虛擬針刺手術(shù)軟組織形變建模與力反饋算法研究.pdf

1、隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，其在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。虛擬現(xiàn)實(shí)利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)構(gòu)造出虛擬的軟組織形變模型，在與虛擬模型進(jìn)行交互中加入觸覺交互設(shè)備使其具有臨場(chǎng)感。仿真系統(tǒng)在視覺和觸覺上為操作者提供真實(shí)再現(xiàn)，使得操作者有很強(qiáng)的臨場(chǎng)感和沉浸感。因?yàn)橐肓擞|覺反饋，在針刺手術(shù)訓(xùn)練時(shí)，醫(yī)生可以通過視覺觀察軟組織形變的同時(shí)，也可以感受到針刺的力度，如同真實(shí)操作的感覺一樣，這樣的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)可以大大提高醫(yī)生的訓(xùn)練水平和速度，尤其是對(duì)針刺手術(shù)這樣需要大

2、量訓(xùn)練才能掌握的技能。
　　在保證形變仿真的實(shí)時(shí)性與精度的前提下，并且以真實(shí)人體表皮軟組織的力學(xué)特性為原始數(shù)據(jù)，選擇了基于表面模型的質(zhì)點(diǎn)-彈簧模型。為了虛擬軟組織模型在交互過程中有體的信息，在原來表面模型中增加了虛擬體彈簧，使得虛擬軟組織在形變時(shí)能夠更加的真實(shí)與逼真，并且這樣做滿足交互系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性的要求。
　　在模型運(yùn)動(dòng)學(xué)求解方面，選擇了實(shí)時(shí)性較其他數(shù)值積分法要好的中點(diǎn)法作為本文模型形變算法。本文軟組織實(shí)時(shí)形變和力反饋算法是

3、以彈簧-阻尼器為基礎(chǔ)建立的。軟組織形變過程的總形變量是由虛擬彈簧形變疊加表現(xiàn)的，反饋力是受力質(zhì)點(diǎn)處虛擬彈簧形變產(chǎn)生的合力。以該模型為基礎(chǔ)的形變算法實(shí)時(shí)性好，可以滿足虛擬交互的要求。
　　交互系統(tǒng)在交互時(shí)要求能夠提供視覺和觸覺信息，為了保證真實(shí)性，二者必須要保持同步，這樣才能給操作者帶來沉浸感和臨場(chǎng)感。本文利用OpenGL(Open Graphics Library)三維圖形庫在視覺上對(duì)軟組織模型進(jìn)行繪制渲染，通過顯示器提供視覺信息