专利名称：一种虚拟手术的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及医学领域，特别涉及一种虚拟手术的方法及其装置， 背景技术现代科学技术的发展越来越体现多学科之间的交叉和渗透。例如虚拟现 实是由计算机和电子技术结合的产物，是一个很逼真的模拟环境，通过多种 传感设备，用户可根据自身的感觉，使用人的自然技能对虚拟世界中的物体 进行考察和操作，同时提供视、听、触等直观而又自然的实时感知，并使参与者产生身临其境感觉的交互式仿真。虚拟现实在医学领域中的应用，使虚 拟手术成为正在发展起来的研究方向，像虚拟手术是利用各种医学影像数据 和虛拟现实技术建立一个虚拟环境，医生借助虚拟环境进行手术计划、训练等。虚拟手术可以帮助医生制定手术方案；也可重复练习，降低手术训练费用， 缩短培养外科医生的周期。虛拟手术具有低代价、零风险、多重复性、自动 指导的优点，对于医学手术培训具有重要的意义。虚拟手术过程中包括两个反馈，视觉反馈和力反馈，视觉反馈是指通过 显示器观察手术器械的可视化仿真操作，而力反馈是指操纵者通过交互设备 感知虚拟手术器械的物理力学特性。专利申请号为02118522.0,名称为虚拟 手术刀装置的专利^^开了一种虚拟手术刀装置，包括;敞控制器和手术刀，力 传递装置连接在手术刀和比例电磁铁之间，用于传递比例电磁铁提供的驱动 力；复位弹簧接在力传递装置两端；位于手术刀刀柄上的力传感器4企测手术 刀向上的力；二维跟踪设备检测手术刀的位置及手术刀的姿态。但该虚拟手 术刀装置不能适用于手术剪刀的操:作。专利申请号为200510027052.9，名称为多功能虚拟外科手术器^^的专利 公开了一种医疗训练器械，该技术方案是立柱固定在底座上， 一角位移传感器设置在立柱的末端，转臂与立柱通过该角位移传感器相连，转臂上设置一 角位移传感器，转筒通过该角位移传感器与转臂相连，直线位移传感器与转 筒相连，直线位移传感器的末端设置联轴器， 一角位移传感器设置在联轴器 中，连接筒与该角位移传感器相连，连接筒的后端插入一角位移传感器，一 剪刀手柄固定在连接筒上，另一剪刀手柄与一角位移传感器相连，各传感器 通过端子板连接到数据采集卡，该医疗训练器械能采集手术器械的空间运动 的信息，模拟多种手术器械的操作运动。但该专利中的医疗手术器械不具备 力反馈功能，不能给操作者带来触觉的反馈。发明内容本发明公开了 一种虚拟手术的方法及其装置，其能实现适时的力反馈和 视觉反馈，还能模拟多种手术器械的操作。本发明的技术方案是 一种虚拟手术的方法，包括以下步骤，步骤一、读取虚拟手术器械的几何模型，根据导入的操作对象模型文件 生成操作对象模型；所述虚拟手术器械包括笔杆状虚拟手术器械和交叉状虚 拟手术器械，所述几何模型和所述操作对象模型是由三角片模型组成；步骤二、建立所述几何模型和所述操作对象模型的坐标映射；步骤三、当所述虚拟手术器械模拟笔杆状手术器械操作时，所述虚拟手 术器械的质点和笔杆状几何模型的顶点对应，根据所述笔杆状几何模型的顶 点是否在所述操作对象模型的三角面片所在的平面内来检测所述虚拟手术器 械和所述操作对象;f莫型是否碰撞；或者，当所述虚拟手术器械^^莫拟交叉状手术器械时，所述虚拟手术器械的质点 和交叉状几何模型的交叉点对应，根据所述交叉点到所述操作对象模型的三 角面片上所有点的最小距离是否小于所述交叉点到所述交叉状几何模型的顶点的距离来检测所述虚拟手术器械是否和所述操作对象模型发生碰撞；步骤四、如果检测到所述虚拟手术器械和所述操作对象模型发生碰撞；当所述虚拟手术器械模拟所述笔杆状手术器械操作时，检测所述笔杆状 几何模型的顶点在碰撞前后的坐标值，并连接成轨迹线段，计算该轨迹线段 在水平和垂直方向的向量值，再根据切割的阻力刚度系数和约束力刚度系数确定所述操作对象才莫型对所述虚拟手术器械的切割阻力和所述操作对象模型 对所述虚拟手术器械的约束力，最后^f艮据所述切割阻力和约束力确定所述虚 拟手术器械的力反馈，并反馈给操作者；或者，当所述虛拟手术器械模拟交叉状手术器械中的手术剪操作时，检测所述 操作对象中与所述手术剪的几何模型发生碰撞的三角面片，确定该三角面片 中各个顶点的权数，并根据该权数确定三角面片中每个顶点碰撞前后的位移 量，根据该位移量更新所述三角面片的各个顶点的坐标位置，同时根据该位 移量确定所述虚拟手术器械的力反馈，并反馈给操作者。