引文：吴宏宇，俞浩南，叶凡，孙健，高元，谭克，郝爱民。具有触觉反馈的交互式肝实质横断模拟。虚拟现实智能硬件，2021，3（5）：383-396DOI：10.1016/j.vrih.2021.09.003虚拟现实智能硬件2021年12月3日第5·文章·具有触觉反馈的洪宇武1，2*，霍纳恩YU1，法恩YE1，吉安SUN3，永安GAO3，凯TAN3，阿明HAO11. 北京航空航天大学计算机科学与工程学院，虚拟现实技术与系统国家重点实验室，北京1001912. 北京生物医学工程先进创新中心，北京1001913. 中国人民解放军总医院，北京100039*通讯作者，whyvrlab@buaa.edu.cn投稿时间：2021年3月11日修订日期：2021年8月26日接受日期：2021年9月6日国家自然科学基金资助项目（61902014）;中国医学科学院虚拟人与虚拟手术研究单位（2019 RU 004）;解放军总医院医学创新研究项目（CX 19032）。摘要背景肝切除术涉及手术切除部分肝脏。它用于治疗肝肿瘤和肝损伤。这种手术的复杂性和高风险性阻止了新手医生在真正的病人身上实践。虚拟手术模拟被开发用于模拟外科手术，以使医疗专业人员能够在不需要患者、尸体或动物的情况下接受培训。因此，迫切需要开发一种肝切除手术仿真系统。我们提出了一个实时仿真系统，提供逼真的视觉和触觉反馈肝实质横断。方法四面体结构和基于聚类的形状匹配用于物理模型构建、三维肝脏模型软变形仿真的拓扑更新和触觉渲染加速。在肝实质分离模拟过程中，采用四面体网格对手术伤口进行曲面三角形剖分和曲面生成。形状匹配的聚类是通过使用四面体网格构建的无向图上的组件检测来分离的。结果在我们的系统中，基于聚类的形状匹配是在GPU上实现的，而触觉渲染和拓扑更新是在CPU上实现的。实验结果表明，触觉渲染可以在高频率（> 900 Hz），而网格皮肤和图形渲染可以在45 fps。拓扑更新可以在单个CPU线程上以交互速率（>10Hz）执行。结论提出了一种基于四面体结构的交互式肝实质横断仿真方法。四面体网格同时支持物理模型构建、拓扑更新和触觉渲染加速。关键词 虚拟手术;肝实质横断;基于位置的动力学1引言肝切除术，也称为肝切除术，涉及手术切除全部或部分肝脏。它2096-5796/©版权所有2021北京中科学报出版有限公司Elsevier B. V.代表KeAi Communization Co. Ltd.提供的出版服务。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。www.vr-ih.com虚拟现实智能硬件2021年12月3日第5用于治疗肝肿瘤和肝损伤[1]。肝切除术中必须进行肝实质横断。在该手术中，通过钝性分离或电凝法分离肝实质，并且肝导管系统（包括胆管、肝动脉、肝静脉和门静脉）可以保持不受外科器械损伤。这通常需要熟练的手术操作，因为不适当的治疗可能导致潜在的危及生命的并发症。肝实质横断的复杂性和高风险使新手医生无法在真实患者身上进行手术。基于虚拟现实技术的虚拟手术用于培训外科医生，而无需使用动物或尸体在对活体患者进行手术之前获得经验[2]。这种方法有可能提高外科医生的技能，而不会危及患者的生命。本文介绍了一个具有视觉和触觉反馈的肝实质横断模拟系统。新手医生可以通过我们的系统体验手术过程。对于该系统，我们使用GPU加速的基于位置的动力学框架来模拟肝脏变形，并将形状匹配[3，4]约束应用于形状保持和触觉碰撞检测。一个基于约束的方法被用来计算在触觉渲染周期的图形工具的位置。由各向同性网格生成的四面体结构用于肝脏的物理模型构建和拓扑更新。我们的系统可以实现交互式和任意的分离模拟。分离过程中产生的碎片被有效地检测和消除。本研究的贡献如下：● 提出了一种基于四面体的肝实质横切仿真框架● 基于形状匹配的刚性工具和软体交互的触觉渲染被执行。本文的其余部分组织如下。在第二节中，我们简要回顾了相关的研究。第三部分介绍了我们的方法，包括我们的系统的框架，肝脏系统的建模，肝脏模型的拓扑更新，和触觉渲染。第4节介绍了本研究中进行的实验。