虚拟手术训练（通用7篇）
虚拟手术训练 篇1
0 引 言
目前,计算机虚拟手术训练系统是世界各国相关机构的研究热点,例如瑞士苏黎世理工学院(ETH)计算机视觉实验室的虚拟子宫镜系统[1],致力于子宫微创手术的训练仿真,并且设计了一组并行化的易扩展的软件系统架构[2];香港中文大学计算机系的虚拟针灸系统[3],在三维可视化中国虚拟人[4]的基础上,模拟了中国传统的针灸,同时还加入了基于机器学习的教学模块;加拿大西安大略大学机器人实验室的心脏搭桥手术计划系统[5],模拟了心脏微创手术。
在虚拟手术训练系统中,真实感是判断其优劣重要的标准。这里的真实感主要由视觉、触觉、听觉的感受而来,其中可视化场景渲染是视觉逼真度的主要提供者。本文主要研究如何基于Navier-Stokes方程的数值化实现血流效果的模拟,并且将其嵌入到一个已有的、初步成熟的虚拟手术训练系统,进一步完善其功能。
1 血流模拟的研究现状
Foster and Metaxas[6]运用粗糙的网格法离散不可压缩的Navier-Stokes方程。不过为了避免由时间步长带来的不稳定性,这种方法需要对时间步长做一定的限制,如在时间步长内流体的移动位移必须小于网格的距离,这种算法可取得每秒4帧的效果。
Stam[7]提出了一种无条件稳定的流体模拟办法,这种方法允许选择任意长度的时间步长并且使实时显示成为可能。在这种方法中,Stam运用半拉格朗日方法去解Navier-Stokes方程,为了使其遵守质量守恒定律,Stam使用Helmholtz-Hodge 分解的方法来转化速度的发散区域。
Stam的这种方法被进一步优化用于特殊应用方面。如文献[8]结合漩涡约束去减少人工数字因素的影响。其他的研究者没有使用网格的方法,而是使用粒子系统的方法来模拟液体表面和爆炸效果,从而可以进一步用动态水平集的方法去增强这种效果。
模拟流体还有一种方法是运用光滑粒子流体动力学方法(SPH)[9],不过因为要随时计算粒子的邻域和流体的速度和压力,因此如果采用标准的SPH方法即用大量粒子来模拟流体会耗费大量的计算时间,很难满足虚拟手术训练系统的实时性要求。
2 稳定的半拉格朗日方法
根据虚拟手术训练系统的要求,综合考虑了易操作、真实感、实时性等要求,我们选择了Jos Stam的基于网格的稳定半拉格朗日法。选择此方法主要基于两点:一是网格方法实现简便,算法容易理解,方便针对虚拟手术系统的特点进行必要的算法改进;二是针对本系统结构复杂,需要渲染的元素多的特点,使用粒子系统方法会增加许多不必要的开销,严重削弱系统的实时性。
2.1 Navier-Stokes方程介绍
Navier-Stokes方程实际上是一个方程组,针对不同的变量表示为不同的方程。根据假设的不同,此方程有不同的表现形式。我们假定需要模拟的流体遵循牛顿力学和不可压缩,这样Navier-Stokes方程可以写成如下形式:
undefined
undefined
其中,undefined表示流体的运动速度,ρ是流体的密度,p是压强,向量undefined是重力加速度,ν是粘度系数。式(1)是流体的动量方程,式(2)表示流体遵守质量守恒定律。
2.2 简化Navier-Stokes方程的形式
在Navier-Stokes方程中速度和压强是联系在一起的,如果将式(1)和(2)组成方程组很容易得到一个方程。按照Helmholtz-Hodge分解,可以将每个向量分解为一个标量的梯度和一个散度为零的向量之和,一般形式如下:
undefined
其中undefined是散度为零的向量,而是标量q的梯度,此时对式(3)取散度,由以上条件可知:
undefined
式(4)也被称为泊松方程,由式(3)和式(4)可得,只要知道变量q就可求出速度undefined。引进一种投影算子ρ,将向量投影为散度为零的向量undefined如式(5)所示:
undefined
将这种投影算子应用到式(1)可得:
undefined
式(6)分开了速度与压强之间的关系,速度主要是用来移动空间中的物质的,而物质的变化主要有以下传输方程决定:
undefined
方程中ρ是物体的密度的大小,κ是扩散系数,S是注入物体数量的标量。
2.3 具体算法流程
观察式(6)和式(7)可知,二者的形式十分相似,不同的是式(6)由于方程右边第一项的存在,是非线性方程,而式(7)是线性方程,因此本文首先介绍如何解式(7),然后再用类似的方法来解式(6)。
2.3.1 密度迭代解决
对于密度场,式(7)右边的三个项主导了密度的变化率。第一项传导项说明密度应该随速度场变化,第二项扩散项说明密度本身也会以某个速度扩散,最后一项添加常量。本文的算法将在每次迭代中依次解决每一项。
(1) 添加常量
这一步比较简单,首先预设出血点的位置和密度变化频率,然后将密度变化频率与时间步长相乘加到网格中相应的位置。
(2) 密度的扩散项
该项的作用是将流体密度扩散。当扩散系数k>=0时,密度会在网格中扩散。从图1可以看出,在位于(i,j)位置的网格的密度流向了相邻的四个网格,而相邻网格也有密度流入中间的网格,用式(8)可以求出经过一个时间步长dt后的中间网格的密度值:
Dundefined= Dundefined+ kdt(Dundefined+ Dundefined+ Dundefined+ Dundefined-4Dundefined)/h2 (8)
其中Dundefined表示更新后的密度值,Dundefined表示更新前的密度值。
理论上,如果对整个网格进行一次遍历,就可以得到更新后的网格的密度值,但是实际上不可行,因为当扩散系数、时间步长太大或者网格太小,导致undefined时,密度扩散变得不稳定,使得模拟失效。
Stam提出了一个解决方法:反向跟踪法,找出当前格子在dt时间之前的密度,然后再赋值回去。这时,计算的表达式如下:
Dundefined-kdt(Dundefined+ Dundefined+ Dundefined+
Dundefined-4Dundefined)/h2 = Dundefined (9)
在式(9)中,实际上不知道Dundefined中的值,只知道Dundefined中的当前值,所以需要解一个线性方程组。由于系数矩阵是稀疏矩阵,所以用简单的Gauss-Seidel迭代来解此方程组。根据试验,迭代次数为20就可以得出满意的结果。
(3) 密度的传导项
传导项就是让密度沿着速度场流动,此时同样可以运用反向跟踪法找出当前网格的密度。这里可以把密度看作“粒子”,然后按照速度的方向,把粒子移到新的位置。如图2所示。
经过-dt时间后,原来在网格中心的“粒子”回溯到之前的位置。如图3所示。
0点在另外网格的中心,经过-dt时间间隔,回到原来的位置,此时的密度可以由附近的1,2,3,4点插值而得到。由拉格朗日方法分析,同一个“粒子”携带的密度是不变的,所以可以把插值计算得到的密度设为当前格子的密度。
最后把上述三个步骤写在密度更新的函数里,伪代码如下:
Density_update:
Add_source(d,d0,dt);
Diffuse(d,d0,k,dt);
Advect(d,d0,u,v,dt);
其中d、d0分别存储更新前后的密度,u、v是水平和垂直方向的速度,k是扩散系数,dt为时间步长。
2.3.2 速度迭代解决