一种虚拟手术的装置，包括，模型生成模块，用于读取虚拟手术器械的 几何模型，根据导入的操作对象模型文件生成操作对象模型；坐标映射建立模块，用于建立所述几何模型和所述操作对象模型的坐标 映射；检测模块，用于当所述虛拟手术器械模拟笔杆状手术器械操作时，所述 虚拟手术器械的质点和笔杆状几何模型的顶点对应，根据所述笔杆状几何模 型的顶点是否在所述操作对象模型的三角面片所在的平面内来检测所述虚拟 手术器械和所述操作对象模型是否碰撞；或者，当所述虚拟手术器械模拟交叉状手术器械时，所述虚拟手术器械的质点 和交叉状几何模型的交叉点对应，根据所述交叉点到所述操作对象模型的三 角面片上所有点的最小距离是否小于所述交叉点到所述交叉状几何模型的顶点的距离来检测所述虚拟手术器械是否和所述操作对象模型发生碰撞；力反馈计算模块，用于当检测到所述虚拟手术器械和所述操作对象模型 发生碰撞，且当所述虚拟手术器械模拟所述笔杆状手术器械操作时，检测所 述笔杆状几何模型的顶点在碰撞前后的坐标值，并连接成轨迹线段，计算该 轨迹线段在水平和垂直方向的向量值，再根据切割的阻力刚度系数和约束力 刚度系数确定所述操作对象模型对所迷虚拟手术器械的切割阻力和所述操作 对象模型对所述虛拟手术器械的约束力，最后根据所述切割阻力和约束力确定所述虛拟手术器械的力反馈，并反馈给操作者；或者，当所述虚拟手术器械模拟交叉状手术器械中的手术剪操作时，检测所述 操作对象中与所述手术剪的几何模型发生碰撞的三角面片，确定该三角面片 中各个顶点的权数，并根据该权数确定三角面片中每个顶点碰撞前后的位移 量，根据该位移量更新所述三角面片的各个顶点的坐标位置，同时根据该位 移量确定所述虚拟手术器械的力反馈，并反馈给操作者。本发明的虚拟手术的方法及其装置，针对不同的虚拟手术器械有不同的 碰撞检测方法和力反馈的计算方法，当虛拟手术器械模拟笔杆状虚拟手术器 械操作时，该虚拟手术器械的质点和所述笔杆状虚拟手术器械的顶点相对应， 通过获取该顶点碰撞前后的坐标信息来确定所述笔杆状虚拟手术器械的力反 馈；当所述虚拟手术器械模拟所述交叉状虚拟手术器械时，所述虚拟手术器 械的质点对应与交叉状虚拟手术器械的交叉点，这样根据交叉点到操作对象 模型之间的距离来检测所述操作对象模型中和所述交叉状手术器械发生碰撞 的三角面片，计算出三角面片中每个顶点碰撞前后的位移量，根据该位移量 即可确定所述虚拟手术器械的力反馈；由此可见本发明不但能模拟笔杆状手 术器械包括手术刀、缝合针等，还可以模拟交叉状虛拟手术器械如手术剪的 操作，且能计算出所述虚拟手术器械的力反馈并适时的反馈给操作者，给操 作者带来适时的触觉反馈。
图1是本发明虚拟手术的方法流程图；图2是本发明基于质点的力反馈模型计算笔杆状手术器械的力反馈的示 意图；图3是本发明基于质点的力反馈模型的形变分析示意图； 图4是本发明基于虚拟球的力反馈模型的示意图；图5是本发明基于虛拟球的力反馈模型碰撞检测中三角面片的局部坐标 示意图；图6是本发明基于虚拟球的力反馈模型碰撞检测中投影点与三角面片的 分析示意图；图7是本发明虚拟手术的装置示意图(一)；图8是本发明虚拟手术的装置示意图(二)；图9是本发明虛拟手术的装置示意图(三)。
具体实施方式
