差异的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种模拟骨钻与骨骼间力觉交互的方法，所述方法包括：

实时检测骨钻模型与骨骼模型之间是否发生碰撞；

当发生碰撞时，获取每个碰撞点在碰撞前的运动速度和自转速度；

根据冲量理论、牛顿碰撞定律、库伦定律及每个碰撞点在碰撞前的运动速度和自转速度计算每个碰撞点在碰撞后的运动速度和自转速度；

剔除碰撞后相对骨骼模型有分离速度的碰撞点；

根据碰撞前后的运动速度和自转速度并利用基于冲量理论的方法来计算未被剔除的碰撞点在碰撞时所受的阻力和摩擦力；

将未被剔除的所有碰撞点的阻力和摩擦力合成为一个合力，以输出给力反馈设备。

本发明实施例还提供了一种模拟骨钻与骨骼间力觉交互的装置，所述装置包括：

碰撞检测单元，用于实时检测骨钻模型与骨骼模型之间是否发生碰撞；

获取速度单元，用于当发生碰撞时，获取每个碰撞点在碰撞前的运动速度和自转速度；

速度计算单元，用于根据冲量理论、牛顿碰撞定律、库伦定律及每个碰撞点在碰撞前的运动速度和自转速度计算每个碰撞点在碰撞后的运动速度和自转速度；

剔除单元，用于剔除碰撞后相对骨骼模型有分离速度的碰撞点；

第一计算单元，用于根据碰撞前后的运动速度和自转速度并利用基于冲量理论的方法来计算未被剔除的碰撞点在碰撞时所受的阻力和摩擦力；

合力单元，用于将未被剔除的所有碰撞点的阻力和摩擦力合成为一个合力，以输出给力反馈设备。

本发明实施例还提供了一种虚拟手术系统，其特征在于，所述虚拟手术系统包括上述的模拟骨钻与骨骼间力觉交互的装置。

本发明实施例与现有技术相比，有益效果在于：通过利用基于冲量理论的方法来计算未被剔除的碰撞点在碰撞时所受的阻力和摩擦力，在计算时会将混合恢复系数e充分体现在阻力和摩擦力上，从而很好的反映了骨钻和骨骼的材料属性，可有效的体现出不同材料骨钻和骨骼进行磨削等力觉交互所带来的力觉差异。

附图说明

图1是本发明实施例提供的模拟骨钻与骨骼间力觉交互的方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的骨钻模型的示例图；

图3是本发明实施例提供的骨骼模型的示例图；

图4是本发明实施例提供的模拟骨钻与骨骼间力觉交互的方法中碰撞交互的碰撞前示意图；

图5是本发明实施例提供的模拟骨钻与骨骼间力觉交互的方法中碰撞交互的碰撞后示意图；

图6是本发明实施例提供的摩擦力椎体的示意图；

图7是本发明实施例提供的振动模型的示意图；

图8是本发明实施例提供的模拟骨钻与骨骼间力觉交互的装置的逻辑结构示意图；