本發(fā)明涉及虛擬手術(shù)中用于軟組織實時形變的交叉彈簧模型，具體涉及一種用于虛擬手術(shù)仿真過程中，人機(jī)交互的基于物理意義的虛擬手術(shù)中用于軟組織實時形變的交叉彈簧模型屬于力觸覺再現(xiàn)的建模方法技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，我國在醫(yī)療衛(wèi)生方面取得了長足的進(jìn)步。虛擬手術(shù)是指醫(yī)生在計算機(jī)虛擬環(huán)境中進(jìn)行手術(shù)訓(xùn)練和手術(shù)規(guī)劃，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的一種重要應(yīng)用，虛擬手術(shù)能夠模擬常見的手術(shù)操作過程，醫(yī)生可在手術(shù)前對手術(shù)過程中涉及到的人體軟組織進(jìn)行虛擬手術(shù)仿真，減小手術(shù)風(fēng)險，獲得最好的手術(shù)效果。利用虛擬手術(shù)仿真，可大大減少所需的培訓(xùn)時間和昂貴的動物實驗費(fèi)用。因此，作為虛擬手術(shù)基礎(chǔ)的軟組織仿真技術(shù)已成為當(dāng)前的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的熱點和前沿。準(zhǔn)確快速的力觸覺再現(xiàn)的模型是虛擬手術(shù)成功的關(guān)鍵。采用基于物理意義的力觸覺再現(xiàn)的建模方法，對軟組織的變形進(jìn)行實時仿真，已成為近幾年研究的熱點。

虛擬力觸覺交互過程中，形變模型是手術(shù)成功的關(guān)鍵。目前常用的基于物理意義的柔性體變形模型中，有限元模型雖然精確，但要求網(wǎng)格的節(jié)點數(shù)多、計算時耗多，實時性較差。彈簧質(zhì)點模型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建簡單直觀，計算量小，但由于彈簧系數(shù)設(shè)定的任意性，導(dǎo)致所仿真物體行為特性的優(yōu)劣較難定量地鑒別。邊界元模型通過對模型邊界進(jìn)行離散來降低問題維數(shù)，簡化計算，但在穩(wěn)定性方面卻存在一定困難?；谇蛎嬲{(diào)和函數(shù)的柔性體模型具有預(yù)測功能，能很好地表達(dá)柔性體的表面輪廓及細(xì)節(jié)部分，但該模型所能表達(dá)的幾何復(fù)雜性有一定限制，且運(yùn)行耗時較長。這些常用的軟組織變形物理模型均存在計算較為繁雜和仿真精度不高等問題。

針對以上計算復(fù)雜和仿真度欠缺的問題，提出一種用于力觸覺再現(xiàn)的交叉彈簧模型的建模方法，使虛擬手術(shù)仿真過程中力觸覺人機(jī)交互過程更加快速有效，而且提高了交互的沉浸感、真實感和仿真度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述存在的問題，本發(fā)明公開了一種虛擬手術(shù)中用于軟組織實時形變的交叉彈簧模型，其具體技術(shù)方案如下：

虛擬手術(shù)中用于軟組織實時形變的交叉彈簧模型，該交叉彈簧模型應(yīng)用于microsoftvisualstudio軟件，在microsoftvisualstudio軟件里建立3d人體模型，所述3d人體模型完全模擬人體軟組織，形成虛擬平臺,并在安裝該microsoftvisualstudio軟件的硬件pc機(jī)連接一個opengl圖形化接口，在該平臺上連接一個手控器，所述手控器在3d人體模型上形成一個虛擬代理，所述虛擬代理跟隨手控器同步移動，交叉彈簧模型的建模方法包括如下步驟：

步驟1:虛擬場景初始化：對3d人體模型進(jìn)行虛擬場景初始化；

步驟2:位置檢測：移動手控器到3d人體模型任意位置，并通過手控器施加力；

步驟3:判斷是否碰撞：虛擬平臺軟件判斷虛擬代理是否碰撞到軟組織，如檢測到碰觸到軟組織進(jìn)入下一步，如檢測到未碰觸到軟組織，則進(jìn)入上一步；

步驟4：給定虛擬接觸壓力f：當(dāng)檢測到虛擬代理碰撞到虛擬軟組織表面上任意一點時，在給定虛擬接觸壓力f作用；

步驟5：虛擬代理與虛擬軟組織交互的局部區(qū)域內(nèi)部填充交叉彈簧力觸覺計算模型：在給定虛擬接觸壓力f作用下，虛擬代理與虛擬軟組織交互的局部區(qū)域內(nèi)部填充交叉彈簧力觸覺計算模型；