下面根据附图和具体实施例对本发明做一详细的阐述。本发明的虚拟手术的方法是用一种虚拟手术器械来^f莫拟真实的手术器械 操作的方法，所述虛拟手术器械可以模拟手术刀、缝合针、手术剪和手术钳 的操作，在一实施例中，虛拟手术器械可以采用SensAble Technologies公 司的PHANToM Desktop力反馈设备，通过PHANToM Desktop力反馈设备来模 拟手术刀、缝合针、手术钳和手术剪的操作。图l是本发明虚拟手术的流程图，其包括SlOl、读取虚拟手术器械的几何模型，根据导入的三维对象模型文件生 成搡作对象模型。该步骤是实现将所述几何模型和所述操作对象模型在显示器上进行显 示，给操作者带来很好的视觉反馈。在一实施例中，在该步骤之前还可以包 括步骤，测量手术中常用器械(手术刀、手术剪、手术钳、缝合针等)的实际外形尺寸；然后用三维图形软件建立这些手术器^^的几何模型；并4巴这些 几何模型存储为3DS格式。在本发明中由于手术器械是刚性的，其具体形状 是固定的，所以当操作者需要时可以直接调用所需的手术器械的几何才莫型。 所述操作对象模型是手术器械要操作的对象物体，其三维对象模型文件是这 些操作对象模型的编辑文件，调用该文件可以生成操作对象模型。在本发明 中，所述对象物体和所述几何模型采用三角片模型描述。S102、建立所述几何模型和所述操作对象模型的坐标映射。通过建立坐标映射可以实时的获取所述几何模型和操作对象模型的坐标 位置信息，在一实施例中，当所述虚拟手术器械;溪拟手术刀或缝合针这样的 笔杆状手术器械时，所述虚拟手术器械的质点和所述几何模型的顶点对应；当所述虛拟手术器械模拟手术剪或手术钳这样的交叉状手术器械时，所述虚 拟手术器械的质点和所述几何模型的交叉点对应，如图4所示虚拟球的球心 P对应于交叉状虛拟手术器械的交叉点。在虛拟手术器械是PHANToM Desktop 力反馈设备的实施例中，虚拟手术器械有3个平移和3个旋转自由度的输入， 并可以产生3个自由度的反馈力，搡作者通过搡作虚拟手术器械来控制输入， 所述几何模型可以根据虚拟手术器械的输入而相应的运动，所述虚拟手术器 械的坐标映射可以用一个矩阵M来描述，该矩阵由4t转和平移构成，如下所示<formula>formula see original document page 12</formula>其中t是虚拟手术器械的质点位置坐标，r描述了虚拟手术器械质点的 旋转方向；视觉反馈坐标映射，即操作者的观察坐标映射为L = MT(CSRMC)其中，C是矩阵M的一个中心旋转的转换，C'是矩阵M逆向的中心平移，S， R和T分别是矩阵M的缩放，旋转和平移矩阵。S103、检测所述虚拟手术器械和所述操作对象;f莫型是否碰撞。针对虚拟手术器械;溪拟不同的手术器械操作时，其相应的碰撞检测不一 样；其中就以手术刀、缝合针、手术剪和手术钳等最常用和关键的手术器械 为例来说明一下如何检测所述虛拟手术器械和所述操作对象模型的碰撞。当 虚拟手术器械模拟手术刀和缝合针这样的笔杆状手术器械操作时，采用基于 质点的力反馈模型来检测碰撞，即检测所述顶点是否在操作对象模型的三角 面片中来检测所述虚拟手术器械的质点是否和所述操作对象模型发生碰撞， 此时虚拟手术器械的质点对应于所述几何模型的顶点，在一实施例中，根据 以下条件- k (o). ((r2 (0 - k (0) x " (0 — k = 0检测所述虚拟手术器械的质点和所述操作对象模型发生碰撞；其中，P为虚拟手术器械的质点在t时刻的坐标，VI、 V2、 V3为操作对象模型表面一个三角面片的三个顶点在t时刻的坐标。当检测到所述虚拟手 术器械和所述操作对象才莫型发生碰撞后，还可以 一定方式把碰撞结果反馈给 操作者。对于手术剪和手术钳这样的手术器械，采用基于虛拟球的力反馈模型来检测碰撞，如图4所示，A表示交叉状虚拟手术器械，S是交叉角，虚拟球 的球心P是交叉状虚拟手术器械的交叉点，对应于虚拟手术器械的质点P, 虚拟球的半径r是球心到虛拟手术器械的顶点的距离。