基于點云模型虛擬手術(shù)訓練系統(tǒng)的碰撞檢測及力反饋算法研究.pdf

1、虛擬現(xiàn)實是跨學科的一項綜合性技術(shù)，在軍事、電影、醫(yī)療和游戲等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實能模擬客觀世界并且可視化的展現(xiàn)出來，使人有身臨其境的感覺。虛擬手術(shù)給外科醫(yī)生提供一個可重復(fù)使用的手術(shù)訓練平臺，并且可以幫助醫(yī)生進行術(shù)前預(yù)演，以及手術(shù)結(jié)果預(yù)測，便于規(guī)避風險。碰撞檢測和力反饋算法設(shè)計是保證虛擬手術(shù)訓練系統(tǒng)沉浸感和透明性的前提。
　　為了保證碰撞檢測的實時性，論文構(gòu)造“八叉樹”來存儲“點云數(shù)據(jù)”并在包圍球算法的基礎(chǔ)上，針對不同的虛擬

2、手術(shù)器械提出“包圍球與簡化點碰”算法和“包圍球與簡化線碰”算法，提高了檢測效率。為了保證手術(shù)器械與軟組織交互時，不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)計了自適應(yīng)限制輸出力算法來保證輸出力的連續(xù)性和平穩(wěn)性。
　　碰撞檢測是虛擬手術(shù)中不可缺少的關(guān)鍵部分。碰撞檢測算法的快速性以及準確性是虛擬手術(shù)具有良好實時性的前提。論文采用層次包圍球算法，通過空間剖分構(gòu)造“八叉樹”來存儲“點云數(shù)據(jù)”。為了提高碰撞檢測的實時性，根據(jù)手術(shù)器械的功能部位為尖端或者切割線，分

3、別將其簡化為一個點或一條直線，但視覺呈現(xiàn)不變，這樣在不影響虛擬手術(shù)視覺效果的同時又大大提高了碰撞檢測的速度。通過實驗結(jié)果證明，系統(tǒng)平均檢測時間比傳統(tǒng)方法少70％以上。
　　力反饋控制算法是保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。虛擬手術(shù)訓練系統(tǒng)由操作者、力反饋設(shè)備、采樣保持器和虛擬環(huán)境四個二端口網(wǎng)絡(luò)組成。論文采用自適應(yīng)限制輸出力算法保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。自適應(yīng)限制輸出力算法必須滿足無源理論。系統(tǒng)根據(jù)無源理論預(yù)測出下個采樣時刻保證系統(tǒng)穩(wěn)定的最大輸出力，并