[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

摘要

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。

主权项

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 Visual Studio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；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。