对于虚拟球和由三角 片组成的操作对象模型的碰撞检测，可以简化为球体与三角片的相交检测。在一实施例中，可以首先进行粗略碰撞，再进行精确检测。在粗略检测阶^a,首先给三角面片建立局部坐标系统x'y'z'，如图5所 示。该系统以PO为原点，n为z'轴的方向，POPl为x'轴的方向。布爻定u为 x'方向的单位向量，v为y'方向的单^f立向量，则有1^P广P。， V = P2-P0， N = UxV, U = U/|U|, n = N/|N|， v = nxu 计算S到三角面片的符号距离h:如果lhl 2 r则球体与三角面片所在平面不相交，因此和三角面片也不相交。 否则开始进入精确碰撞检测阶段，具体方法如下1、 计算S与三角面片上所有点的最小距离^Ln 。首先将S投影到三角面片 的平面上，投影点Sp为2、 在三角面片的平面上，Sp可能落在7个区域之一，如图6所示对于每个区域，其《nin的取值如下区域(l),m区域(2),(/。=Is,p。|。区域(3)，,-Va2"!2 ，《=区域(4)，K-p2|。区域(5),,，d12是Sp与P1P2的距离。区域(6),d20是Sp与P2P0的距离。区域(7)，d01是Sp与P0P1的距离。3、如果"min ^ r则球体与三角面片不相交，即所述虚拟手术器械和所述操作对象模型没有发生碰撞，否则二者^i撞。S104、如果检测到所述虚拟手术器械和所述操作对象模型发生碰撞，则 根据质点的力反馈模型或虛拟球的力反馈模型计算所述虛拟手术器械的力反馈。对于笔杆状的手术器械，比如手术刀或缝合针，本发明釆用基于质点的 力反馈模型来计算，如图2所示，虚拟手术器械的力反馈作用在虚拟手术器械 的质点P上，其由两部分组成 一是软组织对虚拟手术器械切割的阻力Ft,该 力在所述虚拟手术器械所在的平面内，与虛拟手术器械运动的方向相反；二 是软组织对虚拟手术器械的约束力Fn,该力与虛拟手术器械所在的平面垂直， 起到约束虚拟手术器械在所在平面内运动的作用。力反馈的计算是根据虚拟手术器械的质点碰撞前后的相对位置计算，具 体计算如下D = RP， Dj(Dii)ii D,二D-D"其中P是虚拟手术器械的质点对应的坐标，R是虚拟手术器械和所述操作对象模型发生碰撞后的质点的坐标，F是虛拟手术器械的力反馈，^:她力g是切割的阻力刚度，& 力,是约束力刚度；R是虚拟手术器械碰撞后的坐标位置。对于交叉状的手术器械，比如手术剪和手术钳，采用基于虛拟球的力反 馈模型来计算。虛拟手术钳的夹钳操作就是模拟操作者使用镊子或钳子夹住 并拖动软组织表面一部分的过程。夹钳开始时，在所有与虚拟球相交的三角 面片中找出与球心距离最短的三角面片，然后虚拟手术钳对该三角面片的三个顶点施行夹钳操作。s。是夹钳开始时虛拟球的球心，v。是最近的三角面片的顶点，此时作用在该顶点上的夹取外力是F。，在夹钳:搡作后虛拟球球心移动到S位置，顶点移动到V，作用在顶点上的外力变为F,被抓取的顶点应该跟随虛拟球移动，与虛拟球的球心保持固定的相对距离，因此顶点应该移动到(S+ V。 +S。)位置处；此时力反馈的比例系数是^M功"g ，虚拟手术器械 受到的力反馈为F = F0+U + V0-S0-V)其中，s。是虚拟手术钳开始夹钳时虚拟球的球心的坐标，v。是虚拟手 术钳对应的几何模型中距离虚拟球的球心最近的三角面片的顶点坐标，此时作用在该顶点上的外力是F。，夹钳操作后虛拟球的球心坐标移动到S，顶点V。移动到V。虛拟手术剪的剪除操作与虚拟手术钳的夹取不一样，剪除操作完成后， 操作对象模型会有小部分恢复变形。剪除开始时，需要找出与作用球相交的 所有三角面片，然后对这些三角面片进行去除移位操作。对于三角面片去除移位的大小，与其三角面片和投影圓的面积比例有 关。通过上述碰撞检测中的计算，可知投影圓的圆心是Sp,半径是V,-^ 。 