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本文主要针对虚拟手术中的一个重点问题,缝合模拟进行了研究。主要是针对了缝合模拟中的三个主要难点:(1)缝合中的打结模拟,(2)缝合中真实合理的力反馈模拟,以及(3)缝合模拟的视觉真实感,一一进行了攻破。本文采用了弹簧模型对缝合线进行建模,并用于缝合线运动轨迹跟踪,但是摒弃了直接使用弹簧模型模拟打结过程与模拟软组织交互过程的方法。采用了受力分析的方法模拟了打结过程,及采用了控制点结合受力分析的方法模拟了缝合过程,控制点主导了缝合过程中缝合线与软组织的交互行为,同时通过控制点计算出真实合理的反馈力反馈给用户。相对于传统的仅仅使用弹簧模型或者仅仅使用控制点跟踪的进行缝合模拟的方法,本文使用的控制点结合受力分析的缝合模拟方法具有如下几个优越性:(1)较为真实合理的反馈力,(2)较为真实的视觉效果,以及(3)具有真实感的打结过程模拟。本文创新点及工作主要为以下几点:(1)提出了控制点结合受力分析的缝合线与软组织交互的模拟方法,这种方法解决了传统的控制点轨迹跟踪方法不能进行物理模拟和力反馈模拟的问题,同时视觉模拟效果比传统控制点轨迹跟踪方法更加优越。(2)考虑到组织及缝合线的特性,在缝合模拟的受力分析过程中,主要模拟了缝合过程中会发生的组织表面张力,拉力以及摩擦力。这远比弹簧模型通过层层传递而不考虑具体的力的性质的受力模拟方法产生的反馈力合理,视觉效果也远比弹簧模型做缝合模拟的效果真实。同时这种方法易于扩展,且计算高效,因为这些力只在控制点上作用以及传递。(3)相对与传统方法中不能进行受力模拟的控制点跟踪法以及可以进行受力分析的弹簧模型,控制点结合受力分析的方法在触觉真实感,视觉真实感及效率上都证明了自己的优越性。(4)本文优化了在现有的缝合过程中使用到的碰撞检测及自碰撞检测的技术,优化了用于可形变模型的包围球层次绑定树的实时更新方法,提出并且使用了自底向上更新及使用优先队列的方法提高了碰撞检测与自碰撞检测的效率。(5)本论文的新型算法集成与运用到通过力反馈设备Phantom进行触觉仿真的缝合模拟系统中,通过大量的实验数据评估和传统方法的比较,证明得出本文使用的方法在视觉模拟真实感,触觉模拟真实感都优越于传统方法。