第5节对结果进行了讨论。2相关工作软组织变形、电烙术和触觉再现是手术模拟的三个基本组成部分。接下来，我们简要回顾与这些组件相关的研究。2.1软组织形变仿真体软体的模拟是计算机图形学中的一个重要研究课题。质量弹簧系统[5]由于其简单性而广泛用于织物模拟。在这种方法中，软体被建模为一组由理想的失重弹簧连接的点质量。然而，当发生变形时，它不能很好地保持软体的体积，并且弹簧的刚度参数不能容易地调整。有限元法[6]是一种物理上更精确的方法，用于求解控制弹性材料动力学的偏微分方程。通过将柔性体划分为多个实体单元并求解每个单元中的应力和应变，将柔性体建模为弹性连续体。然而，它不能实现实时性能，由于其高的计算复杂度。基于位置的动力学[7]（PBD）在图形社区中变得流行。与基于脉冲/速度的方法不同，PBD直接操纵位置。这提出了许多优点，如避免过冲问题的显式积分计划和更容易管理的冲突约束。384Hongyu WU等人：具有触觉反馈的交互式肝实质横断模拟2.2电灼模拟电烙术是利用由电流加热的金属探针的热传导来破坏组织（或切割软组织）的过程。体积数据用于软组织建模，并且可以使用基于步进立方体的算法来模拟组织的去除[8]。Pan等人使用热传递函数来模拟热传递[9]。他们使用两种类型的粒子模拟软组织的物理特性，即，对于无网格变形具有较低分辨率的物理粒子，以及对于热传输和网格重构具有较高分辨率的图形粒子。Pan等人通过组织切除模拟减少了四面体的剩余体积，从而简化了网格重建[10]。Lu等人提出了一种双网格动态三角剖分算法，用于组织被移除时的网格更新[11]。2.3触觉渲染触觉渲染可以分为碰撞检测和碰撞响应过程。基于网格的碰撞检测使用细节层次策略来加速虚拟工具和高分辨率网格之间的碰撞检测[12]。基于体素的碰撞检测用于模拟虚拟骨骼上的钻孔操作[13]。基于约束的碰撞响应被广泛用于触觉渲染。这些方法试图将图形工具的姿态约束为不穿透，而触觉工具可以穿透对象。与基于惩罚的方法[14]相比，基于约束的方法可以产生更稳定和准确的触觉结果。Wang等人提出了一系列基于约束的六自由度触觉渲染方法[15- 17]。采用球树拟合形状几何，加速碰撞检测。通过插入对象，执行基于简化的优化以保留图形工具。触觉渲染的概述见[18]。2.4实时手术模拟具有触觉反馈的实时手术仿真已经被广泛研究，腹腔镜手术是其中的典型示例。Sui等人模拟了腹腔镜直肠癌根治术的电烙术[19]。Kim等人提出了一种用于腹腔镜胆囊切除术训练模拟器的可变形网格雕刻新方法[20]。Li等提出了一种具有导丝和导管物理模拟以及X射线成像模拟的患者特定手术PCI模拟系统[21]。Ruthenbeck等人提出了一种内窥镜鼻窦手术模拟方法[22]。Fann等人提出了一种心脏手术模拟环境[23]。Wang等人提出了一种用于初步用户培训的基于触觉的牙科模拟器[24]。Shi等人提出了一种用于虚拟肝脏手术中实质描绘和分裂的模拟方法[25]，但只能分离预定义区域。3方法3.1概述我们的系统的概述如图1所示，其中包括肝脏的图形和物理建模、肝脏拓扑更新以及具有触觉反馈的物理模拟建模过程包括图形模型、物理模型和四面体结构的构建。我们首先重建肝脏表面和肝内血管的粗三角形网格的CT数据，使用商业软件，如Mimics和3ds Max。然后，将这些网格优化为各向同性网格，其三角形是规则的，具有相似的面积。接下来385虚拟现实智能硬件2021年12月3日第5图1系统概述优化后的网格内部空间采用近似正四面体离散，并直接利用四面体网格的顶点（物理粒子）进行软变形。拓扑更新过程在去除部分肝实质的情况下，基于四面体结构重建肝脏模型。我们模拟了两种典型的外科手术：钝性分离和电凝。钝性分离涉及肝实质的物理破坏，其中物理颗粒被直接去除。电凝通过高频电流烧灼肝实质，物理颗粒经过热传导和相变被去除。电凝钩附近的物理颗粒被加热，能量通过四面体边缘通过热传递模型传递到其他颗粒。如果物理粒子的温度达到阈值，则移除物理粒子，并且必须更新曲面网格和簇的拓扑。我们分离表面三角形，并生成一个三角形的伤口表面上的隐式四面体结构的基础上。