支持力反饋的虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)

郭 琦，鄭津津

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機械與精密儀器系，安徽 合肥 230027）

0 引言

虛擬手術(shù)是一門綜合性學(xué)科，利用醫(yī)學(xué)影像的數(shù)據(jù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，通過計算機和力學(xué)反饋設(shè)備構(gòu)建一個虛擬的環(huán)境，可以為外科醫(yī)生提供虛擬的訓(xùn)練、學(xué)習(xí)環(huán)境，還可以應(yīng)用于手術(shù)前的規(guī)劃和演練，以提高手術(shù)的成功率［1］。虛擬手術(shù)涉及到醫(yī)學(xué)、計算機圖形學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域，需要用到幾何建模、物理建模、碰撞檢測、變形計算和觸覺反饋等技術(shù)［2］。目前，國外的許多大學(xué)、研究機構(gòu)和商業(yè)公司都對醫(yī)學(xué)的虛擬手術(shù)進行了研究和實踐，尤其是在手術(shù)的仿真訓(xùn)練領(lǐng)域［3］。在國內(nèi)也有很多機構(gòu)進行相關(guān)研究工作，主要研究方向集中在醫(yī)學(xué)影像的三維重建、手術(shù)過程中的碰撞檢測和模擬軟組織的變形計算等方面［4-5］。為此，設(shè)計并實現(xiàn)了一種支持觸覺反饋的虛擬手術(shù)系統(tǒng)，可以實時觀察虛擬手術(shù)的過程，并感受到手術(shù)過程中的觸覺。

1 仿真系統(tǒng)

1.1 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中力學(xué)反饋設(shè)備是整個系統(tǒng)中價格最昂貴，也是最重要的組成部分。操作者可以通過控制力學(xué)反饋設(shè)備的手柄，由力學(xué)反饋設(shè)備中的傳感器跟蹤手柄的位置、運動和轉(zhuǎn)動，從而控制虛擬手術(shù)中的刀具；同時力學(xué)反饋設(shè)備還能將虛擬手術(shù)中生成的觸覺信息通過手柄反饋給操作者；這樣，操作者就可以實時感受手術(shù)過程中的觸覺反饋。顯示設(shè)備可以將整個手術(shù)過程中的虛擬場景實時地顯示在操作者的面前，這樣，就能產(chǎn)生相對逼真的虛擬手術(shù)環(huán)境。

圖1 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 硬件組成

系統(tǒng)使用的硬件是PHANTOM Premium 1.5／6DOF力反饋器，仿真系統(tǒng)所用的計算機配置為Intel（R）Pentium（R）43.00GHz處理器、512MB內(nèi)存和NVIDIA GeForce 7600GS圖形顯卡等。

系統(tǒng)所用到的力學(xué)反饋設(shè)備如圖2所示。操作者通過力反饋器的手柄控制虛擬刀具與虛擬肝臟的交互作用。力學(xué)反饋器的手柄有6個自由度，包括沿X，Y，Z方向的移動自由度和3個轉(zhuǎn)動自由度；因此可以模擬出刀具任意的空間運動姿態(tài)。它的平移分辨率是0.03mm，旋轉(zhuǎn)、搖擺分辨率是0.0023°。同時，它可以產(chǎn)生多種反饋力效果，比如直接作用力、脈沖和顫動等，可以使操作者實時地感受到虛擬手術(shù)過程中的作用力。

圖2 力學(xué)反饋設(shè)備

1.3 軟件組成

虛擬手術(shù)系統(tǒng)軟件以MFC類庫、OpenGL圖形庫、力學(xué)反饋設(shè)備的驅(qū)動程序以及力學(xué)反饋設(shè)備所提供的應(yīng)用程序編程接口，包括Haptic Device API（HDAPI）和 Haptic Library API（HLAPI）為基礎(chǔ)，開發(fā)環(huán)境是Visual Studio，軟件運行的平臺是Windows XP。虛擬手術(shù)軟件的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件體系

力學(xué)反饋設(shè)備提供的API可以提供低層的接口函數(shù)，這樣，編寫程序時就可以把主要工作放在觸覺場景的產(chǎn)生、控制場景中的力學(xué)屬性、對場景中模型的控制以及觸覺反饋的效果等方面。

2 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 對象的建模

構(gòu)建虛擬手術(shù)所需的柔性物體模型，需要考慮幾何建模和物理建模。力變形模型建模的基本思路是通過幾何插值法，改變模型表面點的位置坐標從而改變物體的形狀；并通過前后坐標之間的差值，即變形量來計算接觸力［6］。

2.2 有限元模型

有限元模型以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和彈性力學(xué)為基礎(chǔ)，將模型連續(xù)地離散為若干個單元，單元之間通過邊界上的節(jié)點相互聯(lián)結(jié)。用每個單元的近似函數(shù)分片地表示未知變量場，再通過變分原理或加權(quán)余量法，建立代數(shù)方程組或常微分方程組，以求解基本未知量。計算位移變量時，有限元每個單元的任意一處位移都可以通過位移函數(shù)，也就是該單元節(jié)點位移值來確定［7］。由于單元節(jié)點和單元邊界的共用性，位移在各單元之間是連續(xù)的。這樣，就能得到系統(tǒng)動力學(xué)平衡方程：