式(6)与式(7)具有相似形式,因此在求解速度场的时候,可以借用求解密度时的方法。不同的是要把速度分解为水平方向的分量u和垂直方向的分量v。此外由于速度是自传导,即速度在速度场上传导,因此为了保证其遵守质量守恒条件,要对速度场进行限制,即其要满足方程undefined。使用2.2节中的简化Navier-Stokes方程所使用的投影方法,然后使用在求解密度的扩散项使用的方法对算子∇2进行离散化,此时就可以利用上述求解密度时的方法求解速度。
伪代码如下:
Velocity_update:
Add_source(u,u0,dt);Add_source(v,v0,dt);
Diffuse(u,u0,visc,dt);Diffuse(v,v0,visc,dt);
Project(u,v,u0,v0);
Advect(u,u0,u0,v0,dt);Advect(v,v0,u0,v0,dt);
Project(u,v,u0,v0);
图4是算法流程图,图中上行处理速度,下行处理密度。
3 血流模拟实验
3.1 实验环境介绍
硬件开发环境CPU:Intel Xeon 5110,主频:1860MHz ,硬盘容量:160GB,内存:2GB DDR2,显卡:nVIDIA Quadro FX4500,力反馈设备:PHANTON Desktop。软件开发环境与平台无关,底层的算法采用C++ 编程实现,界面层调用wxPython提供的类库绘制窗体。医疗图像显示及其他渲染方面使用了VTK。
3.2 网格数设定
由于本文的血流渲染方法是基于网格的半拉格朗日法,所以网格数和整个渲染关系密切:网格太小表面粗糙,太大渲染时间长,每秒帧数(fps)太小。表1是对网格数进行一系列设置,寻找最适合的参数设置。效果图由图5(a)-(f)所示。
经过调试,选择网格数为100*100作为血流渲染模块的网格参数。
3.3 其它参数的设定
其它渲染相关的参数有:时间步长,扩散系数等,经过多轮的真实感测试,发现下面的系数组合能够达到最佳的真实感,由表2所示。
当然,以上参数的选择可以根据系统的要求进行调整。例如,如果想让血液扩散快,可以把扩散系数k稍微增加一点到0.0001。由于OpenGL的RGB参数范围定在 [0,1],所以上面用到的度量都相对小,特别是扩散系数和粘滞系数,每次增加、减少最好在万分之一到千分之一的量值。图6是渲染的效果图。
4 血流渲染模块集成入系统
4.1 可视化工具包VTK
VTK(Visualization Toolkit)可视化软件开发包是于1993 年利用面向对象的建模技术,设计和实现的开放三维可视化软件包。图7介绍了这种框架,图中的Source与Mapper是特殊的算法类,Source代表无输入只有输出,例如读取数据的算法,而Mapper则恰恰相反,只有输入而无输出,例如写文件算法。最后的三个类:vtkActor,vtkRenderer,vtkRenderWindow和具体的底层图形渲染库相关,如OpenGL、Mesa等,所有的图形由vtkRenderWindow显示出来。
4.2 集成的难点
开发血流模块的最终目的是在虚拟手术训练系统中进行血流的模拟,因此把独立开发的血流模块集成到系统是十分重要的一步。但是由于系统的复杂性和渲染平台的不同,模块集成到系统中主要有以下两个难点:
(1) 虚拟手术训练平台是在VTK的基础上开发出来的,而新增加的血流模块考虑到算法实现的灵活性,是用OpenGL实现的,两者不能直接混合使用。如果采用直接在VTK环境中调用OpenGL原语方法实现,则需要打破VTK已经定义好的渲染机制,不但浪费时间和精力,也会降低渲染效率。
(2) 渲染效率问题。目前系统上已经有许多需要渲染的物体,如心脏冠脉、肾脏、骨骼、体腔壁、手术器械等。这些模型每个都有数万个三角片,因此,血流渲染模块不能大幅度增加系统的渲染压力,不然会极大地降低系统的实时性。
4.3 解决方法设计
考虑到以上两个难点,本文采用了以下两个设计原则:一是在VTK的框架中设计渲染方法,使渲染一开始就按照VTK的方式进行,而不需要再对OpenGL原语进行“翻译”;二是使用尽量简单和快速的渲染方法,考虑用二维代替三维的方法来达到内窥镜视图中的血流模拟。
4.3.1 在VTK环境中渲染
根据VTK的可视化管道的概念,所有可渲染的物体在VTK都需要从Source开始构造。VTK的Source是指原始数据,有许多不同的类型,按照实现难度、可行性对它们进行比较,决定采用vtkPolyData(多边形数据)来作为Source。之后用vtkPolyData来构造一张画布(Canvas)进行模仿OpenGL原语的渲染。
由于本文的血流渲染采用的是基于网格的渲染,所以画布就是一张用vtkPolyData构成的网格,每个格子用一个小正方形代替,位置坐标和属性数据都存在小正方形的四个顶点上。这里的属性数据就是用于渲染的密度值。VTK渲染提供了颜色渐变的特性,因此在小正方形的四个顶点值不相同时,会产生过渡效果。在渲染中只要时刻改变顶点中的属性值,就可以模拟出直接设置点的颜色的OpenGL原语可以达到的效果。
构造好画布之后,根据VTK渲染流程,需要在Mapper中设定一个查找表来给出属性值到颜色和透明度值的映射关系。这个查找表采用简单的线性法则设定0到255表项来取得映射关系,值对应的范围是0到1,第0项对应值为0,第255项对应值为1,完全模拟OpenGL的设置。
4.3.2 使用最快速的渲染方法
以上本文所提到的渲染方法都是基于二维,而我们系统是建立在三维坐标上面的。虽然把二维扩展到三维从编程上来看并不困难,只需要将速度分为(u,v,w)三个方向即可,流程图依然如图8所示,但是这会极大地影响渲染速度。表3是二维和三维的每秒帧数的比较。
可以看出,在三维情况下,除了在网格数为163的情况下达到可以接受的FPS外,采用其它更高精度的网格数一般情况下根本不能渲染出来。而根据医生主要是通过内窥镜进行手术训练,三维的全景视图只是辅助这一特点,本文采用二维来模拟三维系统下的血流的方法,只在内窥镜视图中模拟血流。首先在画布上用二维坐标绘制血流,然后把三维的画布放在内窥镜镜头的焦点上,画布的法向与内窥镜镜头的方向对齐。当镜头移动时,画布跟随内窥镜移动。画布做透明值设置,这样便不会挡住内窥镜镜头,仍然可以观察其他的物体。
4.4 实验结果
在手术过程中,当操作者用手术器械切割器官时,器官表面会流出大量血液,在人体内部流动,或者小的出血点缓慢地渗出血流等。根据实际情况,运用本文的血流模块可以模拟出多个血流场景,图8(a)-(d)是血流模块集成到系统中内窥镜视野下的前后效果。
5 结 论
本文采用稳定的半拉格朗日方法,实现了血流模块的模拟,并且将血流模块集成到虚拟手术训练系统中,模拟血流在人体内部流动及肿瘤表面出血点的效果。从实验结果可以看出,血流模块的加入明显地增强了虚拟手术训练系统的真实感,为医生在此系统中进行虚拟手术操作提供了逼真的场景,可以提高医生在实际手术过程中的操作能力,缩短培养医生的周期,在实际工程中具有很大的应用潜力。
摘要：虚拟手术训练系统的血流模拟是系统中模型模拟的重要部分。实时准确的血流流动效果,可以明显地增强虚拟手术训练系统的真实感。首先基于流体力学的Navier-Stokes方程的数值化解法,模拟血流流动的效果;然后在VTK框架中进行渲染,将血流模块集成到一个已有的、初步成熟的系统中;最后通过实验,表明血流模块的加入使系统的真实感得到较好的展现。
关键词：虚拟现实,流体力学,流体渲染,粒子系统
参考文献
[1]http://www.hystsim.ethz.ch/.