其次，假定平面三角面片的顶点是(xO， y0), (xl， yl)和(x2， y2),则其面 积A可以根据以下公式计算^ = 5^1^2 一 乂2乂 +义2少0 一义0少2 +义0少1 一 A少oi 考虑平面上圆与三角形的相交情况有很多种，为了更精确地模拟剪除后各三角形新顶点的位置，这里对每个顶点设置权数x，权数越高，其剪除的深度越大，如下所示S4' 希-/O ( 二 n(r 一其中，r是虚拟球的半径，即交叉点到顶点的距离，h是虛拟球的球心y」到三角面片的距离，Xi是顶点i的权数；L '是与虛拟球相交的三角片中，含顶点i的所有三角片的面积之和；n是三角片的法向量，/,.是新顶点的位 移量。同时还要根据计算的新顶点的位移量来更新所述操作对象模型的坐标 映射。力反馈的比例系数是^*,^ ,则虚拟手术器械所受的力反馈为由于操作对象模型在模拟操作后会有相应的形变反映，为了给操作者带 来实时的视觉反馈，本发明还可以包括步骤S105、计算所述操作对象才莫型在 碰撞后的位置信息；并#>据计算出的位置信息，更新所述操作对象才莫型的坐 标映射。当虛拟手术器械模拟手术刀或缝合针这样的笔斥干状手术器械时，如图2 所示，当切割阻力Ft的大小大于某一个固定值4~时，操作对象模型要发 生相应的形变，新的位置R'为此时，操作对象模型在虚拟手术器械的作用下发生了变形。其中，与虚 拟手术器械发生交互的三角面片分裂出点R'。对于基于质点的虚拟手术器 械，R'处所受的外力转换为三角片的顶点力，如图3所示，假定三角面片的 三个顶点是PO， P1，和P2，作用于其上的顶点力分别是FO， F1，和F2，此时， 顶点PO， Pl, P2的位置也发生移动，本发明采用距离等效移动法，即顶点的 移动距离与R到R'的移动距离成线性关系，方向同向，其顶点新^f立置的计算 公式如下<formula>formula see original document page 17</formula>其中'即为新顶点的位移量，是顶点未发生移动的向量坐标。对于手术剪和手术钳这样的交叉状手术器械，采用基于虚拟球的力反馈 模型来计算新顶点的位置。为了更精确地模拟剪除后各三角形新顶点的位置， 这里对与虚拟手术器械发生碰撞的三角片的每个顶点设置权数X,权数越高，其新顶点移动的位移量也越大，如下所示<formula>formula see original document page 18</formula>其中，F。是虚拟手术器械开始操作时所受的力，r是虚拟球的半径，h是虚拟球的球心到三角面片的距离，Xi是顶点i的权数；Z^'是与虛拟球相交的三角片中，含顶点i的所有三角片的面积之和；n是三角面片的法向 量，/,.是新顶点的位移量。根据计算好的操作对象模型中发生碰撞的这些三角片的新位置更新所述 操作对象模型的位置，可以给操作者带来一种实时的视觉反馈。本发明还揭示了一种虚拟手术的装置，如图7所示，其包括，模型生成模块，用于读取虛拟手术器械的几何模型，根据导入的操作对 象模型文件生成操作对象模型；坐标映射建立模块，用于建立所述几何模型和所述操作对象模型的坐标 映射；检测模块，用于当所述虛拟手术器械模拟笔杆状手术器械操作时，所述 虚拟手术器械的质点和笔杆状几何模型的顶点对应，根据所述笔杆状几何模 型的顶点是否在所述操作对象模型的三角面片所在的平面内来检测所述虚拟 手术器械和所述操作对象模型是否碰撞；当所述虚拟手术器械模拟交叉状手术器械时，所述虚拟手术器械的质点和交叉状几何模型的交叉点对应，根据所述交叉点到所迷操作对象模型的三 角面片上所有点的最小距离是否小于所述交叉点到所述交叉状几何模型的顶 点的距离来检测所述虛拟手术器械是否和所迷操作对象模型发生碰撞；力反馈计算模块，用于当检测到所述虚拟手术器械和所述操作对象模型 发生碰撞，且当所述虚拟手术器械模拟所述笔杆状手术器械操作时，检测所 述笔杆状几何模型的顶点在碰撞前后的坐标值，并连接成轨迹线段，计算该 