[发明专利]一种针灸力反馈形变模型的建模方法

说明书

本发明公开了一种针灸力反馈形变模型的建模方法，首先重建软组织模型；然后计算用于记录软组织模型的全局形变信息的全局形变矩阵；接着计算针刺点形变前的初始坐标和针刺点坐标之间的距离，并据此判定针尖是否刺破表皮；如果针尖未刺破表皮，实时产生虚拟弹簧计算皮肤表层的力反馈；如果针尖已刺破表皮，则计算软组织模型的内部力反馈，同时对针刺后的皮肤进行复原控制。本发明通过虚拟弹簧和体元模型可以分别计算针在皮肤内部和外部的力反馈，在确保计算简单的同时确保高精度的变形模拟，在交互过程中，操作者可以感受到触觉信息的实时性和真实感。

技术领域

本发明涉及针灸模拟，尤其涉及一种针灸力反馈形变模型的建模方法。

背景技术

针灸是传统中国养生治病的神奇医术，在现代养生医学中也有很广泛的应用。然而人体穴位比较难找，对于刚接触针灸的新手来说是一个很大的挑战，几乎无法实战练习，而扎错穴位也会对人体产生或大或小的影响，因此训练至关重要。传统的针灸培训成本高、风险高，虚拟针灸模拟系统可以帮助中医新手练习针灸，有效地解决这一问题。

柔性体表面形变是虚拟触觉交互过程的关键。常用的物理模型中，弹簧-质点模型具有建模简单、计算灵活、速度快的优点，但该模型精度有限，稳定性差。有限元模型精度高，但计算相对复杂。因此，具有良好的交互功能和形变效果的柔体模型对于虚拟手术系统来说至关重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足，提供了一种针灸力反馈形变模型的建模方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种针灸力反馈形变模型的建模方法，包含以下步骤：

步骤1)，重建软组织模型：采用体元模型重建软组织内部，采用网格模型重建软组织表皮；所述体元模型包含用于表示软组织内部的内部体元和用于表示模型针头的针体元；进行针灸模拟时，将模型针头在软组织内部所经过路径上的内部体元替换成针体元；

步骤2)，根据以下公式计算用于记录软组织模型的全局形变信息的的全局形变矩阵A：

其中，n是软组织模型的网格质点数，m_i是软组织模型中质点i的质量，i为大于等于1小于等于n的自然数，p_i是软组织模型中质点i的坐标，p_cm是形变后软组织模型的质心坐标，是质点i的初始坐标，是初始状态下软组织模型的质心坐标；

步骤3)，计算针刺点形变前的初始坐标和针刺点坐标p_c之间的距离

当且针尖坐标x与针刺点坐标p_c重合时，判定皮肤表层为未被刺破的状态，执行步骤4)，其中，d_max为预设的皮肤最大形变量；

当且针尖坐标x与针刺点坐标p_c不重合时，判定皮肤表层为被刺破的状态，执行步骤5)；

步骤4)，根据以下公式实时产生虚拟弹簧计算皮肤表层的力反馈F_out：

其中，σ(i)为软组织模型中受形变影响的网格质点集合,k为预设的虚拟弹簧系数，为软组织模型中质点i的初始坐标和当前坐标p_i之间的距离，N_out为以针尖为顶点沿针方向的单位向量；

步骤5)，根据针刺深度计算软组织模型的内部力反馈，同时对针刺后的皮肤进行复原控制：

步骤5.1)，根据针刺点坐标p_c和针尖坐标x的距离d_in计算软组织模型的内部力反馈F_in：