[2]Tuchschmid S,Grassi M,Bachofen D,et al.A Flexible Framework forHighly-Modular Surgical Sim-ulation Systems[C]//ISBMS 2006,LNCS 4072,2006:84 92.
[3]Heng P A,Wong T T,Leung K M,et al.A Hap-tic Needle Manipula-tion Simulator for Chinese Acupuncture Learning and Training[J].In-ternational Journal of Image and Graphics,2006,6(2):205 230.
[4]Zhang S X,Heng P A,Liu Z J.Chinese Visible Human Project:thePresent and Future[J].Clinical Anatomy,2006,19(3):204 215.
[5]Chiu A M,Dey D,Drangova M,et al.Port Placement Simulation in aVirtual 3-D Thoracic Model[C].Mininally Invasive Cardiac SurgerySymposium2000,Key West,California,2006.
[6]Foster N,Metaxas D.Controllingfluidanimation[C]//Proceeding CGI’97,1997:178 188.
[7]Stam J.Stable fluids[C]//Proceedings of the 26thannual conferenceon Computer graphics and interactive techniques,ACMPress/Addison-Wesley Publishing Co.,1999:121 128.
[8]Fedkiw R,Stam J,Jensen H W.Visual simulation of smoke[C]//Procs.of ACMSIGGRAPH2001,ACMPress,2001:15 22.
[9]Robert Bridson,Matthias Muller-Fische.Fluid Simulation SIGGRAPH2007 Course Notes,2007:64 67.
虚拟现实技术在虚拟手术上的应用 篇2
虚拟现实是一种多元信息融合的新型人机交互设备, 人们可以通过人体的各种感知通道, 例如视觉, 听觉, 触觉, 甚至味觉, 嗅觉和平衡感, 超失重感, 加速度感等物理反应来感知计算机模拟的虚拟世界。目前, 虚拟现实技术已经广泛地应用于手术模拟、医学教学、心理治疗、远程医疗、辅助诊断、训练系统等方面。但是由于技术上的局限性, 这些应用多是采用一种特殊结构的简化模型, 或者是基于预处理原始图像的, 并且有些仪器设备实用性并不是太好, 所以目前为止还仍然没有一种VR系统能够完全用于具体的临床应用[3]。
本文将从四个方面来介绍虚拟现实技术在虚拟手术上的应用:虚拟手术中的技术、虚拟手术的应用、虚拟手术的发展及其前景展望。
1 虚拟手术中的技术
1.1 医学数据的可视化技术
医学体数据可视化是指利用计算机图形学和图像处理技术, 通过人机交互将医学体数据在三维空间上生成人体组织内部的复杂结构的技术, 从而使医生做出更加精确的诊断[4]。体数据的可视化基于绘制算法和分类算法, 李潞在《三维医学数据体绘制的传输函数设计方法研究》中提出了基于动态的M-|△f|统计直方图的传输函数设计, 很好的减小了CT影像中的噪声干扰。
1.2 碰撞检测技术
碰撞检测和切割操作是虚拟手术仿真最核心最基本的问题。当一个医疗设备检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时, 就认为至少有两个仪器同时在发送数据, 表明产生了碰撞。在发生碰撞的时候, 传输信号产生了严重的失真, 无法从中恢复出有用的信息来。每一个正在发送数据的设备, 一旦发现产生了碰撞, 就立即停止发送, 以免浪费资源, 等待一段时间后再次发送。检测是否有碰撞发生并且精确计算出碰撞发生的位置是虚拟环境中碰撞检测的具体实现。
2 虚拟手术的应用
2.1 微创手术
1987年法国医生Mouret偶然完成的第一例LC标志着新的医学里程碑的诞生。微创概念由此形成。微创的发展是基于整个医学模式的进步, 是在“整体”治疗观带动下产生的。微创手术创伤小、疼痛轻、恢复快, 住院时间短, 出血量少的优越性实现了每个需要手术的病人的梦想。
随着科学技术的发展进步, “微创”监控系统从早期的内窥镜变成了采用介入的方式, 如脊柱外科、胆道、骨科。20世纪90年代末研究出了导航系统这种新技术, 在导航系统的辅助下, 手术准确率大大提高, 使患者的生命安全得以保障, 减少了并发症及后遗症的出现。
目前, 越来越多的传统手术已经获得了革命性的成功, 包括胆囊切除术、前列腺切除术、阑尾切除术、子宫切除术、肾切除术、冠状动脉旁路移植术等。
3 虚拟手术的发展
随着科学技术的发展, 最初的计算机辅助手术系统已经发展的比较成熟, 由原来的导航、观摩形式, 发展成为具有可操作、可交互的虚拟手术仿真系统。我国研究方向大多集中在三维仿真、三维绘制以及软组织模拟等。上海交通大学Med-X研究院着重进行了手术导航和虚拟手术系统的研发, 并且在理论研究领域上积累了一定的成果与经验。中科院自主开发的MITK类库 (Medical Imaging Tool Kit) , 已经成为国内医学手术领域的优秀软件工具。
4 总结与展望
4.1 总结
本文围绕虚拟现实技术在虚拟手术上的应用这一主题, 分别从虚拟手术中的技术, 虚拟手术的应用, 虚拟手术的发展及其未来展望四个方面进行了介绍, 从而得出结论:在医疗手术的各个领域应用虚拟现实技术, 可以节省大量的时间与资源, 为救死扶伤事业提供了更完善, 更安全的医疗服务体系。
4.2 展望
VR技术是多学科多领域互相交叉, 渗透, 融合的产物, 其在虚拟手术上应用的终极目标是完善医学实践体系。未来可以利用虚拟现实技术的数据可视化技术模拟社区卫生服务网络, 使社区卫生服务机构与城市医院协调发展, 以此实现医疗资源配置的需要;再者, 随着社会的不断发展, 运用“互联网”思维, 基于云计算、大数据等新兴信息技术, 将互联网与传统医疗服务业结合起来, 将虚拟手术推广发展到更多的临床手术中, 节省人力物力, 减少手术过程中的失误和意外。虚拟现实技术在虚拟手术及其他医学方面将会启着越来越重要的作用。
摘要：虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统, 作为一门新兴学科, 其在医学领域的应用前景令人瞩目, 现已在医学应用上具有十分重要的现实意义。本文首先简单介绍了虚拟现实技术的产生与发展, 然后详述了虚拟现实技术在虚拟手术上的应用及其所用到的技术方法, 最后总结了虚拟现实技术在虚拟手术上的发展, 并对其今后的发展做出了展望。
关键词：虚拟现实,虚拟手术,数据可视化,碰撞检测技术,微创手术
参考文献
[1]邹湘军, 孙健, 何汉武, 等.虚拟现实技术的演变发展与展望[J].系统仿真学报, 2004, 16 (9) :1905-1909.
