用于心臟手術仿真的虛擬力反饋模型及軟件實現

用于心臟手術仿真的虛擬力反饋模型及軟件實現

摘要

由于現代人生活方式和生活條件的變化，心臟病日益成為一種常見疾病，同時心臟手術的需求量也急劇增加，然而由于培訓方式和材料的特殊性，目前遠遠無法滿足需求。

虛擬現實技術是利用電腦模擬產生一個三維的虛擬世界，提供給使用者視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境一般，可以及時、沒有限制的觀察三維空間內的事物，使用者進行位置移動時，計算機可以立即進行復雜的運算，將改變后的三維世界影響傳回產生臨場感。隨著硬件和軟件技術的發展，以及對虛擬現實技術研究的不斷深入，目前已經有條件實現虛擬手術。

針對這個問題，本課題以虛擬現實技術為基礎，以虛擬環境中的心臟模型作為研究對象，以Omega.7作為力反饋設備，用于向虛擬對象施加作用力，同時對輸入的力用配備英偉達專業顯卡的圖形工作站進行處理，將得到的反作用力反饋給使用者，從而得到真實可感的力覺和觸覺反饋。這種方法有望克服傳統醫生訓練過程中采用人或其他動物標本作為研究對象的諸多缺點，可以更高效、便捷的培養外科醫生，使其足以承擔心臟手術的工作，滿足患者對手術的需求。

本課題主要借助開源項目Chai3D和由瑞士Force Dimension提供的力反饋設備Omega. 7進行。Chai3D提供了一套對虛擬環境中的對象進行操作的編程接口和一組示例程序，可以在此基礎上進行二次開發得到針對心臟手術的算法。Qt是一個跨平臺的C++應用程序開發框架，提供了一套便捷的C++圖形庫和集成開發環境，原生支持OpenGL程序，為了更便捷的對虛擬環境中的對象進行操作，將給這個系統原型添加一個基于Qt的圖形前端。

同時本次研究作為虛擬手術仿真項目的一個先導課題，為后續的深入研究做一些基礎性工作。

關鍵詞：心臟手術，手術仿真，力反饋，虛擬現實，碰撞檢測

Abstract

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目   錄

1緒論1

1.1 研究背景1

1.2 研究內容1

1.3 研究現狀2

1.4 研究意義3

1.5 研究方法3

1.5.1 硬件方面3

1.5.2 軟件方面5

1.5.3 理論基礎7

1.6 論文構成7

2方案設計8

2.1 實驗材料8

2.2 碰撞檢測算法9

2.2.1 軸對齊包圍盒法12

2.2.2 包圍球法12

2.2.3 方向包圍盒法12

2.2.4 固定方向包圍盒法12

2.3 力反饋算法14

2.3.1 有限元模型15

2.3.2 彈簧-質點模型15

2.4 變形算法17

3平臺搭建18

3.1 硬件平臺18

3.1.1 硬件選擇18

3.1.2 安裝軟件環境18

3.1.3 設備初始化19

3.1.4 問題排除19

3.1.5 效果示例20

3.1.6 小結20

4實驗步驟22

4.1 模型處理22

4.1.1 模型獲取22

4.1.2 格式轉換22

4.1.3 材質處理24

4.2 模型導入24

5結果26

結論27

致謝28

參考文獻29

附錄A 計算反作用力30

附錄B 計算力的效果31