再现软组织特性的小球作用模型.pdf

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1、第26卷第8期计算机辅助设计与图形学学报V01．26No．82014年8月JournalofComputer—AidedDesign＆JComputerGraphicsAug．2014再现软组织特性的小球作用模型闫志远，杜志江，吴冬梅(哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨150080)(duzj@hit．edu．cn)摘要：针对生物软组织的复杂物理性质，提出一种小球作用模型，该模型的小球间作用具有弹簧阻尼和直接接触2种形式．首先分别对2种小球作用形式进行物理建模，并求解模型中小球的位置变化量；

2、然后以胆囊为实例，实现了虚拟现实环境中软组织在外力作用下的几何形变和切割特性的仿真．仿真实验结果表明，文中模型可以有效地反映软组织的黏性和准不可压缩性等性质，能够在虚拟手术中真实地再现软组织的生物力学特性．关键词：生物软组织；小球作用；弹簧阻尼；接触模型；软组织特性仿真中图法分类号：TP391．9BallInteractionModelforCharacteristicsSimulationofSoftTissueYanZhiyuan。DuZhijiang。andWuDongmei(StateKeyLabo

3、ratoryofRoboticsandSystem，HarbinInstituteofTechnology，Harbin15008O)Abstract：Todescribethecomplexphysicalpropertiesofbiologicaltissue，theinteractionmodelamongsmallballsisproposed．Therearetwokindsofinteractionsinthemodel：spring—dampingandball—contaction．Thep

4、hysicalmodelofthetwokindsofinteractionsiSpresentedandthepositionvariationsofsmallballsarecalculated．Takinggallbladderforexample，thedeformationandcuttingsimulationwiththeexternalforceinthevirtualrealityenvironmentarerealized．Thesimulationresultsshowthatthem

5、ode1caneffectivelyreflecttheviscoelasticityandincompressibilityofsofttissue，andcanveritablyreappearthebiomechanicalpropertiesofsofttissuesinvirtualsurgery．Keywords：biologicalsofttissue；ballinteraction；spring—damping；contactmodel；characteristicssimulationof

6、softtissue传统手术培训时使用尸体、动物或模型等实物手术具有无损伤性、可重复性和可定制性等优点，即对象，由于尸源有限、组织变性和伦理约束，使用尸虚拟手术可以针对特定的虚拟组织或器官模型以及体训练是不现实的，使用动物或模型也受到成本和特定的术式无限重复地实施l4]．解剖结构差异的限制．更重要的是，尸体、动物或模虚拟手术的基本要求是虚拟组织或器官模型的型等实物对象都是不可能无限重复使用的口]．虚拟行为与真实情况一致，因此组织或器官的物理建模手术不仅能有效地解决上述实物培训方式存在的问是虚拟手术的关键．生

7、物组织大都具有应力松弛、蠕题，而且对手术导航、预演等也具有重要意义，得到变以及不可压缩等特性_5]．如何合理地建模以反映了医学界和工业界的重视和研究_2]．虚拟手术通过这些软组织特性需要综合多个学科，难度较大，已经建立再现手术情景的虚拟现实环境展开手术训练和成为虚拟手术技术的瓶颈．手术预演¨3]，与传统手术训练和规划手段相比，虚拟目前，生物组织形变模型可以分为非物理形变收稿日期：2013—07l1；修回日期：201403—13．基金项目：国家“八六三”高技术研究发展计划(2009AA044001)．闰志远(

8、1983一)，男，博士，讲师，主要研究方向为医疗机器人、虚拟现实(zhiyuanyan@163．corn)；杜志江(1972一)，男，博士，教授，博士生导师，论文通讯作者，主要研究方向为医疗机器人、移动机器人、工业机器人；吴冬梅(1968一)，女，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为医疗机器人、医学图像处理．第8期闫志远，等：再现软组织特性的小球作用模型模型和物理形变模型]．非物理形变模型主要包括曲线曲面模型、