[发明专利]虚拟手术中用于软组织实时形变的交叉弹簧模型

说明书

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。

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；