轨迹线段在水平和垂直方向的向量值，再根据切割的阻力刚度系数和约束力 刚度系数确定所述操作对象模型对所述虚拟手术器械的切割阻力和所述操作 对象模型对所述虛拟手术器械的约束力，最后根据所述切割阻力和约束力确定所迷虚拟手术器械的力反馈，并反馈给操作者；当所述虛拟手术器械模拟交叉状手术器械中的手术剪操作时，检测所述 操作对象中与所述手术剪的几何模型发生碰撞的三角面片，确定该三角面片中各个顶点的权数，并根据该权数确定三角面片中每个顶点碰撞前后的位移 量，根据该位移量更新所述三角面片的各个顶点的坐标位置，同时根据该位 移量确定所述虚拟手术器械的力反馈，并反馈给操作者。其中在一实施例中，还可以包括模型建立模块，如图8所示，用于测量 手术中常用器械(手术刀、手术剪、手术钳、缝合针等)的实际外形尺寸； 然后用三维图形軟件建立这些手术器械的几何模型；并把这些几何模型存储 为3DS格式。这样模型生成模块直接可以从模型建立模块调用虛拟手术器械 在模拟操作时对应的几何it型。为了更好的反映出碰撞后的操作对象模型的位置信息，本发明的装置还 包括，如图8所示，形变计算模块，当所述虚拟手术器械模拟所述笔杆状手 术器械操作时，如果所述虚拟手术器械所受的切割阻力大于一定值时，根据 该定值、所述虚拟手术器械的质点碰撞后的坐标位置、所述轨迹线段的水平 方向的分量及所述切割的阻力刚度系数确定所述虛拟手术器械的质点的新坐 标位置；检测所述操作对象模型中与所述笔杆状手术器械的几何模型发生碰撞的三角面片的各个顶点坐标，根据各个顶点的移动距离跟所述质点的新坐 标位置与所述质点碰撞后的坐标位置之间的移动距离成线性关系确定所述各 个顶点的新坐标^f立置。本发明的装置还可以包括，手术钳反馈模块，如图9所示，用于检测所 述手术钳的几何模型在夹钳操作前后的坐标位置，及所述操作对象模型中与 所述手术钳的几何模型的质点距离最小的三角面片的顶点在夹钳操作前后的 坐标位置，并根据所述手术钳的几何模型在开始夹钳时的外力、所述虚拟手 术器械的力反馈与位置的移动距离成正比确定所述虚拟手术器械的力反馈。 根据该手术钳反馈模块可以计算出模拟手术钳操作时的力反馈，使得本发明 的装置可以模拟手术钳这样的夹钳操作，同时还可以计算出模拟该手术钳操 作时的力反馈。以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何 在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本 发明的权利要求保护范围之内。
权利要求
1、一种虚拟手术的方法，其特征在于，包括以下步骤步骤一、读取虚拟手术器械的几何模型，根据导入的操作对象模型文件生成操作对象模型；所述虚拟手术器械包括笔杆状虚拟手术器械和交叉状虚拟手术器械，所述几何模型和所述操作对象模型是由三角片模型组成；步骤二、建立所述几何模型和所述操作对象模型的坐标映射；步骤三、当所述虚拟手术器械模拟笔杆状手术器械操作时，所述虚拟手术器械的质点和笔杆状几何模型的顶点对应，根据所述笔杆状几何模型的顶点是否在所述操作对象模型的三角面片所在的平面内来检测所述虚拟手术器械和所述操作对象模型是否碰撞；或者，当所述虚拟手术器械模拟交叉状手术器械时，所述虚拟手术器械的质点和交叉状几何模型的交叉点对应，根据所述交叉点到所述操作对象模型的三角面片上所有点的最小距离是否小于所述交叉点到所述交叉状几何模型的顶点的距离来检测所述虚拟手术器械是否和所述操作对象模型发生碰撞；步骤四、如果检测到所述虚拟手术器械和所述操作对象模型发生碰撞；当所述虚拟手术器械模拟所述笔杆状手术器械操作时，检测所述笔杆状几何模型的顶点在碰撞前后的坐标值，并连接成轨迹线段，计算该轨迹线段在水平和垂直方向的向量值，再根据切割的阻力刚度系数和约束力刚度系数确定所述操作对象模型对所述虚拟手术器械的切割阻力和所述操作对象模型对所述虚拟手术器械的约束力，最后根据所述切割阻力和约束力确定所述虚拟手术器械的力反馈，并反馈给操作者；或者，当所述虚拟手术器械模拟交叉状手术器械中的手术剪操作时，检测所述操作对象中与所述手术剪的几何模型发生碰撞的三角面片，确定该三角面片中各个顶点的权数，并根据该权数确定三角面片中每个顶点碰撞前后的位移量，根据该位移量更新所述三角面片的各个顶点的坐标位置，同时根据该位移量确定所述虚拟手术器械的力反馈，并反馈给操作者。