[2]郭燕舞, 柯以锉, 杨志林, 等.虚拟影像术前计划系统在神经外科的临床应用研究[J].中华神经医学杂志, 2005, 4 (12) :1222-1224.
[3]左玲燕, 杨鹏.虚拟现实技术在医学上的应用[J].医学信息:医学与计算机应用, 2002 (5) , 15 (5) :260-261.
虚拟手术仿真系统关键技术的研究 篇3
1.1 医学数据处理
主要包括数据存取数据预处理。对于医学仿真系统来说, 医学数据存取I/O模块是进一步数据处理的基础。I/O模块需要对常见的医学图像种类提供存取和显示功能。在I/O模块存取医学图像之后需要对原始图像中感兴趣的部分进行提取和数据预处理, 然后才能进行下一步的三维重建和可视化处理。这里需要一些预处理技术, 比如图像增强、边界提取、分割和配准等等。Insight Segmentation and Registration Toolkit (ITK) [2], 是一个开源软件系统, 广泛的用于医学图像数据集的分割和配准。
1.2 三维重建
经过数据预处理阶段以后, 需要进行进行三维体数据可视化。最常用的绘制技术包括面绘制和体绘制。面绘制根据采样值的分布变化确定物体的边界, 然后用适当的数学方法描述物体表面, 进而表现器官和软组织表面特征。体绘制在不构造物体表面几何描述的情况下, 直接对体数据进行显示, 可以不同的程度表现物体的细微结构变化[3,4]。面绘制通常比体绘制速度要快, 但需要避免出现一些绘制错误的发生。常用的算法是移动立方体Marching Cubes[5]及其变形。Visualization Toolkit (VTK) [6]是一个常用的三维数据可视化显示的开源工具库。
1.3 变形模型
仿真的真实感很大程度上取决于仿真的准确性和变形模型下的计算效率。变形模型应该能够准确的模拟器官和软组织被刺戳、拉伸、切割时引起的形变, 并在绘制的时候保持必要的实时性。物理模型能够体现物理的材料特性。在手术仿真中, 质点弹簧模型和有限元模型是最经常使用的两种三算法。离散的质点弹簧模型计算复杂度低且易于实现。有限元模型对连续特征进行严格的数学分析来进行机械建模, 从而得到了较好的仿真精度, 但是会产生较大的计算量。
1.4 碰撞检测
在手术仿真过程中, 虚拟手术器械和虚拟器官之间的碰撞检测至关重要。层次包围盒方法经常用于碰撞检测, 包括沿坐标轴的包围盒 (AABB) 、包围球 (SBB) 、方向包围盒 (OBB) 等。为了保证碰撞检测的实时性和精确性, 在此可以考虑采用混合模型算法, 将OBB和AABB结合起来发挥各自不同的优点。AABB首先用来初步检测碰撞是否发生, 如果发生了碰撞再用OBB进行精确检测。否则, 在采用OBB算法之前碰撞检测结束。
1.5 虚拟切割
在仿真手术过程中, 对虚拟手术刀、超声波刀这些虚拟手术器械的使用无疑将会对医科学生或者新医师在今后实际手术操作中起到极大的帮助作用。通常虚拟切割分为累进切割和非累进切割两种。非累进切割在手术刀切割并离开伤口后才将伤口割开, 而在从开始切割到手术刀离开之前的过程中不显示伤口被且隔开的效果。所以在手术刀运动位置和切割效果之间产生了一个较为明显的延迟。累进切割解决了这个延迟的产生, 它在切割过程中实时的显示出伤口切开的效果。但是也随之增加了时间复杂度和对临时分割的存储管理的复杂度。将累进切割和非累进切割结合起来发挥它们各自的优势, 将会成为设计虚拟切割算法的一个不错的选择。
1.6 触觉反馈
同任意物体的触觉交互是手术仿真的一个不可或缺的基本功能。通过触觉反馈界面, 训练者可以在手术仿真过程中感觉到接触或者力反馈的效果。这样, 训练者就会在一个由计算机和专业设备搭建的虚拟手术环境中体会到了同真实手术一样的触觉效果。目前, 触觉反馈设备已经用来进行更真实和实时的模拟操作。VR系统中常用的触觉反馈设备有Sensable公司的PHAN-TOM和3Dimmersion公司的CyberForce等等。通常, 采用PHANTOM设备, 和其提供的GHOST API来产生对三维可变形器官和软组织的切割产生的触觉反馈效果, 这样的设备能提供1kHz的触觉反馈更新输出。
1.7 仿真内核
在手术仿真过程中, 各种任务将协同工作, 仿真内核在其中起到了一个控制中心的作用。仿真内核的主要作用包括任务调度、协调交互操作、模块之间的交流信息分发以及资源配置管理等等。这些需要建立执行顺序、各个模块之间的同步和连接并且需要明确制定出模块间的接口。
2 总结和展望
准确性和实时性是虚拟手术系统至关重要的性能指标, 良好的系统架构和功能模块的设计将为此提供必要的保障。最后设计的测试计划, 将从系统的可用性和效果进行评价。进一步的系统开发是我们接下来的工作, 我们相信虚拟手术必将会为外科手术训练和制定术前计划提供积极的帮助作用。
参考文献
[1]Lange T, Indelicato DJ, and Rosen JM.Virtual reality in surgical training[M].Surg Oncol Clin N Amer, Jan2000, 9 (1) :61～79.
[2]ITK insight segmentation and regis-tration toolkit.[Online].Available:h t t p://w w w.i t k.o r g/
[3]Levoy M.Display of surfaces from volume data[J].IEEE Computer Graphics and Applications, 8[3], May1988:29～37.
[4]Westover LA.Footprint evaluation for volume rendering[J].ACM SIGGRAPH Computer Graphics, 24[4], 1990:367～376.
[5]LORENSEN W.E., and CLINE H.E.Marching cubes:A high resolution3d surface construction algorithm:Proc of SIGGRAPH'87[C], ACM Press, 21 (4) , July1987:163～169.
