[发明专利]虚拟手术中支持实时按压形变的软组织模型建模方法

摘要

本发明涉及虚拟手术中支持实时按压形变的软组织模型建模方法，包括如下步骤对虚拟场景进行初始化；当检测到虚拟代理碰撞到虚拟软组织表面上任意一点时，在给定虚拟接触压力F作用下，虚拟代理与虚拟软组织交互的局部区域内部充满叶片弹簧力触觉计算模型，在交互过程中，软组织局部区域通过叶片弹簧力触觉计算模型进行变形计算和图形刷新，输出反馈为采用叶片弹簧力触觉计算模型计算出来的反应在外力作用下软组织实时变形仿真的力触觉信息信号。本发明采用结构可靠的叶片弹簧，从而保证模型稳定性，方便力反馈和形变计算，不仅保证了建模的仿真性，而且叶片弹簧利用率高，变形计算速度快。

主权项

一种虚拟手术中支持实时按压形变的软组织模型建模方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：对虚拟场景进行初始化；步骤2：当检测到虚拟代理碰撞到虚拟软组织表面上任意一点时，在给定虚拟接触压力F作用下，虚拟代理与虚拟软组织交互的局部区域内部充满叶片弹簧力触觉计算模型，在交互过程中，软组织局部区域通过叶片弹簧力触觉计算模型进行变形计算和图形刷新，输出反馈为采用叶片弹簧力触觉计算模型计算出来的反应在外力作用下软组织实时变形仿真的力触觉信息信号，所述叶片弹簧力触觉计算模型建模方法为：(1)参数初始化，(2)在给定虚拟接触压力F作用下，当虚拟代理碰撞到虚拟软组织表面上任意点时，在碰撞点下垂直悬挂一个伸直长度为L，叶片数为n，n大于等于3，厚度为a，宽度为b，弹性模量为E，弧高为H的半椭圆形对称式叶片弹簧，正中心下接另一相反方向相同规格的半椭圆形对称式叶片弹簧，叶片两端处相接触，以此构成软组织模型第一层，第一层下竖直悬挂第二层，第二层与第一层结构相似，半椭圆形对称式叶片弹簧伸直长度为2L，以此构成第二层，第三层也采用相似结构，半椭圆形对称式叶片弹簧伸直长度为3L，构成第三层，自第二层始，第i层的半椭圆形对称式叶片弹簧伸直长度都是第一层的i倍，而所有半椭圆形对称式叶片弹簧的叶片数为n，n大于等于3、厚度为a、宽度为b、弹性模量为E、弧高为H；该半椭圆形对称式叶片弹簧的弹性模量E取决于人体虚拟软组织部位，且假设该部位软组织材质相同，即弹性模量E相同；假设该半椭圆形对称式叶片弹簧受到给定虚拟接触压力F，且F的作用线和半椭圆形对称式叶片弹簧模型对称中心线一致，在虚拟接触压力F作用下，第一层先发生形变，第二层后发生形变，以此类推，假设在同一层的半椭圆形对称式叶片弹簧中，一层内上面的半椭圆形对称式叶片弹簧和下面的半椭圆形对称式叶片弹簧同时发生形变；当每层半椭圆形对称式叶片弹簧消耗的虚拟接触压力达到最大时，下一层半椭圆形对称式叶片弹簧才开始形变；假设在给定虚拟外力作用下，该层半椭圆形对称式叶片弹簧内的弹簧第i层弹簧消耗的虚拟接触压力未达到最大，则半椭圆形对称式叶片弹簧称为该层半椭圆形对称式叶片弹簧的变形截止层；步骤3：确定半椭圆形对称式叶片弹簧的虚拟接触压力；由于第一层中半椭圆形对称式叶片弹簧弧高为H，假设叶片弹簧可完全变形，则第一层半椭圆形对称式叶片弹簧的静挠度为H：H=δFL32Enba3]]>其中δ为挠度增大系数，为实际半椭圆形对称式叶片弹簧的挠度比理论截面梁挠度的增大系数；则第一层半椭圆形对称式叶片弹簧消耗的虚拟接触压力F1为：F1=2EHnba3δL3]]>第二层半椭圆形对称式叶片弹簧消耗的虚拟接触压力F2为：F2=2EHnba3δ(2L)3]]>第三层半椭圆形对称式叶片弹簧消耗的虚拟接触压力F3为：F3=2EHnba3δ(3L)3]]>则第i层半椭圆形对称式叶片弹簧消耗的虚拟接触压力Fi为：Fi=2EHnba3δ(iL)3]]>确定该半椭圆形对称式叶片弹簧前i层共消耗的虚拟接触压力Fi′为：Fi′=Σ2EHnba3δ(iL)3;]]>步骤4：确定半椭圆形对称式叶片弹簧的形变量；假设虚拟接触压力F满足Fi‑1′＜F＜Fi′，Fi‑1′、Fi′分别为前i层共消耗的虚拟接触压力和前i‑1层共消耗的虚拟接触压力，第i层为变形截止层，则前i‑1层的总变形量Hi‑1′为：Hi‑1′＝(i‑1)H则第i层变形量为：Hi=δ(F-Fi-1)L32Enba3]]>则软组织模型前i层的总变形量为：Hi′=Hi-1′+Hi=(i-1)H+δ(F-Fi-1)L32Enba3=(i-1)H+δL3{F-Σ2EHnba3δ[(i-1)L]3}2Enba3]]>