基于unity3d的虚拟手术场景设计与实现

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1、基于Unity3D的虚拟手术场景设计与实现陈俊成许_凡李国贤黄展鹏张琦广东药科大学医药信息工程学院摘要：为了将虚拟现实技术应用于手术仿真和训练，提出基于Unity3D的虚拟手术场景的设计和实现方法。在手术室、手术刀和人体三维建模的基础上，结合数据手套和数据头盔构建虚拟手术场景，并对手术刀与人体组织之间的碰撞检测方法进行研究，构建虚拟手术仿真平台。关键词：虚拟现实;Unity3D;虚拟于术场景;碰撞检测;作者简介：陈俊成（1995-），男，广东佛山人，本科，研究方向为虚拟现实技术。基金：广东大学生科技创新

2、培育专项资金项目（pdjh2017b0263）1引言由于三维可视化和仿真技术对于疾病的诊断和手术的规划有重要的指导意义，在20世纪80年代开始，国外就开始对医学信息的可视化和手术仿真进行研究，最早是用于整形外科，主要是研究人体器官的三维重构。目前国外的不少研究机构对虚拟现实技术在手术规划和仿真方面进行了大量研究和实践。美国斯坦福大学计算机科学学院的研究人员在2003年开发了软组织缝合的实时仿真系统山，法国国家计算机与控制研究中心（INRIA）开发了Epidaum系统利用力反馈设备模拟肝脏的切割手术及1。

3、国内也开展了相关的研究，国防科技大学开发了虚拟膝关节镜手术仿真系统R1，南方医科大学珠江医院的方驰华等在肝脏三维可视化和仿真手术上研究开展时间较早，近年他们利用PhanTom操纵仿真手术刀模拟肝脏手术的切割过程，但缺乏沉浸感影响仿真效果血。本文基于Unity软件开发平台，结合数据手套、三维数据头盔和手臂定位设备，搭建虚拟手术环境,以实现仿真手术平台。2仿真手术平台开发流程与实现2.1系统结构设计项目按照当前主流的开发模式，先在Maya建模软件中建立手术室相关设备和人体模型，然后在Maya的插件管理器中勾

4、选fbxmaya.mel选项，将建好的模型导出为FBX格式的文件，再将模型导入到Unity3DOUnity3D是由丹麦Unity公司开发的游戏开发工具，是一款跨平台的游戏开发工具固。Unity3D提供了综合编辑、图形引擎和物理特性的游戏开发相关的组件，便以用户直接使用，同时也可进行一系列的脚本编写工作，以此实现交互设计和游戏对象控制的动作回。2.2系统的技术路线图系统的技术路线图如图1所示。项目利用定位器传感器获取人体手部位置的数据,同时与数据手套、数据头盔一起构建虚拟现实环境，用户戴上数据头盔和数据手

5、套后，会沉浸在系统提供的虚拟现实环境中。因此系统进行手术室、手术台和手术刀的三维建模，以及人体模型的建模，用户利用数据头盔、数据手套和三维定位设备等与在虚拟环境中仿真进行移动和查看等操作。图1系统技术路线图2.3碰撞检测下载原图碰撞检测用于判定一对或多对物体在给定时间域内的同一时刻是否占有相同的区域。在虚拟手术场景屮，当要仿真手术切割的动作时，手术刀会与人体组织等发生交互，这时要根据不同器官的特性来处理手术刀与人体组织的交互方式。若是软体组织如肝脏、肠道等，则手术刀会切割该组织，此时的碰撞效果是手术刀能

6、够向前移动但被切割的组织会发牛断裂等效果;若是刚体组织如骨骼等，手术刀则无法切割该组织，这时的碰撞检测则避免手术刀对人体组织的穿透，阻止手术刀的移动，系统必须及时地检测场景中的碰撞并结合虚拟场景中的物体与物体之间关系展示碰撞后的效果。为了进行碰撞检测，需给手术刀、人体组织各器官及手术室其它对象添加RigidBody刚体和包围盒，根据各对象的特点选择盒子碰撞器、球体碰撞器和胶囊碰撞器。而在碰撞检测中，为了针对不同组织实现不同的效果，利用碰撞事件监测的方法OnCollisionEnter(),OnColli

7、sionStay()和OnCollisionExit0在碰撞开始、持续和结束三个阶段完成不同的效果。2.4运行效果在完成了手术室场景建模、人体组织建模并导入到Unity3D的虚拟手术场景屮，为手术刀和虚拟手术场景中的对象添加刚体和包围盒，并在碰撞事件检测方法中处理不同对象间的碰撞并根据组织器官的不同展示不同的效果，以实现虚拟手术切割的效果。用户戴上数据手套和数据头盔则可以看到以下场景，系统运行效果图如图2所示，营造虚拟手术场景的沉浸感。3总结与展望项目基于Unity3D搭建了一个虚拟手术场景，结合数据手

8、套和数据头盔，为用户营造手术场景的沉浸感，同时结合手术刀与不同对象之间的关系，建立对象间的碰撞检测模型，在碰撞事件检测方法屮为其实现不同的效果，以反映手术刀在手术切割中的特征和效果。下一步的研究为系统添加血管检测和流血效果功能，以逼真的效果营造用户在手术场景中的感觉。参考文献[1]BrownJ・Real一timeSoftTissueandSutureSimulation[I)]・California,USA:StanfordUniversi