颌面部虚拟手术平台的建立 篇4
1 材料与方法
1.1 软件
Mimics是比利时Materialise公司开发的交互式医学图像控制系统。Mimics是一个三维图像生成和编辑处理软件, 能够对输入的CT、MRI等扫描数据进行三维重建, 输出CAD、FEA、RP等所需要的格式。
1.2 数据获取及三维重建
使用Toshiba公司的Aquilion 64排螺旋CT机, 扫描电压为120kV, 电流为350mA, 扫描层厚为1mm, 无间隔连续扫描, 获取颌面部二维断层扫描图像并以DICOM格式存储。
使用Mimics提供的thresholding功能选取骨骼部分并存于蒙罩中, 利用区域增长功能 (Region growing) 分割要重建的组织。对产生的多个蒙罩进行选取, 使用三维计算功能对所选取的蒙罩进行三维计算, 生成颌面部骨骼三维模型。
1.3 手术模拟
重建颌面部三维模型后, 可以在模型上模拟手术切割。使用Simulation模块的多平面 (Polyplane) 切割功能, 对待切割部位进行切割模拟及手术路线的制定。可以使用此功能多次进行切割, 并旋转模型进行多角度的观察, 直至得到满意的切割路径。通过Split功能可以将切割部分分离出来, 并用不同颜色在三维模型中呈现, 也可以对切割部分单独显示, 并进行旋转, 从多角度进行观察。使用测量和分析功能对手术部位的距离、角度等进行测量及适当调整, 再通过重定位功能模拟复位手术操作。可以将颌面部及手术切割部分以STL文件格式输出, 做进一步的个性化植入体的设计。
2 结果
本研究使用Mimics软件对颌面部多层螺旋CT断层扫描的图像数据进行三维重建, 获得个性化颌面部三维模型。借助Mimics软件的模拟功能对所创建的三维模型进行切割、测量、分析及重定位等操作, 实现了手术模拟及手术方案制定, 为临床医生的手前计划及手术治疗提供方便及依据。见图1-4。
3 讨论
由于颌面部解剖结构复杂精细, 治疗过程和治疗目的涉及整形美容, 颌面外科治疗必须完成准确的术前预测设计和精确的术中定位操作, 通过三维可视化技术, 外科医生能应用逼真的三维可视图像对人体解剖结构从任意角度进行观察、术前模拟、术中导向和术后评价, 从而使外科手术更趋于精确和微创[2]。
虚拟手术过程可以直观、形象地展示手术主要步骤和关键技术, 使术者对手术过程、可能并发损伤、术后效果有进一步了解, 有利于提高手术精度、速度, 缩短手术时间, 减少并发损伤, 便于术式学习与交流[3]。2008年, 扈延龄[4]等用Mimics软件对8例髋臼骨折进行术前虚拟手术设计, 与术中实际情况基本相符。2008年, 李景欣[5]等对强直性脊柱炎后凸畸形截骨矫正手术进行仿真模拟设计, 其方法能比较直观、精确反映矫形效果, 可为制定手术方案提供较科学的依据。2009年, 尹知训[3]等运用Mimics软件在个人电脑上进行了胸腰椎骨折复位、经皮椎弓根植骨的计算机辅助个体化术前计划和模拟手术, 对临床有一定的指导意义。2009年, 汪海洋[6]等用Mimics对81例骨关节CT数据进行处理、分析, 评估骨科伤痛细节, 模拟骨折复位及固定、模拟截骨、用于术前讨论、术前医患沟通等, 效果良好。
虽然专业的模拟手术系统、手术导航系统均有术前计划和模拟手术模块, 但只能在工作站运行, 仅适用于特定的手术, 难于推广[3]。本研究在PC机上使用逆向工程软件Mimics对所重建的颌面部三维模型进行分割、测量、定位等操作, 获得手术所需的重要参考数据, 并可以模拟手术过程, 为术前规划及手术方案的制定提供重要依据, 同时可以为临床医生及实习医生提供手术训练的平台, 通过手术模拟提高手术技能, 积累手术经验。
参考文献
[1]米那瓦尔.阿不都热依木.计算机辅助颌面外科手术患者的面部软组织有限元模型研究[D].新疆:新疆医科大学, 2008.
[2]张诗雷, 张志愿, 沈国芳.基于CT的三维正颌手术仿真模拟平台的建立[J].中国口腔颌面外科杂志, 2004, 2 (2) :95-98.
[3]尹知训, 丁红梅, 白波, 等.经皮椎弓根植骨计算机辅助术前计划与模拟手术[J].中国组织工程研究与临床康复, 2009, 13 (17) :3247-3250.
[4]扈延龄, 金丹, 苏秀云, 等.基于三维CT数据的髋臼骨折计算机辅助虚拟手术设计[J].中华创伤骨科杂志, 2008, 10 (2) :135-137.
[5]李景欣, 瞿东滨, 王博亮, 等.计算机辅助设计在强直性脊柱炎后凸畸形矫形手术中的应用[J].中国临床解剖学杂志, 2008, 26 (6) :619-623.
