[发明专利]一种虚拟手术中的缝合交互仿真方法

说明书

一种虚拟手术中的缝合交互仿真方法，包括以下步骤：步骤1，构建缝合针与缝合线模型；步骤2，设置缝合针与软组织表面的最大静摩擦力，进行穿刺；步骤3，缝合针侵入软组织内部，同时牵引缝合线在软组织内部进行滑动；步骤4，引入位置约束，对滑动状态下的缝合线进行位置更新；步骤5，缝合针完全穿过软组织，牵动缝合线拉紧伤口；步骤6，对缝合的整个交互过程进行控制，实时调整并更新缝合点位置。本发明在软组织内部滑动过程中通过对滑动约束点施加位置约束，保证了交互过程的稳定性，并采用缝合控制方法对整个交互过程进行调整，可以避免伤口无法闭合与二次开裂的情况，从而有效地提高了与软组织模型的缝合交互效果。

技术领域

本发明属于虚拟现实的医疗技术领域，具体涉及一种虚拟手术仿真系统中的伤口缝合交互模拟方法。

背景技术

虚拟手术作为虚拟现实技术的一项重要应用之一，融合了机器人学、计算机科学、医学、生物力学、机械学、材料学等多个学科知识，从人体器官CT和MRI等医学图像出发，使用多学科交叉技术来模拟、指导医学手术所涉及的各种过程，在医疗训练领域中发挥着重要作用。相比较于传统的手术训练方式，虚拟手术训练方式拥有可以减少耗材、尽可能避免人体或动物实验伦理及降低手术训练风险等多项优点。

缝合是外科手术中最为常见的手术训练环节之一，由于现实中的缝合线非常精细，缝合操作难度高，需要外科医生进行大量的手术技能训练才能掌握，而且在缝合过程中手术器械会导致软组织发生复杂形变，形变效果的好坏直接影响到虚拟手术仿真系统的真实程度。因此，如何在虚拟手术中实现一种真实的缝合仿真效果至关重要。

目前，缝合交互仿真仍存在一些问题，主要分为三大部分，第一部分是缝合仿真的实时性问题，随着缝合针、缝合线和软组织模型的物理建模越发精细，将会导致仿真过程的计算量大幅度增加，容易影响缝合仿真的实时性能；第二部分是缝合仿真的精确度问题，在满足实时性要求的情况下仿真的精确度仍需提高，其中包括对缝合交互过程中的摩擦力、打结的自碰撞等物理性质的研究；第三部分是缝合仿真的稳定性问题，交互时稳定性的提高可以保证整个仿真过程可以展现较为流畅、真实的缝合效果。现有的滑动约束方法是指通过设置滑动约束点的方式，实施缝合线的滑动及伤口闭合的驱动，达到缝合交互的仿真效果，然而这种交互方法可能使交互系统不稳定及使已闭合的伤口发生二次开裂现象，因此需要研究一种合适的方法提升缝合仿真的真实性及稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种虚拟手术中的缝合交互仿真方法，提高缝合效果的稳定性与真实性。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明所述的一种虚拟手术中的缝合交互仿真方法，包括以下步骤：

步骤1，构建缝合针与缝合线模型；

首先采用基于基尔霍夫弹性杆的方法将缝合线离散为一条由一系列顶点x₀,x₁,x₂,…,x_n-1组成的曲线，然后采用提取中心线的方式将缝合针简化为一条圆弧，并对圆弧进行分段处理，假设圆弧PQ表示缝合针，则P点与Q点分别对应于缝合针的尖端及根部。

步骤2，设置缝合针与软组织表面的最大静摩擦力，进行穿刺；如果施加的穿刺力大于最大静摩擦力，缝合针将侵入软组织内部；否则软组织表面不发生穿透。具体将穿刺分为两个过程：

1)当缝合针开始穿透软组织时，经分段处理后的缝合针上的顶点将跟随着针头的路径侵入软组织内部并开始运动。此时设置一组穿刺点p₀,p₁,…,p_n来记录缝合针逐渐侵入软组织内部的过程，同时把所有的穿刺点遵循穿刺顺序依次存储于穿刺点链表中。