基于连通分量的数目来分离相应的聚类。在物理仿真过程中，在基于位置的动力学框架中，在较低的频率（>30Hz）下，在形状匹配约束下进行软变形。随后，触觉渲染在不同线程中以更高频率（>900Hz）更新。触觉渲染周期包括两个阶段：碰撞检测和碰撞响应。采用基于几何特征的形状匹配加速虚拟工具与物理粒子的碰撞检测，并采用基于约束的优化方法获得图形工具的非穿透位置。3.2肝脏系统肝脏系统的图形网格包括肝包膜（肝脏表面）和肝内血管（胆管、肝动脉、肝静脉和门静脉），如图2所示。每个图形网格由一组物理粒子驱动，以实现软变形。如图3所示，不同的网格蒙皮方案用于肝包膜和肝内血管。肝包膜的每个顶点都直接图2肝脏系统的图形网格。386Hongyu WU等人：具有触觉反馈的交互式肝实质横断模拟图3肝脏模型示意图。红色球体代表物理粒子。黄线是四面体的边。左图显示了肝脏表面网格和物理颗粒的截面图，为了可视化而简化。在物理模拟过程中，肝脏网格的每个顶点由一个物理粒子直接驱动。右图显示肝内血管的表面网格和物理颗粒（为清晰起见，仅显示门静脉）。门静脉表面网格嵌入到四面体网格中。在物理模拟过程中，门静脉网格的每个顶点由四面体驱动由物理粒子驱动，而肝内血管的每个顶点与四面体相关联，并且其位置使用四面体的重心坐标来计算。为了实现大规模变形和并行加速，我们使用了一个基于位置的动力学框架与基于聚类的形状匹配约束。具体地，物理粒子被分组为具有相同半径的若干簇。相邻的簇包含重叠的颗粒，防止肝脏破坏。此外，我们增加了额外的集群物理连接肝实质和肝内血管。肝实质分离的模拟通常涉及图形和物理模型的频繁拓扑更新。因此，我们使用了建立在肝实质的物理颗粒上的四面体结构。基于肝脏系统的几何形状，可以有效地构建肝脏的三维模型。目前，最低成本和有效的方法是使用常用的基于医学图像的建模软件（如Materialise Mimics[26]或3D Slicer[27]）从CT数据重建三角形网格。重建后的曲面三角形网格可能存在棱边尖锐、三角形面积较大、三角形狭长等问题，不利于网格变形和物理模型的构建。因此，我们将这些网格转换为各向同性网格，这意味着转换后的网格的所有三角形都是规则的，并且具有相似的面积。各向同性转换保证了变形后三角网格的光滑性和物理粒子的均匀分布。我们使用开源算法Instant Mesh[28]来完成各向同性转换。商业软件ZBursh[29]实现了相同的结果。基于各向同性三角形网格，建立了肝实质和肝内血管的物理模型。我们使用自动网格生成器TetGen[30]将肝脏内部的三维空间划分为四面体。随后，四面体顶点被用作肝实质的物理颗粒。在该过程中，肝脏胶囊网格的每个顶点与四面体顶点具有唯一的连接。优化后的肝脏表面网格各向同性，其三角形面积相同，因此，四面体的顶点均匀分布在肝脏内部。由于复杂的管状形状，肝内血管比肝包膜有更多的顶点。因此，肝内血管网格的顶点不能用作物理粒子。我们使用NetGen[31]生成了肝内血管的外部四面体网格，以获得物理粒子。此外，本发明还387虚拟现实智能硬件2021年12月3日第5我们使用了基于簇的形状匹配约束。物理粒子应该被分组为形状匹配的簇。在我们的研究中，在四面体顶点上进行聚类过程。对于肝脏系统的每个对象，我们基于四面体中心和预定义的聚类半径对粒子进行聚类，相邻的聚类包含重叠的粒子;关于聚类的更多细节可参见[4]。此外，我们创建了额外的簇以物理连接肝实质和肝内血管。3.3用于肝实质去除的通过钝性分离或电凝去除实质。钝性解剖直接去除物理颗粒，电凝通过加热到熔点来烧掉物理颗粒。我们使用热传递函数[9]来模拟沿着四面体网格边缘的肝实质物理粒子之间的能量传输。一旦颗粒被去除，伤口表面的顶点和三角形网格被生成，并且相应的簇被分成子簇。当物理粒子的一部分被移除时，相应四面体的内部被暴露，并且肝脏表面网格的相应三角形必须被移除或分离成小三角形。我们基于移动四面体[32]（MT）生成四面体的内部三角形，这是移动立方体[33]（MC）的扩展。与MC和双条件方法[34]相比，MT算法不需要存储在立方网格中的体素。