将虚拟训练引入实践教学研究 篇5
一、开展虚拟训练的优点
1.虚拟训练费用低效率高
开展虚拟训练无需动用实装, 无需专业保障人员, 无需到实际训练场地。不受人员、天气、场地、装备的限制, 在低消耗的条件下可同时满足多人不同任务的训练。
2.虚拟训练即安全又环保
开展虚拟训练不存在实装训练人员、装备的安全损伤问题, 没有实际操作中产生的大量噪音、油污、废气等对人员的危害和对环境的污染, 大大减少了训练占用或毁坏的设备工具。
3.虚拟训练质量高效果好
虚拟训练能根据实际情况有针对性的提高操作人员技术上的不足, 严格检验操作步骤、方法、注意事项和有关安全规定, 与实装训练配合可以形成优势互补, 实现理想的教学效果。
二、虚拟训练系统的选择
目前的虚拟训练系统按照选用的软硬件设备和沉浸感的不同可分为贵族式和平民式两种。贵族式需配备头盔显示器、三维鼠标、力回馈器等高档外设, 用户操作的沉浸感好, 但价格昂贵, 技术上还不完善。平民式使用传统外设, 主要依靠软件来实现相关功能, 沉浸感不足但比较经济, 易得到普及。
显然, 在目前的条件下平民式桌面化的虚拟现实训练系统有其独特的优点。一方面, 它体积小、费用低、运行可靠, 对用户的负担小, 易于被接受;另一方面, 随着PC机性能的快速提高, 在沉浸效果和交互的实时性上有较大的提升空间, 有利于利用现有资源, 并易于与实装训练配合, 比较符合我们目前装备配备的现状。
三、开发桌面式虚拟训练系统应注意的问题
一个平民式桌面化的虚拟训练系统开发, 主要应注意好两个方面的内容:一个是装备基础模型的建立, 另外一个是人机交互仿真的控制。
1.装备基础模型的建立
三维模型是整个虚拟训练系统的前提和基础, 对于一些复杂装备, 利用3D软件在建模之初就要做好系统规划, 分解好建模任务。建模主要是实体造型, 为满足仿真实时性和逼真性的需求, 建立的模型必须具备合适的多边形数目, 能够支持实时仿真;能够保持装备的基本层次结构和装配关系。
2.人机交互仿真的控制
如果系统任务模型是由操作步骤组成, 那么必须细致综合考虑受训人员接受装备保障知识的认知过程、操作时的交互类型、交互方式和操作反馈等因素与基础模式的约束关系, 防止在封装时受到这些约束的限制。另外必须合理而又巧妙地应用操作反馈, 这样才能提高操作训练内容的交互性。
四、将虚拟训练引入实践教学的经验做法
1.虚实结合优势互补
在实践教学中将虚拟训练与实装训练有机结合, 充分发挥虚拟训练重复性强、实装训练直观性好的优点, 实现虚拟训练多练实装训练精练的目标。使虚拟训练与实装训练相互补充, 相互促进, 克服各自缺点, 发挥各自优势, 实现一次实习操作达到多次实习操作的效果。
2.从实际出发合理建设
根据不同专业特点, 从实际出发, 开发优质高效虚拟训练系统, 科学筹划好硬件条件建设和开展虚拟训练所需人才的培养。理清建设思路, 确保正确方向, 力求即能满足眼前现实需要又能满足未来发展需要, 使引入虚拟训练后的实践教学具备高效顺畅的外部环境和人员保证。
3.加强配套制度建设
要想让引入虚拟训练后的实践教学运转顺畅必须有一套科学合理行之有效的规章制度和规定要求作保障。因此必须对原有实践教学规章制度和规定要求进行调整删减, 建立和补充适合虚拟训练的规章制度和规定要求, 并形成完整的制度体系。
4.进行试点及时总结
将虚拟训练手段引入实践教学的应用和铺开必须遵循教学改革的一般规律, 从实际出发、因地制宜, 先调查研究摸清情况, 开展试点建设工作。在试点建设和运行的基础上是查找问题, 总结经验, 不断调整和更正建设偏差和失误;避免盲目建设, 造成人力物力财力的浪费。
参考文献
[1]申蔚, 夏立友.虚拟现实技术[M].北京:北京希望电子出版社, 2002.
柴油机虚拟维修训练系统的设计 篇6
关键词：虚拟维修,碰撞检测,人机交互,柴油机
0引言
柴油机具有大功率、轻质量、低油耗等优点, 广泛应用于现代工程装备中。但因柴油机价格昂贵、结构复杂、维修保障技术难度大, 对维修保障人员的技能提出了高的要求。长期以来, 工程装备的维修训练通常是以实物与挂图、录像、三维动画和多媒体软件相结合的方式进行的。由于受到人力、财力、装备资源等因素的限制, 很难达到理想的训练效果。
日益成熟的虚拟现实技术为上述问题提供了很好的解决方法[1]。虚拟维修训练系统对柴油机的维修保养过程进行了仿真, 参训人员可以沉浸在虚拟环境中进行训练, 加深了对装备维修训练的准确理解和直观的感觉。
1 系统功能结构组成
充分分析用户要求以及结合日常维修训练的实际情况, 该系统设计开发了数字虚拟样机、虚拟训练场景与训练工具、仿真训练模块、训练数据库、考核评价系统以及系统提示帮助等内容。该系统结构组成如图1所示。
2 系统关键技术
2. 1 三维模型的建立
三维模型的构建是虚拟维修训练系统的基础和关键, 模型的品质直接影响训练的效果。由于柴油机结构复杂, 需要采用综合建模法完成三维模型的构建。对于外形规则的实体模型采用CAD建立模型, 对于不规则复杂零件需要采用3DSMAX建模。柴油机的曲面零件可以应用NURBS曲面建模法, 创建出平 滑过渡逼 真的模型[2]。NURBS曲面方程有多种表达方式, 一张k×2次NURBS曲面表达式如下[3]:
式中: di, j (i= 0, 1, …, m;j=0, 1, …, n) 是控制点阵列, wi, j为与顶点di, j联系的权因子, Ni, j (u) Nj, l (v) 分别为u方向k次和v方向l次规范B样条基。分别由u向和v向的节点矢量U=[u0, u1, K, um-k+1] 与V =[v0, v1, K, vn-l+1]按德布尔递推公式决定。
NURBS复合曲面建模流程如图2所示[4]。
2. 2 训练仿真
a) 碰撞检测
为了防止参训人员在工具和零件拾取、虚拟拆装、视角转换等过程中出现不同空间位置的实体之间发生穿越现象, 必须在虚拟训练场景中体现实际维修操作中的碰撞现象。碰撞问题涉及碰撞检测和响应两个方面。现有的碰撞检测算法主要有层次包围盒法和空间分解法两类。由于柴油机结构复杂、零部件多且形状不规则, 故无法应用空间分解法进行碰撞检测, 而只能应用层次包围盒法。
层次包围盒法的核心思想是利用几何特性简单而体积略大的包围盒, 近似地描述复杂的几何对象, 从而只需对包围盒重叠的对象进行进一步的相交测试。并且通过构造树状层次结构来逼近对象的几何模型, 通过包围盒的快速相交测试来及早地排除明显不可能相交的基本几何元素对, 快速剔除不发生碰撞的元素, 减少大量不必要的相交测试, 可加快碰撞检测速度, 提高碰撞检测效率。复杂的虚拟环境下, 基于层次包围盒的碰撞检测的代价函数为:
式中: Ttotal为一对几何体相交测试的总代价; Nb为参与相交测试的包围盒对的个数; Np为参与相交测试的基本几何元素对的个数; Nu为包围对象移动后需要更新节点的包围盒个数; Cb为一对包围盒相交测试的代价; Cp为一对基本几何元素相交测试的代价; Cu为更新一个这样的包围盒所需要的代价; Cd为当对象发生变形后更新包围盒树所需的代价。