步驟6：軟組織局部區(qū)域變形計算、圖形刷新和反饋輸出力觸覺信息：在交互過程中，軟組織局部區(qū)域通過交叉彈簧模型進(jìn)行變形計算和圖形刷新，輸出反饋為采用交叉彈簧力觸覺虛擬模型計算出來的反應(yīng)在外力作用下軟組織實時變形仿真的力觸覺信息的信號。

所述步驟6中軟組織實時形變和圖形刷新的方法為：

(1)參數(shù)初始化；

(2)在給定虛擬接觸壓力f作用下，當(dāng)虛擬代理碰撞到虛擬軟組織表面上的任意點時，在碰撞點處下方豎直懸掛一個半徑為r的剛性圈，在剛性圈中過圓心o1有四個相同的彈簧水平垂直相交于一個點，四個彈簧外邊緣連接一個剛性圈，構(gòu)成第一層，將其定義為一個結(jié)構(gòu)單元，在第一層圈下，剛性圈下豎直固定另一剛性圈，以連接另一個結(jié)構(gòu)單元即第二層，第一層與第二層之間由最邊緣的剛性棒和中心的彈簧相連接，第二層在第一層基礎(chǔ)上增加一個半徑為2r的同心剛性圈，且也以四個彈簧連接內(nèi)剛性圈，第二層以第一層為基礎(chǔ)沿四個彈簧的方向續(xù)接四個彈簧外加一個剛性圈構(gòu)成第二層，第三層則為三個同心剛性圈，層與層之間以一個彈簧來連接，以此類推，第二層的彈簧彈性系數(shù)是第一層的2倍，即第k層的彈簧彈性系數(shù)是第k-1層的2倍；

假定虛擬接觸壓力f的作用線和交叉彈簧模型中心線一致，且在虛擬接觸壓力f作用下，若軟組織中共有n層的結(jié)構(gòu)單元的彈簧產(chǎn)生變形，則第n層稱為變形截止層；

(3)每層交叉彈簧受力分析。

所述每層交叉彈簧受力分析過程如下：假設(shè)每層的交叉彈簧由圓心受分力，所受分力系數(shù)為該點受力所占f的比重，則第n層中心圓點所受分力大小為：

根據(jù)實際需要，當(dāng)?shù)趎層中所受最大的分力小于給定數(shù)值f時，即可忽略，認(rèn)為此時變形截止；令fn＜f，通過計算求出變形截止層n；

交叉彈簧模型中每一層彈簧的彈性系數(shù)，以每一層的第一個彈簧的彈性系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，本層彈簧的彈性系數(shù)是上一層彈簧的系數(shù)2倍。則第i層第一個彈簧的彈性系數(shù)滿足下面公式：

其中，k1為第一層第一個彈簧的彈性系數(shù)，ki為第i層的第一個彈簧的彈性系數(shù)，

每一層彈簧變形量如下：

δxi為前n層中任意第i層的彈簧產(chǎn)生的壓縮變形量；

所述交叉彈簧模型中每層的彈簧變形量之和的疊加對外等效為虛擬軟組織表面的變形，

其中，δx總為前n層所有的彈簧產(chǎn)生的壓縮變形量之和，f為給定的虛擬接觸壓力，k1為第1層的第一個彈簧的彈性系數(shù)。

所述手控器包括手持部和底座，所述手持部用于手持和施加力，底座用于置于平整桌名上移動位置。

所有的所述彈簧規(guī)格相同。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明和以往常用的基于物理意義的軟組織變形仿真力觸覺建模方法相比，該建模方法變形計算速度加快，減少了計算量。

本發(fā)明通過改變建模方法中相應(yīng)的參數(shù)，就可對不同的軟組織進(jìn)行變形仿真，建模方法適用性廣。

附圖說明

圖1是本發(fā)明流程圖，

圖2是本發(fā)明的建模方法流程圖，

圖3是本發(fā)明交叉彈簧模型示意圖，

圖4是本發(fā)明交叉彈簧模型受力示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式，進(jìn)一步闡明本發(fā)明。應(yīng)理解下述具體實施方式僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。

本虛擬手術(shù)中用于軟組織實時形變的交叉彈簧模型，該交叉彈簧模型應(yīng)用于microsoftvisualstudio軟件，在microsoftvisualstudio軟件里建立3d人體模型，所述3d人體模型完全模擬人體軟組織，并在安裝該microsoftvisualstudio軟件的硬件pc機(jī)接一個opengl圖形化接口，在該opengl圖形化接口中連接一個手控器，所述手控器在3d人體模型上形成一個鼠標(biāo)光點，該鼠標(biāo)光點即虛擬代理，所述虛擬代理跟隨手控器同步移動。所述手控器包括手持部和底座，所述手持部用于手持和施加力，底座用于置于平整桌名上移動位置。

