用于实时柔性触觉再现的平行菱形链连接模型

精度高且实时性好的柔性触觉变形模型是实现触觉再现系统的关键。提出了一种新的基于物理意义的平行菱形链连接触觉变形模型,系统中各个链结构单元相对位移的叠加对外等效为物体表面的变形,与之相连的弹簧弹性力的合力等效为物体表面的接触力。使用Delta 6-DOF手控器,建立了触觉再现实验系统,对柔性体的接触变形和实时虚拟触觉反馈进行仿真, 实验结果表明所提出的模型不仅计算简单,而且能够保证触觉接触力和形变计算具有较高精度,满足虚拟现实系统对精细作业和实时性的要求。     

手术仿真中基于导纳控制的力触觉形变模型

为了在虚拟手术仿真中获得快速、准确的力触觉形变效果,提出一种基于导纳控制的力触觉形变模型.基于该模型,采用PHANTOM OMNI力触觉交互设备,以3DS MAX 2013,Microsoft Visual C++2012,Open GL函数库为基础搭建了实时柔性体力触觉再现系统,实现了虚拟双手对心脏双点的拉拽交互操作.感知实验和交互效率的结果表明,所提出的模型简单有效,形变效果逼真、视觉反馈流畅、力触觉反馈平稳,操作者对虚拟环境的感知和交互准确可靠,能够满足虚拟手术仿真系统的要求.     

一种用于软组织变形仿真的支撑球弹簧模型

基于经典的质点弹簧模型原理,提出一种用于软组织变形仿真的物理模型——支撑球弹簧模型。定义一系列具有质量、惯性以及体积特征的六自由度弹性支撑球,贴近软组织面模型下表面排布,支撑球之间由弹簧连接,共同构成软组织的支撑骨架来控制软组织的整体变形。软组织面模型的网格节点通过独立的弹簧与支撑骨架相连,当支撑骨架发生变形时将带动整个软组织发生变形。将此模型运用到角膜变形仿真中,获得了快速、稳定的变形效果,可进一步用于角膜虚拟手术。理论与实践均表明,该模型简单实用,效果良好。     

一种用于实时软组织变形仿真的有限元模型

软组织模型的变形计算是虚拟手术中的一个重要组成部分,尽管大量的研究一直致力于模拟软组织的形变,软组织变形的建模仍然是一个具有挑战性的问题。从仿真实时性的角度,提出了一种基于混合有限元模型的软组织模型解决方案。实验仿真表明该方案提高了计算效率,节省了大量内存,实验仿真表明达到了实时性仿真水平。     

基于模型约简和GPU加速的软组织实时仿真

为了得到虚拟外科手术中人体软组织的实时变形仿真,采用了基于模态分析的模型约简方法,同时结合了GPU加速技术,实现了人体软组织的实时仿真计算,为虚拟手术提供了良好的人机交互.模型约简以有限元理论为基础,将软组织模型的动力学方程投射到约筒子空间,减少系统自由度.在实时仿真过程中,首先需在子空间中对低维动力学模型进行数值计算,然后利用GPU通用计算技术来加速重建原始空间中的形变向量.以心脏大变形实时仿真为例,验证方法的性能,实验结果表明心脏的变形仿真可以在很高的刷新率下运行.提出的模型约简和GPU加速方法,为人体软组织的变形实现了实时仿真,为虚拟手术提供了理论基础和技术支撑.     

针穿刺软组织变形有限元仿真

为了提高机器人辅助针穿刺精度,提出一种对软组织变形分析的准静态有限元法.该方法基于针受力下软组织变形机理,将软组织变形的连续动态过程分解成离散的准静态过程;采用重叠单元法在ANSYS中建立了软组织变形的二维和三维准静态有限元模型,并进行了仿真实验.最后通过实验结果验证了该方法的有效性和可行性.     

基于局部动态模型的软组织形变建模与仿真

选择人体软组织模型作为研究对象,针对医学触诊训练的特点,提出了可变区域的局部质点-弹簧/阻尼器(ALMSDM)模型.该模型具有位置可变及区域可扩展的动态特性,改善了以往文献中局部建模方法静态限定的局限,解决了全局“面模型”形变恢复能力差及数据量大的问题.结合ALMSDM的特点,提出了顶点法向量局部更新与预计算策略,从而极大地提高了系统的实时性.从形变恢复能力、反馈力及实时性3方面对不同模型下的系统性能进行了评价,结果显示所提算法能够保证虚拟软组织形变仿真的精确性与实时性,具有可行性与通用性.     

