用于心脏手术仿真的虚拟力反馈模型及软件实现

用于心脏手术仿真的虚拟力反馈模型及软件实现

摘要

由于现代人生活方式和生活条件的变化，心脏病日益成为一种常见疾病，同时心脏手术的需求量也急剧增加，然而由于培训方式和材料的特殊性，目前远远无法满足需求。

虚拟现实技术是利用电脑模拟产生一个三维的虚拟世界，提供给使用者视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般，可以及时、没有限制的观察三维空间内的事物，使用者进行位置移动时，计算机可以立即进行复杂的运算，将改变后的三维世界影响传回产生临场感。随着硬件和软件技术的发展，以及对虚拟现实技术研究的不断深入，目前已经有条件实现虚拟手术。

针对这个问题，本课题以虚拟现实技术为基础，以虚拟环境中的心脏模型作为研究对象，以Omega.7作为力反馈设备，用于向虚拟对象施加作用力，同时对输入的力用配备英伟达专业显卡的图形工作站进行处理，将得到的反作用力反馈给使用者，从而得到真实可感的力觉和触觉反馈。这种方法有望克服传统医生训练过程中采用人或其他动物标本作为研究对象的诸多缺点，可以更高效、便捷的培养外科医生，使其足以承担心脏手术的工作，满足患者对手术的需求。

本课题主要借助开源项目Chai3D和由瑞士Force Dimension提供的力反馈设备Omega. 7进行。Chai3D提供了一套对虚拟环境中的对象进行操作的编程接口和一组示例程序，可以在此基础上进行二次开发得到针对心脏手术的算法。Qt是一个跨平台的C++应用程序开发框架，提供了一套便捷的C++图形库和集成开发环境，原生支持OpenGL程序，为了更便捷的对虚拟环境中的对象进行操作，将给这个系统原型添加一个基于Qt的图形前端。

同时本次研究作为虚拟手术仿真项目的一个先导课题，为后续的深入研究做一些基础性工作。

关键词：心脏手术，手术仿真，力反馈，虚拟现实，碰撞检测

Abstract

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目   录

1 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究内容 1

1.3 研究现状 2

1.4 研究意义 3

1.5 研究方法 3

1.5.1 硬件方面 3

1.5.2 软件方面 5

1.5.3 理论基础 7

1.6 范文构成 7

2 方案设计 8

2.1 实验材料 8

2.2 碰撞检测算法 9

2.2.1 轴对齐包围盒法 12

2.2.2 包围球法 12

2.2.3 方向包围盒法 12

2.2.4 固定方向包围盒法 12

2.3 力反馈算法 14

2.3.1 有限元模型 15

2.3.2 弹簧-质点模型 15

2.4 变形算法 17

3 平台搭建 18

3.1 硬件平台 18

3.1.1 硬件选择 18

3.1.2 安装软件环境 18

3.1.3 设备初始化 19

3.1.4 问题排除 19

3.1.5 效果示例 20

3.1.6 小结 20

4 实验步骤 22

4.1 模型处理 22

4.1.1 模型获取 22

4.1.2 格式转换 22

4.1.3 材质处理 24

4.2 模型导入 24

5 结果 26

结论 27

致谢 28

参考文献 29

附录A 计算反作用力 30

附录B 计算力的效果 31