M，D和K分別為模型的質(zhì)量、阻尼和剛度，F(xiàn)為外力的合成向量，X為節(jié)點位移。由邊界條件可以求出各個單元節(jié)點的位移，再通過位移函數(shù)就能得到任意點的位移量。

有限元模型仿真精度較高，但計算量也比較大，也就耗時較長，因此在實際應(yīng)用時需要簡化。為此，Seiferta提出了快速有限元算法［8］，Bro-Nielsen提出了濃縮技術(shù)的思想。濃縮技術(shù)也是基于線性假設(shè)，希望能快速求解有限元方程。由于在虛擬現(xiàn)實技術(shù)中，人們更關(guān)心表面的形變而不是內(nèi)部的形變，所以就把方程系數(shù)矩陣中的和內(nèi)部節(jié)點形變相關(guān)的系數(shù)去除掉，從而降低了計算量［9］。Berkley借鑒了濃縮法的思想，加上一定的約束邊界條件，開發(fā)了一套手部虛擬縫合手術(shù)仿真系統(tǒng)［10］。

2.3 基于三角形面片的建模

應(yīng)用最普遍的幾何建模方法是使用三角形面片構(gòu)造三維模型，優(yōu)點是在模型發(fā)生變形時，任意三點能確定一個平面，而不需要考慮模型如何變形，這是其他多邊形面片無法做到的［11］。

3 仿真系統(tǒng)

3.1 程序流程

虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)在初始化中，除了要構(gòu)建MFC的程序框架之后，還要與力反饋設(shè)備建立通信連接并渲染出OpenGL視口。在此之后，操作者才能順利加載模型文件，包括虛擬手術(shù)所需的醫(yī)學(xué)模型和工具模型。程序支持OBJ和3DS模型，所有模型都可以由3DS MAX一類的三維造型軟件中導(dǎo)出，這樣，操作者就能非常方便地獲取和修改模型。程序流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)流程

3.2 界面

虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)中，單擊“加載模型”按鈕，從彈出的選擇文件對話框中選擇要加載的醫(yī)用模型文件。模型顯示在窗口界面后，操作者按住鼠標左鍵實現(xiàn)模型的旋轉(zhuǎn)，按住鼠標的右鍵實現(xiàn)模型的平移拖動，用鼠標中間滾輪實現(xiàn)模型的縮放，這樣就能選擇實驗所需合適的視角。同時，系統(tǒng)還提供了多種模型的顯示方式，可以顯示點、線、面和線面，方便操作者觀察模型。單擊“模型屬性”按鈕，在彈出的模型屬性對話框中設(shè)置模型的物理屬性，如剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)等。單擊“加載工具”按鈕，從彈出的加載工具對話框中，選擇所需的工具。這樣，就完成了所有的準備工作。

4 結(jié)束語

分析了一個基于VC++，OpenGL，HDAPI和HLAPI構(gòu)建的虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)，通過PHANTOM Premium力反饋設(shè)備，能夠較好地模擬醫(yī)學(xué)手術(shù)的過程。在交互過程中，操作者能夠通過力反饋設(shè)備的手柄，實時地感受到手術(shù)中的觸覺。

系統(tǒng)還有局限性，今后要進一步完善的工作包括：優(yōu)化程序的算法，以提高計算速度；進一步研究人體軟組織的變形機理，考慮到軟組織的不均勻性、非線性和粘彈性等材料性質(zhì)，以實現(xiàn)更加逼真的仿真效果。

［1］程立英.虛擬手術(shù)若干關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.沈陽：東北大學(xué)，2006.

［2］薛 清.虛擬手術(shù)中的軟組織建模與應(yīng)用［D］.上海：上海交通大學(xué)，2006.

［3］王艷飛.虛擬手術(shù)系統(tǒng)的研究及其仿真平臺開發(fā)［D］.沈陽：東北大學(xué)，2006.

［4］張小瑞，宋愛國，孫 偉，等.支持力／觸覺反饋的虛擬肝臟手術(shù)仿真系統(tǒng)［J］.東南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，39（3）：490-494.

［5］張小瑞，孫 偉，宋愛國，等.用于實時人機交互的增強力觸覺模型［J］.高技術(shù)通訊，2012，22（3）：299-304.

［6］Salisbury，K，Barbagli F，Conti F.Haptic rendering：introductory concepts［J］.IEEE Computer Graphics and Applications，2004，24（2）：24-32.

［7］黃紹輝，王博亮.使用有限元模型仿真可變形物體的研究進展［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2007，19（22）：5315-5324.

［8］Seiferta S，Burgerta O，Wachter I，et al.Deformable modelling of the cervical spine for neurosurgical navigation［J］.International Congress Series，2004，1268：455-460.

［9］Bro-Nielsen M.Finite element modeling in surgical simulation［J］.Proceedings of the IEEE，1998，86（3）：490-503.

［10］Berkley J，Turkiyyah G，Berg D，et al.Real-time finite element modeling for surgery simulation：an application to virtual suturing［J］.IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics，2004，10（3）：314-325.

［11］蔡 偉，況迎輝.觸覺可視化技術(shù)中柔性物體變形模型研究［J］.計算機技術(shù)與發(fā)展，2010，20（3）：20-23.