手術仿真中快速準確的沖突響應算法.pdf

1、本文研究了手術仿真系統(tǒng)和其中的沖突響應算法，并擴展了受限粒子系統(tǒng)。手術仿真系統(tǒng)是目前醫(yī)療圖像領域的研究熱點和難點，它可以提供一個虛擬的沉浸式的訓練環(huán)境，以此取代醫(yī)院中基于人類尸體和動物的訓練方式，降低醫(yī)院的成本，因此得到廣泛的關注和研究。沖突響應算法是手術仿真系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是在沖突檢測模塊發(fā)現(xiàn)了物體問的碰撞時，合理地化解沖突，并提供連續(xù)的反饋力供觸覺仿真。受限粒子系統(tǒng)是一種可形變模型，其功能是用數(shù)學語言描述外力作用下物體的形

2、態(tài)變化。沖突響應算法和可形變模型算法均是手術仿真系統(tǒng)中至關重要的組成部分。 本文提出了一種混合型的沖突響應算法，此法將沖突響應算法解剖為三個階段，在每個階段上都針對不同系統(tǒng)的需求設計了多種算法，此方法融合了三種傳統(tǒng)的沖突響應算法的優(yōu)點，并對各個算法都作出了改進，并重點討論了反饋力的后處理過程，使用了縮放映射和線性插值平滑的方法使反饋力更為連續(xù)。本文還研究并擴展了受限粒子系統(tǒng)的自定義約束問題，針對手術仿真系統(tǒng)的特點，加入了三種新的

3、擴展約束。同時本文也對這兩個研究進行了實驗，測試了它們的穩(wěn)定性和運行效率。 論文的主要工作和創(chuàng)新點如下： 1．提出了混合型沖突響應算法，將一個整體問題劃分為三個子問題分別攻克。該混合型沖突算法由三個階段組成，分別為前處理階段，形變階段，反饋力階段，每個階段都有若干種不同的算法實現(xiàn)，算法之間耦合度低，可以任意組合使用。這樣的設計可以滿足不同系統(tǒng)的不同要求，例如有的算法實時性較好，有的算法穩(wěn)定性較好等。 2．在沖突響

4、應算法的實現(xiàn)中，提供了多種計算合理的侵入方向的方法，傳統(tǒng)的侵入方向等同于最快離開穿透物體的方向或是表面法向量。而本文提出了加權平均值法，原地離開法，以及相對速度法，這三種方法均能獲得更為連續(xù)的懲罰力，尤其是第三種方法還考慮到了觸覺仿真中的特殊性。 3．在計算反饋力的過程中，相對于傳統(tǒng)的局部法，提出了相應的整體法，將碰撞物體作為一個整體來考慮，這樣所計算得到的反饋力更加可以反映物體整體的狀態(tài)和運動規(guī)律。 4．在反饋力的后處

5、理過程中，提出了基于反正切函數(shù)的方法對沖突響應模塊所獲得的反饋力進行縮放映射，并用線性插值的方法進行平滑，然后傳遞給設備模塊。解決了沖突響應模塊和設備塊中反饋力量度不統(tǒng)一的問題，并且增加了設備反饋力在不同時間點間的連續(xù)性，避免了跳躍性的突變。 5．通過定性和定量的實驗系統(tǒng)地比較了視覺仿真中各個算法的形變的效果和時間復雜度，以及觸覺仿真中各個算法產生反饋力的連續(xù)性和算法時間復雜度。并提出了三個評估反饋力連續(xù)性的公式。 6．