EON软件提供了较好的基于CMLabs Vortex力学引擎的碰撞检测系统, 通过Collision Node碰撞检测节点和碰撞检测元件的属性及参数的设置, 可实现碰撞检测功能。以汽缸盖螺栓装配为例, 基本步骤如下: 1) 将碰撞节点Collision放置在汽缸盖的框架节点下; 2) 打开碰撞节点属性对话框并选中Move back collided objects选项, 当螺栓与父节点发生碰撞时, 触发碰撞节点。3) 将螺栓组插入collision Objects文件夹中。无论是因物体大小改变还是运动产生的碰撞, 都会停止在碰撞位置。
b) 人机交互
人机交互技术是虚拟维修训练的关键技术, 交互技术品质直接影响到参训人员的训练效果。人机交互通过各种外接设备让受训者与虚拟仿真场景中的虚拟模型发生逻辑的交互关系, 实现对虚拟模型的操作[5]。
柴油机维修训练系统属于桌面式虚拟训练, 参训人员可通过鼠标和键盘的操作实现与虚拟环境的交互, 比如视角观测、拆装训练、维修保养和训练考核等。以维修过程中使用测量工具的方法为例, 其实现方法如下: 1) 将鼠标传感器节点 ( Mouse Sensor) 节点和Drag Drop节点放置在工具模型的框架节点下; 2) Mouse Sensor节点输出域中的n Curor Position项连接到Drag Drop节点输入域中, 接收鼠标传感器传来的指令; 3) 通过鼠标拖动测量工具达到指定位置对部件进行测量。
c) 训练评估
为了保证参训人员的训练品质, 获得可信的测试评价结果, 提高参训人员的训练真实性和高效性, 系统设立了训练考核评价。柴油机维修训练考核评价体系是一个具有众多离散空间点的复杂体系, 包含很多不确定模糊变量因素。为了较准确地评定维修训练品质, 选取了模糊综合评判法。
1) 评定指标的确定
柴油机虚拟维修训练系统中, 根据训练要求设定了故障分析、故障定位、测量维修工具使用以及关键操作等评定指标。
2) 建立评定等级集
根据训练要求系统建立了柴油机考核评价模糊集合U={u1u2u3u4} , 即将考核成绩分为优秀、良好、合格、不合格4个等级。将每项考核指标的评估界限 [0, 100] 划分成4个区间[100, 90] , [90, 80] , [80, 60] , [60, 0] 。
3) 各因素的权重
为了反映各因素的重要程度, 对每个评定指标分配相应的权数x1、x2、x3、x4, 且满足定义权集为 X= (x1、x2、x3、x4) 。
4) 模糊综合判断矩阵
第i个指标对各个评语的隶属度为U上的模糊子集:
各指标的模糊综合判断矩阵为:
5) 综合评价
权重集与模糊综合判断矩阵的成绩为综合评判结果:
假如参训人员在虚拟维修训练中4个评价指标成绩为[89 93 84 78] , 经过模糊 评判归一 化后得B =[0. 1782 0. 4702 0. 3214 0. 0303] 。根据最大隶属原则, 可知参训人员的综合评定结果为良好。
3 系统实现
虚拟维修训练系统采用EON Studio软件平台对虚拟训练部分进行设计开发, 然后利用Delphi进行二次的程序开发整合。通过在Delphi软件中安装Eon X插件, 可实现对EON虚拟仿真模块的调用和控制, 增加了人机交互的深度, 拓展了交互的范围。经过实际应用测试, 系统运行良好, 维修训练系统功能界面如图3所示。
4 结语
本文对柴油机维修训练中三维模型的构建、拆装碰撞检测、人机交互和系统考核评价等关键技术进行研究分析, 并结合EON虚拟软件平台研发了柴油机虚拟维修训练系统。该系统有效地解决了因维修费用、训练场地及人力资源等限制维修训练的不利因素, 为今后高效率低成本的装备维修训练提供了良好的参考, 具有显著社会和经济效益。
参考文献
[1]张琦, 张云仲, 苏凡囤, 等.推土机保障虚拟训练系统的设计与实现[J].中国工程机械学报, 2012, 10 (1) :99-104.
[2]储伟俊, 孙家根, 杨晓强, 等.液压挖掘机三维建模与作业过程动态模拟[J].计算机辅助设计与图形学学报, 2004, 16 (5) :724-726.
[3]刘晓东, 曹云飞, 刘国荣, 等.基于NURBS曲面的水稻叶形态建模[J].微电子学与计算机, 2004, 21 (9) :117-119.
[4]焦玉民, 张琦, 屈宏伟, 等.虚拟维修技术研究与展望[J].中国工程机械学报, 2011, 9 (3) :359-366.
[5]郝建平.虚拟维修仿真理论与技术[M].北京:国防工业出版社, 2008.
[6]赵鸿飞, 张琦, 苏凡囤, 等.桌面式虚拟装配训练评价系统设计与实现究[J].解放军理工大学学报 (自然科学版) , 2012, 13 (6) :658-663.
[7]焦玉民, 王强, 苏凡囤, 等.面向过程的虚拟训练动态评价方法研究[J].兵工学报, 2012, 33 (7) :875-880.
[8]杨晓文, 韩燮.虚拟维修训练系统关键技术研究与应用[J].计算机应用与软件, 2013, 30 (5) :208-210.
虚拟手术训练 篇7
快速而精确的碰撞检测及软组织形变是虚拟现实中重要的、富有挑战的研究课题之一。在虚拟手术系统中, 为了给训练者提供精确的力反馈以及沉浸感, 碰撞检测模块必须能够把手术器械和人体软组织的碰撞的结果准确而又实时地传递给力反馈设备, 并将其形变输出至显示界面中。近几年来, 随着虚拟现实技术和分布式仿真技术的兴起, 碰撞检测及形变问题成为一个研究的热点。
在过去的几十年中, 碰撞检测取得了很大的进步, 形成了一些较为成熟的技术和算法[1]。在这些算法中, 层次包围盒的应用比较广泛。尽管在碰撞检测领域国内外学者做了大量的工作, 但是这些科研工作大部分都集中于解决虚拟场景中刚体之间的碰撞检测。相对于刚体对象, 变形对象表现在组成软体对象的顶点之间的相对位置发生变化, 但对于软体对象, 适用于刚体的碰撞检测算法将不能直接应用。并且随着计算机硬件处理能力的不断增强, 对处理复杂场景以及细节渲染方面提出了更高的要求。其中的一点就表现在当虚拟场景中包含变形对象时, 例如人体的软组织。目前, 物体建模的典型方法有质点弹簧模型和有限元方法。有限元模型与其它模型相比, 属于数学物理问题中的偏微分方程数值分析求解方法, 对可变形物体的物理形变建模有着很高的精确性, 使得求解结果更接近于真实物理现象。本文就是在这样一个指导思想下, 对虚拟手术仿真中的碰撞检测及弹性形变进行了研究。
1虚拟手术仿真系统的结构
1.1基于力反馈的虚拟手术仿真系统的结构
基于力反馈的虚拟手术仿真系统结构如图1所示。
从整体看, 系统是一个大循环, 当单自由度力反馈机械手提供一个新的坐标位置 (x, y, z) 时, 通过数据采集卡采集的位置信息传输到碰撞检测模块, 碰撞检测模型会检测出手术器械和可变形体是否发生了碰撞及碰撞位置坐标 (x, y, z) ;然后将位置信息提交给反馈力计算模块和软组织形变计算模块;反馈力计算模块将计算出的力传输到机械手驱动控制电路以驱动单自由度力反馈机械手;软组织形变计算模型将变形体重绘并显示到显示设备上。
