浅谈面向虚拟手术系统的力反馈的研究与实现

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1、山东大学硕士学位论文面向虚拟手术系统的力反馈的研究与实现姓名：牟少辉申请学位级别：硕士专业：计算机软件与理论指导教师：向辉20080405山东大学硕士学位论文摘要由于虚拟现实和人机交互的发展，基于电脑的虚拟手术的好处已经被许多调查者广泛的讨论和示范证明。这些好处拓展了手术训练的能力。它可以提供不同的训练场景，包括解剖的个体差异(性别，大小)，病理的不同(内伤，外伤)，操作场景(急诊室，太空，战场)。除了这些好处，能够大量增加训练的次数，以及把能够模拟出不同的结果作为主要的好处之一。手术界希望把它作为未来鉴定手术技能的手段。另外还可以通过基于电脑的手术模

2、拟来加快医生获取手术技能。其中这些好处中最重要的就是这些所有的好处的前提是在不对病人有风险的情况下。我们初步实现了一个虚拟手术系统，系统更加强调系统模块化。并且我们用OpenHapticsAPI实现了PHANTOM与虚拟场景中的交互。我们的系统采用的C++以及结合OpenGL，是在MFC下开发的。我们的器官和手术器械的模型都是在maya下建模的。我们的系统可以支持各种不同的文件格式的读入，比如obj，Mesh文件等，强调了实时性。力反馈设备我们采用的是PHOANTOMomni，它是一个六维的力反馈的设备。系统现在可以很好的模拟出刚体的力反馈效果，并且对

3、于软体我们也实现了基本的力反馈效果。在虚拟手术中关于点的交互是相当普遍的，例如切割，探测等。在虚拟手术中点的交互主要是分为刚体和软体的力反馈模型。由于虚拟手术对实时性要求比较高，因此速度是一个很关键的问题。在刚体的点力反馈模型中采用的优化的God-Object方法，而在软体的力反馈模型中采用比较真实的物理模型，采用的方法是分层的质点弹簧模型，由于在弹簧模型中，力是由近及远来传播，因此我们采用了分层的思想，到深层的质点的位移以及弹簧的伸缩可以忽略，因此这样可以减少计算，加快算法，我们采用的网格结构是立方体网格，而且我们都是假定它们都具有相同的弹力系数。关

4、键词：虚拟手术，力反馈，God．Object，弹簧质点模型，有限元模型山东大学硕士学位论文ABSTRACTWiththedevelopmentofvirtualrealityandhumaninteraction，virtualsurgeryhasbeendeveloped．Therearealotofbenefitsaboutvirtualsurgery．Thebenefitsincludetheabilitytobroadensurgicaltrainingbyeasilyprovidingdifferenttrainingscenarios，in

5、cludinganatomicalvariations(gender,size)，pathologies(diseases，trauma)，andoperatingenvironmentconditions(emergencyroom,microgravity,battlefield)．Inadditiontothesebenefits，theabilitytoobjectivelyquantifysurgicalperformanceandperhapssimulatetheresultofaninterventionhasbeencitedasam

6、ajorbenefitanddrawntheattentionofsurgicalsocietiesasafuturemeansofprecertification．Besidesthesebenefits，thepotentialtoacceleratetheacquisitionofbaselinesurgicalskillsthroughtheUSeofcomputer-basedsimulationhasalsobeenidentified．Perhapsthemostimportantfeatureofallisthatcomputer-ba

7、sedsimulationCallrealizeallthesebenefitswithoutrisktoanyrealpatientsOursurgicalsimulationsystemwithsoft—tissuemodelingiswritteninC++witllOpenGLforgraphics；MFCandGLUIforUSerinterface；andsupportsparallelprocessing．Itallowsfortherelativelyeasyintroductionofpatient-specificanatomyan

8、dsupportmanyconlmonfileformats．Manyvirtualtools