2、 根据权利要求1所述的虚拟手术的方法，其特征在于步骤四中，当所述虚拟手术器械模拟所述笔杆状手术器械操作时，如果所述虚拟手术器械所受 的切割阻力大于一定值时，根据该定值、所迷虛拟手术器械的质点碰撞后的坐 标位置、所述轨迹线段的水平方向的分量及所述切割的阻力刚度系凄t确定所述虚拟手术器械的质点的新坐标位置；检测所述操作对象模型中与所述笔杆状手术器械的几何模型发生碰撞的三角面片的各个顶点坐标，根据各个顶点的移动 距离跟所述质点的新坐标位置与所述质点碰撞后的坐标位置之间的移动距离成 线性关系确定所述各个顶点的新坐标位置。
3、 根据权利要求1所述的虚拟手术的方法，其特征在于步骤四中，当所 述虚拟手术器械模拟所述交叉状手术器械中的手术钳操作时，检测所述手术钳 的几何模型在夹钳操作前后的坐标位置，及所述操作对象模型中与所述手术钳 的几何模型的质点距离最小的三角面片的顶点在夹钳才乘作前后的坐标位置，并 根据所述手术钳的几何模型在开始夹钳时的外力、所述虚拟手术器械的力反馈 与位置的移动距离成正比确定所述虚拟手术器械的力反馈。
4、 根据权利要求1所述的虚拟手术的方法，其特征在于步骤四中，当所述虛拟手术器械模拟所述笔杆状手术器械操作时，所述虚拟手术器械的力反馈 具体计算为<formula>formula see original document page 3</formula>A薩,她,D" 其中P是碰撞前虚拟手术器械的质点对应的坐标，R是碰撞后虚拟手术器 械的质点对应的坐标，F是虛拟手术器械的力反馈，夂础唯是切割的阻力刚度，^。^^,是约束力刚度，n是笔杆状手术器械的几何模型表面的法线向量。
5、 根据权利要求1所述的虛拟手术的方法，其特征在于步骤四中，所述 虚拟手术器械模拟手术剪操作时，所述虚拟手术器械的力反馈具体计算为<formula>formula see original document page 4</formula>r是手术剪的几何模型对应的交叉点到其顶点的距离，h是该交叉点到所述操作对象模型中与所述手术剪的几何模型发生碰撞的三角面片的距离， 是手术剪的几何模型中，与相交的所有含顶点i的三角面片的面积之和， ^^^g是力反馈的比例系数，n是三角面片的法向向量。
6、 根据权利要求3所述的虚拟手术的方法，其特征在于当所述虚拟手术 器械模拟手术钳搡作时，所述虛拟手术器械的力反馈具体计算为F二Fo+U + Vo-So-V)其中，s。是交叉状虚拟手术器械的质点开始夹钳时交叉点的坐标，v。是 手术钳对应的几何模型中距离所述交叉点最近的三角面片的顶点坐标，此时作用在该顶点上的外力是F。， S是夹钳操作后交叉点的坐标，V是三角面片夹钳 后的坐标，力反馈的比例系数为^V邵, g。
7、 根据权利要求4所述的虚拟手术的方法，其特征在于步骤四中，当 所述虛拟手术器械模拟所述笔杆状手术器械操作时，如果所述虚拟手术器械所 受的切割阻力大于一定值i^,"g时，所述操作对象模型中与虚拟手术器械对应 的几何模型发生碰撞的三角面片的顶点新位置具体计算为<formula>formula see original document page 5</formula>其中J — K础"g /^;M加Mg ， t = D〃 D,.《是所述三角面片未发生移动时的顶点坐标，if是所述三角片发生移动后 的顶点坐标。