1.2单自由度力反馈机械手
单自由度力反馈机械手由1—机械臂, 2—力矩电机, 3—位置传感器, 4—力传感器, 5—电机支撑盘和6—底盘等组成, 如图2所示。
单自由度力反馈机械臂采用硬质铝加工而成, 有效长度为270 mm, 机械手臂的非弹性部分采用框架结构;伺服系统采用的是北京勇光高特微电机有限公司生产的LY系列稀土永磁直流力矩电动机 (型号110LY53) , 其主要指标如下:最大空载转速400 r/min, 峰值堵转时力矩大于等于2.45 N·m, 电压27 V, 电流3.08 A, 功率83.16 W;位置传感器是便于安装的滑动电阻器式角位置传感器。力传感器是北京鸿基点科技发展有限公司的BK5B型负荷传感器, 精度为0.1%。电机支承盘及底盘都是由铝加工而成, 从而减轻了整个系统的重量, 其中的支柱选用45钢。
2计算与显示设备
2.1碰撞检测
虚拟场景中两个或两个以上物体的碰撞检测是虚拟现实系统中经常遇到的一类问题。目前, 碰撞检测中最常用的方法是使用层次包围盒, 采用包围盒进行碰撞检测的最大好处是可以实现快速的碰撞检测。本文选用了计算量小、实时性高的AABB包围盒方法来解决肝脏和手术器械模型的碰撞检测计算。算法的核心思想如下:首先对模型中每个三角面片构造AABB包围盒, 然后采用自底相上的方式构造整个模型的包围树。最后对人体器官模型和手术器械模型的AABB包围盒进行碰撞检测, 以提取碰撞区域。再对重叠区域的进行检测并进行相交测试, 这样就可以计算出对象的碰撞位置。主要程序如下:
判断盒子是否相交, 如果相交则返回真
2.2有限元形变
2.2.1 有限元模型
有限元模型解算方法具有较好的可伸缩性, 即使用同样的网格, 可以很方便地控制计算地复杂程度和精度。但是, 有限元最大地问题时计算复杂度非常高, 尤其是当几何模型很精细时, 网格结点数非常高。为了达到虚拟手术所要求地实时交互性, 人们通常采用线性弹性理论与有限元结合起来, 通过求解线性弹性公式得到模型地全局变形。大量关于柔性体建模的研究极大的推动了计算机动画、外科手术仿真及其其它领域的进程。常用的柔性模型的建模的建立方法有:有限元法、边界元法、长单元法、质量弹簧模型等。
2.2.2 线弹性有限元模型[2]
有限元法被越来越多地应用到求解可变形体地变形问题。本文采用经典的有限元法, 将弹性体Ω分解为一定数量的小四面体Ωe, 这样线弹性模型的问题就分解成为由四面体单元组成的有限元问题。将弹性体受到的外力分解到每个四面体上fβ, 则平衡方程为:
0=∫Ωe∫BeT∫DBeTuedx-fβ (1)
其中D, Be是与弹性体的材质有关的常数, 式 (1) 可改写成:
Keue=fβ (2)
(2) 式中, 叫做单元刚度矩阵, Ve是四面体单元的体积。将四面体单元刚度矩阵整合候, 线弹性模型的问题就变成求解线性系统KU=F, 当弹性体的拓扑结构没有发生变化时, 弹性体中节点的位移U可由 (3) 式计算。
U=K-1F (3)
2.3力反馈模型
软组织通常表现出不均匀性、各向异性、准不可压缩性、非线性-塑性-粘弹性等材料性质, 近年来研究较多的软组织插针实验结果表明, 动物体软组织插针交互力具有非常明显的非线性。医用插针与器官组织的主要作用力还是惯性力、摩擦力和弹性力。当器械作用力方向与器官表面法向之间存在倾角时, 其受力为弹性力和表面摩擦力, 而当刺穿表面胶囊 (膜) 进入组织后受到的主要是摩擦力。文献[3]给出了实际活体实验受力数据, Barbe采用该数据并在文献[4]基础上研究得出了经实际活体实验受力曲线而拟和 (或辨识) 的动力学模型为:
(4)
(4) 式中:d0是针插猪肝的起始位置, 为一常数;d1是针刺破猪肝膜的位置。参数是与软组织机械特性有关的常数。经辨识结果如下:
[f0;a0;b0;d0]=[0.2;0.121;-0.098;
11.45],
[f1;a1;b1;d1]=[-3.39;-0.031;1.7;
19.65]。
2.4有限元仿真
选择SOLID92单元, 为有10个节点的三维实体模型, x, y, z三个方向的自由度。设置弹性模量Ex=2 000, 泊松系数为0.3。选择球形区域作为软组织的一部分, 对此区域进行网格划分, 取网格幅度为0.1, 划分之后的区域变为如图4所示。
约束条件为;对上述区域的左边施加全自由度限制的约束, 大小为0;施加外力:大小和方向固定的一集中作用力, 施加外力的位置为节点38, 方向为x轴负方向;显示形变模型如图5所示。
形变位移与施加外力得关系曲线如图6所示:施加得外力与动力学模型相一致, 仿真过程施加得作用力也分情况讨论。插针位移大小决定外力的方程的形式。在仿真前已经假定软组织为一线弹性模型, 得到得关系曲线也应为一线性分段曲线, 仿真结果与理论结果相一致。
(X轴为形变位移, Y轴为外加荷载)
3实验仿真
本实验系统采用的硬件为PC机 (PC2.66, 256M内存) , 软件:WINDOWS XP操作系统, OpenGL, VisualC++6.0, ansys8.0, 3Ds Max。利用建模软件3Ds Max和OpenGL进行虚拟设备建模和场景融合, 并且利用人体肝脏的线弹性有限元模型, 使用非线性力反馈模型仿真了软组织对手术器械的反馈力, 对其进行仿真。实验照片中左边为虚拟环境, 右边为力反馈装置。如图7所示。
4结论
虚拟手术仿真是培训医生的有效手段, 也是虚拟现实应用中较难的技术之一。本文设计了一套用于外科医生手术仿真训练的具有实时力反馈的虚拟手术仿真系统, 先根据碰撞点的位置将力作用在节点上, 计算整体位移后, 根据节点变形产生的反馈力反馈到手术器械上 (如针) 。无论在视觉还是在力觉上, 都能够使操作者体验到真实的感觉, 得到比较满意的结果。
摘要：设计了一套用于外科医生手术仿真训练的具有实时力反馈的虚拟手术仿真系统。阐述了反馈设备通过带有力/位置传感器的单自由度的机械手和电机控制电路实现实时模拟手术仿真的位置采集和力反馈功能。通过碰撞检测、非线性力反馈计算和软组织形变计算等算法实现逼真的视觉反馈功能。仿真实验表明该系统提供了实时的视觉反馈, 具有很强的真实感。
关键词：虚拟手术,力反馈,碰撞检测,有限元
参考文献
[1]高玉琴, 云峰, 俊清.改进的基于AABB包围盒的碰撞检测算法.计算机工程与设计, 2007;28 (6) :3815—3817
[2]李振明, 贾世宇, 潘振宽.基于非线性力反馈模型的软组织变形仿真.计算机仿真, 2007;24 (1) :225—229
[3] Maurin B.In vivo study of forces during needle insertions.Proceed-ings of Medical Robotics.2004