圖1是本發(fā)明流程圖，結(jié)合附圖可見，交叉彈簧模型的建模方法包括如下步驟：

步驟1:虛擬場景初始化：對3d人體模型進(jìn)行虛擬場景初始化；

步驟2:位置檢測：移動手控器到3d人體模型任意位置，并通過手控器施加力；

步驟3:判斷是否碰撞：microsoftvisualstudio軟件判斷虛擬代理是否碰撞到軟組織，如檢測到碰觸到軟組織進(jìn)入下一步，如檢測到未碰觸到軟組織，則進(jìn)入上一步；

步驟4：給定虛擬接觸壓力f：當(dāng)檢測到虛擬代理碰撞到虛擬軟組織表面上任意一點時，在給定虛擬接觸壓力f作用；

步驟5：虛擬代理與虛擬軟組織交互的局部區(qū)域內(nèi)部填充交叉彈簧力觸覺計算模型：在給定虛擬接觸壓力f作用下，虛擬代理與虛擬軟組織交互的局部區(qū)域內(nèi)部填充交叉彈簧力觸覺計算模型；

步驟6：軟組織局部區(qū)域變形計算、圖形刷新和反饋輸出力觸覺信息：在交互過程中，軟組織局部區(qū)域通過交叉彈簧模型進(jìn)行變形計算和圖形刷新，輸出反饋為采用交叉彈簧力觸覺虛擬模型計算出來的反應(yīng)在外力作用下軟組織實時變形仿真的力觸覺信息的信號。

圖2是本發(fā)明的建模方法流程圖，結(jié)合附圖可見，所述步驟6中軟組織實時形變和圖形刷新的方法為：

(1)參數(shù)初始化；

(2)在給定虛擬接觸壓力f作用下，當(dāng)虛擬代理碰撞到虛擬軟組織表面上的任意點時，在碰撞點處下懸掛一個半徑為r的剛性圈，在剛性圈中過圓心o1有四個相同的彈簧水平垂直相交于一個點，圖3是本發(fā)明交叉彈簧模型示意圖，結(jié)合附圖可見，四個彈簧外邊緣連接一個剛性圈，所有彈簧規(guī)格相同，構(gòu)成第一層，將其定義為一個結(jié)構(gòu)單元，在第一層結(jié)構(gòu)單元下連接一個豎直的彈簧，以連接另一個結(jié)構(gòu)單元即第二層，第一層與第二層之間由最邊緣的兩個剛性棒和中心的一個彈簧相連接，第二層在第一層基礎(chǔ)上增加一個半徑為2r的同心剛性圈，且也以四個彈簧連接內(nèi)剛性圈，第二層以第一層為基礎(chǔ)沿四個彈簧的方向續(xù)接四個彈簧外加一個剛性圈構(gòu)成第二層，第三層則為三個同心剛性圈，層與層之間以一個豎直彈簧來連接，以此類推，第二層的彈簧彈性系數(shù)是第一層的2倍，即第k層的彈簧彈性系數(shù)是第k-1層的2倍；

假定虛擬接觸壓力f的作用線和交叉彈簧模型中心線一致，且在虛擬接觸壓力f作用下，若軟組織中共有n層的結(jié)構(gòu)單元的彈簧產(chǎn)生變形，則第n層稱為變形截止層；

(3)每層交叉彈簧受力分析。

圖4是本發(fā)明交叉彈簧模型受力示意圖，結(jié)合附圖可見，所述每層交叉彈簧受力分析過程如下：假設(shè)每層的交叉彈簧由圓心受分力，所受分力系數(shù)為該點受力所占f的比重，則第n層中心圓點所受分力大小為：

根據(jù)實際需要，當(dāng)?shù)趎層中所受最大的分力小于給定數(shù)值f時，即可忽略，認(rèn)為此時變形截止；令fn＜f，通過計算求出變形截止層n；

交叉彈簧模型中每一層彈簧的彈性系數(shù)，以每一層的第一個彈簧的彈性系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，本層彈簧的彈性系數(shù)是上一層彈簧的系數(shù)2倍。則第i層第一個彈簧的彈性系數(shù)滿足下面公式：

其中，k1為第一層每一個彈簧的彈性系數(shù)，ki為第i層的每一個彈簧的彈性系數(shù)，

每一層彈簧變形量如下：

δxi為前n層中任意第i層的彈簧產(chǎn)生的壓縮變形量；

所述交叉彈簧模型中每層的彈簧變形量之和的疊加對外等效為虛擬軟組織表面的變形，

其中，δx總為前n層所有的彈簧產(chǎn)生的壓縮變形量之和，f為給定的虛擬接觸壓力，k1為第1層的第一個彈簧的彈性系數(shù)。

本發(fā)明方案所公開的技術(shù)手段不僅限于上述技術(shù)手段所公開的技術(shù)手段，還包括由以上技術(shù)特征任意組合所組成的技術(shù)方案。

以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改。本項發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。