[发明专利]一种主从导丝控制方法

权利要求书

1.一种主从导丝控制方法，为基于虚拟现实力触觉渲染的主从导丝控制，通过力触觉渲染在主手端进行力触觉再现，操作者通过力触觉信息控制从手端导丝运动，其特征是：力触觉渲染模型为采用一维弧长坐标确定任意拉格朗日欧拉ALE导丝单元中接触检测点位置的基于任意拉格朗日欧拉ALE导丝-血管壁高效接触检测算法；

采用一维弧长坐标确定任意拉格朗日欧拉ALE导丝单元中接触检测点位置具体为：

a、建立一维弧长坐标：

所述一维弧长坐标是指沿血管管道方向建立的坐标，具体是：将血管的中心线作为弧长坐标轴，通过沿血管的中心线布置ALE网格节点并约束其在相应的截面内运动，将导丝在血管管道中的运动设为在网格节点在截面内的运动，沿血管管道方向建立的坐标即一维弧长坐标；

根据弧长坐标s来确定检测点位于哪个管段内，满足的条件为：

s₁≤s≤s₂；

其中s、s₁、s₂分别为接触点以及两个相邻管道节点的弧长坐标；

b、计算接触检测点在血管轴线上投影点：

导丝网格节点P₁、P₂分别位于管道截面S₁、S₂内，其在血管中心线上的投影点是A₁、A₂；检测点C₁位于单元P₁P₂内部，其在血管中心线对应的投影点为B₁；由于B₁和C₁连线与管道中轴线垂直，B₁的弧长坐标s满足：

(R-r(s))·r′(s)＝0；

其中R为检测点C₁的位置，r(s)为投影点B₁的位置，r'(s)为投影点B₁的切向量；

c、使用Newton-Raphson方法迭代求解：

设x、v分别为导丝的位置与速度，v∈R ³ⁿ，代表三维空间坐标系，F是导管的受力，上标k与k+1是时间刻度，则：

其中，x^k与v^k分别第k时刻的位置和速度，通过式(1)计算第k+1时刻导管的位置与速度x^k+1和v^k+1，β、γ为常数，且0≤β≤1,0≤γ≤1，△t为两次迭代的时间差，a^k和a^k+1分别为第k时刻和第k+1时刻的加速度，a为加速度，由以下公式求解：

F(x^k+1,v^k+1)＝Ma^k+1 (2)；

式中，F(·)为碰撞力跟位置和速度的关系函数，M为导丝单元质量；

根据Newton-Raphson公式，可得：

将式(1)代入式(3)中，得到a^k+1、x^k+1和v^k+1的值，确定导丝位置，当其与血管中心线距离等于或超过血管半径时即认为发生碰撞，进行接触点检测。

2.根据权利要求1所述的一种主从导丝控制方法，其特征在于，所述Newton-Raphson方法迭代求解时的s的初始值s₀通过插值得到，s₀＝(1-λ)s₁+λs₂，其中λ为点C₁在单元P₁P₂内的局部坐标。

3.根据权利要求1所述的一种主从导丝控制方法，其特征在于，所述基于任意拉格朗日欧拉ALE导丝-血管壁高效接触检测算法的导丝与血管的法向接触力和滑动摩擦力的计算，基于非线性等效弹簧阻尼模型和库伦摩擦模型；非线性等效弹簧阻尼模型方程为：

其中，F_N为法向接触力，为导丝的微段法向接触力，是弹簧接触力，是逻辑函数，是非线性弹簧阻尼力，是侵彻深度，K为刚度系数，n为导丝微段，c_i是阻尼系数，为导丝穿透血管深度；

库伦摩擦模型方程为：

其中，为导丝与血管之间每一个接触节点上的滑动摩擦力，μ为摩擦系数；根据从端力触觉测量数据，使用最小二乘法进行系统辨识，实时更新以上参数，进行力触觉渲染模型参数修正。