[发明专利]一种虚拟仿真系统中力觉反馈的计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及虚拟仿真技术领域，尤其涉及的是，一种虚拟仿真系统中，对于具有自转特性的虚拟工具，力觉反馈的计算方法，可以广泛应用于医学技术，例如在虚拟手术仿真系统中实现力觉反馈的计算。

背景技术

虚拟仿真技术已经得到了广泛的应用，尤其是在医学领域的应用。例如，虚拟手术是专门用来模拟在手术过程中可能遇到的各种现象的虚拟现实仿真应用系统。通过虚拟手术可以使操纵者沉浸于虚拟的手术场景内，通过操纵虚拟手术器械体验和学习如何进行各种手术。一方面它能够帮助实习医生学习、掌握人体的解剖结构，进行手术训练，并培养应付各种突发情况的能力；另一方面还可以让外科医生针对一个真实的病患进行术前规划、术中模拟、和术后效果预测，使得外科手术更加安全、可靠和精确。

虚拟手术的技术实现主要包括手术环境的重建和手术过程的模拟两个部分。其中手术环境的重建主要包括医学数据的重建与可视化；手术过程的模拟主要包括对于虚拟人体器官在虚拟手术器械作用下的各种变化的模拟和对医护人员提供视觉反馈和力觉反馈等各种感官反馈的模拟。

出色的虚拟手术仿真系统应该能为操纵者提供如同真实般的视觉、触觉和听觉等方面的多感知效果。现有的基于力反馈的虚拟手术仿真系统的硬件配置主要包括视觉显示设备和力觉反馈设备，软件系统主要包括视觉显示、触觉绘制和变形模拟等模块。操纵者通过力觉反馈设备上的机械臂操纵屏幕上所看到的虚拟手术器械，在虚拟现实环境中与手术部位发生交互并进行相应的手术操作，计算交互时产生的力及力矩并通过力觉反馈设备传递给操纵者，同时交互的手术区域也会产生相应的变形。触觉绘制模块主要用于虚拟手术器械和虚拟人体组织器官之间的力觉反馈。目前在大多数对各种虚拟手术器械进行力觉反馈的方法中，需要将虚拟手术器械和虚拟人体器官之间的接触简化为通过点或者线和虚拟人体器官之间进行的接触，然后利用虎克定律通过弹簧减震模型来模拟各个接触力，最终将多个力组合起来反馈给操纵者。但是，针对自身具有运动特性特别是自转的模拟手术器械，例如骨钻、磨骨器、摆动锯等由于还需要考虑其自身的运动特性，所以对该类虚拟手术器械进行力觉反馈的方法相对更加复杂。

在国际上，一些学者曾对虚拟骨骼仿真手术技术进行了深入的研究。大部分虚拟骨骼手术使用的骨骼模型都是基于体绘制的。自2002年起，Marco Agus发表了一系列论文阐述了一种适用于任意骨骼的虚拟手术训练系统(Agus M，Giachetti A，Gobbetti E，Zanetti G，Zorcolo A.A multiprocessordecoupled system for the simulation of temporal bone surgery[J].ComputerVisualization in Science，2002，5(A1：35-4A3，该系统中使用了Hertz’s接触理论估计了骨骼在变形时所产生的接触力。但是在该系统中，只使用了单点的碰撞检测，这很容易导致力的震荡和不连续，不利于模拟反馈真实的接触力效果。

Pertersik在Marco的基础上，又提出了一种基于多点的碰撞检测算法计算虚拟手术器械与骨骼模型之间的交互力(Petersik A，Pflesser B，Tiede U，Hohne K H，Leuwer R.Haptic Volume Interaction with Anatomic Models atSub-Voxel Resolution[C].Proc IEEE VR，Orlando，FL，Mar 2002：66-72)，并且在力觉反馈部分和显示部分再继续将单个的体素进行细分，因此相比原来依照单个体素来计算的方法，这种方法可以得到更精确的力觉感受和更细腻的屏幕图像绘制，从而使模型精细度和使用并不受体素大小的限制。但是，在力的交互过程中，由于系统没有考虑其特殊的虚拟手术器械——骨钻的自转对力模型计算的影响，而这种自转对真实有效的模拟骨钻或者是磨骨器在去除骨骼时所产生的反馈力是十分关键的。