8、 一种虚拟手术的装置，其特征在于包括，模型生成模块，用于读取虚拟手术器械的几何模型，根据导入的操作对象 模型文件生成操作对象模型；坐标映射建立模块，用于建立所述几何模型和所述操作对象模型的坐标映射；检测模块，用于当所述虚拟手术器械模拟笔杆状手术器械操作时，所述虚 拟手术器械的质点和笔杆状几何模型的顶点对应，根据所述笔杆状几何模型的 顶点是否在所述操作对象模型的三角面片所在的平面内来检测所述虚拟手术器 械和所述操作对象才莫型是否碰撞；或者，当所述虚拟手术器械模拟交叉状手术器械时，所述虚拟手术器械的质点和 交叉状几何模型的交叉点对应，根据所述交叉点到所述操作对象4莫型的三角面 片上所有点的最小距离是否小于所述交叉点到所述交叉状几何模型的顶点的距 离来检测所述虚拟手术器械是否和所述操作对象模型发生碰撞；力反馈计算模块，用于当检测到所述虛拟手术器械和所述操作对象模型发 生碰撞，且当所述虚拟手术器械模拟所述笔杆状手术器械操作时，检测所述笔 杆状几何模型的顶点在碰撞前后的坐标值，并连接成轨迹线段，计算该轨迹线 段在水平和垂直方向的向量值，再根据切割的阻力刚度系数和约束力刚度系数确定所述操作对象模型对所述虚拟手术器械的切割阻力和所述操作对象模型对 所述虚拟手术器械的约束力，最后根据所述切割阻力和约束力确定所述虛拟手术器械的力反馈，并反馈给操作者；或者，当所述虚拟手术器械模拟交叉状手术器械中的手术剪操作时，检测所述操 作对象中与所述手术剪的几何模型发生碰撞的三角面片，确定该三角面片中各 个顶点的权数，并根据该权数确定三角面片中每个顶点石並撞前后的位移量，根 据该位移量更新所述三角面片的各个顶点的坐标位置，同时根据该位移量确定 所述虛拟手术器械的力反馈，并反馈给操作者。
9、 根据权利要求8所述的虚拟手术的装置，其特征在于还包括，形变计 算模块，当所述虚拟手术器械模拟所述笔杆状手术器械操作时，如果所述虚拟 手术器械所受的切割阻力大于一定值时，根据该定值、所述虚拟手术器械的质 点碰撞后的坐标位置、所述轨迹线段的水平方向的分量及所述切割的阻力刚度 系数确定所述虚拟手术器械的质点的新坐标位置；检测所述操作对象模型中与 所述笔杆状手术器械的几何模型发生碰撞的三角面片的各个顶点坐标，根据各 个顶点的移动距离跟所述质点的新坐标位置与所述质点石並撞后的坐标位置之间 的移动距离成线性关系确定所述各个顶点的新坐标位置。
10、 根据权利要求8所述的虛拟手术的装置，其特征在于还包括，手术 钳反馈模块，用于检测所述手术钳的几何模型在夹钳操作前后的坐标位置，及 所述操作对象模型中与所述手术^"的几何模型的质点距离最小的三角面片的顶 点在夹钳操作前后的坐标位置，并根据所述手术钳的几何模型在开始夹钳时的 外力、所述虚拟手术器械的力反馈与位置的移动距离成正比确定所述虛拟手术 器械的力反馈。
全文摘要
本发明公开了一种虚拟手术的方法及其装置，该方法包括步骤，读取虚拟手术器械的几何模型，根据导入的操作对象模型文件生成操作对象模型；根据所述几何模型和所述虚拟手术器械的对应关系建立所述虚拟手术器械的坐标映射；检测所述虚拟手术器械和所述操作对象模型是否碰撞；如果检测到所述虚拟手术器械和所述操作对象模型发生碰撞，则根据质点的力反馈模型或虚拟球的力反馈模型计算所述虚拟手术器械的力反馈；同时计算所述操作对象模型在碰撞后的位置信息；并更新所述操作对象模型的坐标位置。本发明的虚拟手术的方法及其装置，可以模拟各种实际的手术器械的操作，而且操作者也能得到适时的虚拟手术器械的力反馈和操作对象模型的视觉反馈。
文档编号G06F17/50GK101404039SQ20081002707
公开日2009年4月8日 申请日期2008年3月28日 优先权日2008年3月28日
发明者徐清振, 方驰华, 潘家辉, 范应方, 鲍苏苏 申请人:华南师范大学;南方医科大学珠江医院