实时交互式软组织切割与变形计算模型

为提高虚拟手术模拟的交互性与实时性,提出一种软组织实时切割与变形计算模型.该模型以混合有限元模型为基础,根据手术过程中不同区域的交互特点,利用GPU加速手术区域的切割与变形计算;同时,对非手术区域的软组织因交互而引起的实时变形可通过选择性相乘的方法快速实现.实验结果充分证明,该计算模型可以灵活有效地实现实时软组织的交互切割与变形模拟.     

基于非线性力反馈模型的软组织变形仿真

虚拟手术仿真研究中反馈力一般采用线性模型,但软组织的反馈力往往呈现出非线性的特点.通过对软组织生物力学特性的分析,将非线性性质应用到软组织力反馈模型的研究.在保持原线性反馈力方向不变的前提下,加入非线性扰动,建立了反馈力的非线性模型,从而使反馈力更加真实.首先构建了人体肝脏物理模型,然后给出了非线性力反馈模型方程,并对人体肝脏物理模型变形和反馈力进行了仿真.为了减小计算量采用了整体刚度矩阵缩减算法.仿真结果表明该模型有较好的非线性和可调节性.     

一种基于弹簧振子模型的颅面软组织仿真算法

软组织仿真研究是利用计算机技术对真实软组织进行模拟以便研究,为医学工作者提供辅助和帮助科研工作者更好地进行虚拟手术。这方面的研究在国外已经较为普及,在国内尚处于起步阶段。软组织仿真算法已有多种成熟模型,其中较为代表性的有弹簧振子模型（MSS）和有限元模型（FEM）。在参阅了前人的研究基础上,选取了弹簧振子模型作为软组织仿真的物理形变模型,并对仿真算法进行编码和仿真实验,进而对实验效果进行分析,并提出改进之处。实验发现基于弹簧振子模型的软组织较好地实现了形变仿真的效果。     

质点弹簧模型在牙龈软组织形变仿真上的改进与应用

牙龈软组织的形变仿真和建模是虚拟牙齿矫正系统的重要部分.针对外力过大时传统质点弹簧模型引起的牙龈脱落牙齿的"超弹性"问题,在传统"面模型"的基础上,通过对比形变效果和形变速度来设置形变弹簧最优阈值.当形变弹簧缩短或伸长超过阈值时,将弹簧长度恢复为原始长度以作为下一次单步形变的初始长度,从而使面模型具有一种"体"的特征.在形变结束后采用"光滑度之和"来度量牙龈表面的光滑度,该方法从数值上对光滑度进行合理定义.在VTK环境下实现改进模型及相关模型,在真实扫描的牙颌三维模型数据上进行牙龈软组织形变仿真对比实验.结果表明,改进模型形变速度提高28%以上且光滑度之和明显降低,说明改进模型在保证较快形变速度的前提下较好地解决了超弹性问题.     

动力学修正的柔性体复合变形算法

传统柔性体变形算法存在动力学仿真不足的问题,为此,提出一种基于物理意义的复合变形算法.使用填充球模型丰富柔性体的动力学性质,解耦模型的局部变形和整体变形.柔性体外表面采用弹簧-质点模型,通过虚拟力的分层渲染,增强操作者的触觉感受.同时采用Shape Matching算法对模型的重心位置进行修正,解决由局部向全局传递形变...     

虚拟肩关节镜手术中软组织形变的模拟

为实现虚拟肩关节镜手术中软组织的形变模拟,提出一种改进的质点-弹簧模型.通过自适应采样及K阶最邻近节点快速查询算法,建立表面质点密度高而中心质点密度低的拓扑结构模型,在传统质点-弹簧形变模型的基础上,增加防止弹簧翻转的复原力,采用计算统一设备构架实现图形处理器的加速.模拟结果表明,该模型能够实现较真实的形变模拟.