支撑喉镜手术仿真系统碰撞检测技术研究

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1、http://www.paper.edu.cn1支撑喉镜手术仿真系统碰撞检测技术研究郝峰，王树新，赵臣，李群智天津大学机械工程学院，天津（300072）E-mail：danei_haofeng@yahoo.com.cn摘要：本文针对支撑喉镜手术仿真系统中的狭长空间操作环境，比较了几种常用的碰撞检测算法，建立了适用于该系统手术器械间的碰撞检测模块。该模块在GHOSTSDK提供的点与体碰撞检测的基础上，将开放碰撞检测库ColDet与GHOSTSDK集成，实现了手术器械间体与体的碰撞检测。仿真结果表明了该方法简单可行，实时性较好。关键词：支撑

2、喉镜,手术仿真,碰撞检测,ColDet,GHOSTSDK中图分类号：TP242.61.引言虚拟手术仿真是虚拟现实技术在现代医学中的重要应用。它通过对手术器械和人体组织器官进行精确建模，逼真地模拟组织变形、切割和流血等各种手术现象来为操作者提供可反复使用的虚拟训练环境。由于它使用了精确的计算机模型来代替传统的动物或人的尸体以及各种人造模型，因而可以大大降低训练成本，提高教学质量。虚拟手术系统还可以用来进行[1]术前手术规划，提前发现手术过程中可能遇到的各种问题，进而提高手术的成功率。碰撞检测是手术仿真的关键和基础问题之一。作为虚拟手术过程

3、中组织变形的先决条件，它必须为后续的仿真计算提供精确的碰撞信息。只有判定手术器械与人体组织发生了碰撞，才有必要实施变形计算以及切割、缝合等操作；只有得到了准确的碰撞结果，才能进一[2]步完成各种操作仿真。因此，碰撞检测贯穿于手术仿真的整个过程。支撑喉镜手术是一类处理喉部病变的微创外科手术。手术时，将喉镜插入患者口中，并将其末端对准病变部位。医生手持工具在喉镜入口处操作。由于支撑喉镜管腔狭长，经常会出现双手工具相互干涉的情况发生，直接影响手术安全及质量。为了有效降低训练成本，提高操作医生双手协调能力，避免或减少双手工具干涉发生，本文针对支

4、撑喉镜手术特点研究并开发了相应的碰撞检测模块。该模块用于本实验室开发的面向支撑喉镜下声带手术的虚拟仿真系统，成功地实现了手术器械（工具之间以及工具与喉镜之间）之间的碰撞检测。2.仿真系统软硬件组成面向支撑喉镜下声带手术的虚拟仿真系统包括硬件与软件两部分。硬件部分主要包括(如图1所示)：主控计算机（IntelPentium4NorthwoodProcessor2.60GHz、DDR512MB内存、NVIDIAGeForce4MX440withAGP8X显示卡、两个EPP并口）、两套SensAbleTechnologiesInc.(STI)

5、开发的力反馈交互设备PHANToMDesktop、图像显示器等。PHANToMDesktop的位置精度约为0.023mm，最大施力7.9N。操作者通过PHANToMDesktop与虚拟环境中的手术对象相互作用，可以实时地感受手术过程中的作用力，并通过图形显示器观察整个手术模拟过程。1本课题得到教育部博士点基金（20030056030）资助-1-http://www.paper.edu.cn图1系统硬件组成PHANToMDesktop的软件平台为GHOSTSDK。它是一个面向对象的且与PHANToM力反馈设备配套使用的三维交互式触觉环境开

6、发包。本文所应用的虚拟仿真系统是在GHOSTSDK环境下，采用C++语言编写，并在MicrosoftVisualC++6.0下通过编译、连接。GHOSTSDK工具包将触觉环境表示成几何对象和与之相关联的空间效果的层次集合。这使得应用程序开发人员只需关注触觉场景的生成、对场景属性和其内部对象的操作以及控制PHANToM所产生的触觉效果等问题，不必考虑PHANToM触感设备的底层硬件实现，从而大大缩短了应用程序的开发时间。3.碰撞检测算法两个虚拟对象模型间的碰撞检测算法主要分为两类：空间分解法（spacedecomposition）和层次包

7、围盒法（hierarchicalboundingvolumes）。这两种方法的目的都是为了尽可能地减[3]少进行相交测试的对象或基本几何元素对的数目。空间分解法是将整个虚拟空间划分为等体积的小单元格。只有当两个几何对象占据了同一单元格或相邻单元格时才进行相交测试。研究表明，该方法较好地适合于稀疏环境中分布比较均匀的几何对象间的碰撞检测。层次包围盒法的基本思想是用体积稍大但形状简单的几何体（称为包围盒）来近似代替实际的几何对象，然后再通过构造这些包围盒的树状层次结构来逐步逼近实际对象的几何特性。在进行相交测试时，首先检测任意两个包围盒间的

8、碰撞情况：如果包围盒之间没有发生碰撞，则其内部的实际对象亦没有碰撞；如果检测到两个包围盒发生了碰撞，则须进一步对其包围的几何对象或基本几何元素进行相交测试。层次包围盒法可以大大地减少虚拟环境中进行相交测试的