基于软组织形变力学信息虚拟手术力反馈过程仿真

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1、第27卷第4期系统仿真学报©Vol.27No.42015年4月JournalofSystemSimulationApr.,2015基于软组织形变力学信息虚拟手术力反馈过程仿真王沫楠，王成友，刘雨铭，李召(哈尔滨理工大学机器人研究所,哈尔滨150080)摘要：为了更好的实现对真实手术的力触觉模拟，利用质点弹簧模型建立了人体软组织的力学模型；应用四阶龙格库塔法解决了力学模型的计算问题；基于模块化设计思想完成了力反馈设备的设计；将力反馈设备通过ADAMS平台建模与力学算法程序相连接，实现了力学信息的传送过程和力反馈设备终端获取力学信息的模拟，该仿真对整个力反馈过程的进行实现了验证。仿真结果

2、表明：力反馈设备可以实时获取力学信息。该项研究将虚拟现实与虚拟样机技术相结合，基于力反馈器虚拟设计实现力反馈过程的仿真模拟，为虚拟手术系统前期设计提供参考和设计依据。关键词：软组织建模；质点弹簧模型；力反馈器；虚拟手术中图分类号：TB12文献标识码：A文章编号：1004-731X(2015)04-0900-07VirtualSurgeryForceFeedbackProcessSimulationBasedonSoftTissueDeformationBiomechanicalInformationWangMonan,WangChengyou,LiuYuming,LiZhao(Rob

3、oticsInstituteofHarbinUniversityofScienceandTechnology,Harbin150080,China)Abstract:Forhumantissuesbiomechanicalinformationwasobtainedfromtissuebiomechanicalmodelbyvirtualenvironment,humansofttissuebiomechanicalmodelwasdevelopedbasedonmass-springmodelingmethod,thebiomechanicalmodelwassolvedbyfou

4、r-orderRange-Kuttlemethod,hapticdevicewasdesignedbasedonmodularization.ForcesignaltransmissionprocesssimulationandobtainingrealizedforceonforcefeedbackdeviceendwerecompletedbyconnectingvirtualhapticdeviceandbiomechanicalprograminADAMSsoftware.Theforcefeedbackprocesswasverifiedbysimulationsystem

5、.Theresultsshowthatthehapticcangetaccuraterealtimeforceinformation.Thestudyaccomplishessimulationofforcefeedbackprocessbasedonhapticdevicedesignwhichgivessomeadviceandbasestovirtualsurgerysystempre-design.Keywords:softtissuemodeling;mass-springmodel;hapticdevice;virtualsurgery1实手术过程中各种视觉和力觉信息，都

6、可以通过虚引言拟手术系统进行模拟来获得。目前，虚拟手术系统虚拟现实技术在现代医学研究领域得到了非在手术培训、方案规划、效果预测等方面发挥了极常广泛的应用。操作者可以借助虚拟手术系统，通大的作用。虚拟手术中大部分的操作都是针对人体过与虚拟环境的交互，实现视觉与力觉的再现。真软组织进行的，建立软组织的力反馈模型、精确的力反馈算法对体现虚拟手术的真实性至关重要，因收稿日期：2013-05-27修回日期：2013-09-21;此，软组织的形变仿真以及力反馈信息的提取也成基金项目：黑龙江省高校新世纪优秀人才培养计划(1251-NCET-006);为目前研究的热点之一。作者简介：王沫楠(1973

7、-)，女，博士，教授，研究方法国INRIA公司率先开发出一种基于有限元向为虚拟手术技术。http:∥www.china-simulation.com•900•第27卷第4期Vol.27No.42015年4月王沫楠,等:基于软组织形变力学信息虚拟手术力反馈过程仿真Apr.,2015物理形变模型的虚拟肝脏切割手术系统，该系统与究可知对于这些软组织的建模可以在此近似条件力反馈设备相结合能够达到25Hz的显示频率和下建立软组织的线弹性模型。假设质点-弹簧阻尼[1]