当四面体的顶点被移除时，我们使用两个端点的权重和在相应的边上生成新的顶点。然后，根据预定义的配置，通过连接新的顶点来获得内部三角形。在四面体中，可以实现14个三角形配置（24 - 2;如果没有顶点或所有顶点都被删除，则不会生成内部三角形）。图4 b-图4d显示了14种配置中的三种，其余11种是这三种配置的旋转版本。行进四面体的概念可用于分离肝脏表面上的三角形。如图4所示，如果移除一个或两个顶点，则相应边上的新顶点由图4内三角形生成和曲面三角形细分。红色球体表示有效状态。球体 黑色意味着它被删除了。绿色的球体是由两端的加权和生成的。(a)原四面体;（b）去除一个顶点的三角形生成;（c）去除两个顶点的三角形生成;（d）去除三个顶点的三角形生成;（e）原始三角形;（f）去除一个顶点的三角形细分;（g）去除两个顶点的三角形细分。388Hongyu WU等人：具有触觉反馈的交互式肝实质横断模拟两个端点的加权和。基于预定义的配置，三角形被分成小三角形。可以实现六种三角形配置（23-2;如果去除非顶点或所有顶点，则不会生成三角形）。图4f和图4g示出了六种配置中的两种，并且其余四种是两种配置的旋转版本。当物理颗粒的一部分被去除时，簇可以被分离成两个不连接的子簇而没有重叠区域以实现物理分离。图论中的连通分量检测[35]可以用来分离聚类。将物理粒子和四面体的边看作一个无向图，采用广度优先搜索算法进行连通域检测。如果只检测到一个连接的组件，并且没有物理粒子被完全删除，则不会更新群集，如图5b所示。如果检测到多个连接的组件，则将从连接的组件重建集群，如图5c所示。图5聚类分离和网格蒙皮。红色点表示物理粒子，绿色点表示三角形网格的顶点。(a)一个团簇的原始结构;（b）从团簇中去除几个物理粒子;（c）去除几个物理粒子，将团簇分成两个子团簇。如第3.2节所述，肝脏胶囊网格的顶点直接由物理粒子驱动。然而，没有物理粒子被分配到由行进四面体生成的顶点。因此，我们使用线性混合蒙皮方法来获得顶点v的位置：v=Ri p+Ti，其中i是距离顶点v最近的簇的索引，p是簇i在局部坐标系中的位置，Ri是旋转矩阵，Ti是平移向量。3.4虚拟工具与软体交互的触觉渲染目前流行的触觉设备只能提供三维力反馈，不能提供扭力反馈。因此，我们在我们的系统中提供了两种类型的力：手术器械压向软组织时的接触力和使用抓钳夹持软组织时的拉力。我们使用了基于约束的触觉渲染方法来生成手术器械和可变形器官之间的接触力。为了实现这一点，我们定义了三种类型的虚拟工具的触觉渲染周期：触觉，物理和图形。如图6a所示，触觉工具的位置直接从触觉设备获得，当触觉工具穿透虚拟器官时，触觉设备经由非穿透约束放置在柔软物体的表面上;物理工具用于碰撞检测，并且其位置在触觉工具和图形工具之间这些工具的位置分别表示为qt、qt和qt，其中t是帧索引。h p g触觉渲染周期包括两个阶段：碰撞检测和碰撞响应。在碰撞检测阶段，触觉工具可以深深地插入到柔软物体中，如图6a所示。因此，我们无法获得物体表面附近的粒子用于图形工具优化。因此，我们认为，389f（q）=pGH虚拟现实智能硬件2021年12月3日第5图6刚性工具和软体交互的触觉渲染。(a)虚拟工具的定义;（b）与群集的碰撞检测;（c）与物理粒子的碰撞检测;（d）图形工具优化。我们定义了一种使用物体表面附近的物理粒子进行碰撞检测的物理工具。使用触觉工具的位置的加权和计算物理工具的位置，帧t，以及图形工具在最后一帧t-1中的位置，如下：qt=ωqt-1+（1-ω）qt。我们通常将ω设置为0.95，这使得物理工具部分地穿透到对象中，使得可以在表面粒子上执行碰撞检测。使用参数化胶囊来拟合用于碰撞检测的图形工具。肝脏模型通常包含数万个颗粒。对这些粒子的粗暴碰撞检测是耗时的。因此，我们使用基于形状匹配聚类的两步过程来加速碰撞检测。计算了每个仿真循环的簇半径和簇中心。第一步是胶囊-球体碰撞检测，如图6 b所示。第二步是胶囊-颗粒碰撞检测，如图6c所示。这些程序属于离散碰撞检测;然而，它们以高频率执行，并且可以有效地避免工具穿过薄而软的物体。在碰撞响应阶段，我们根据通过碰撞检测获得的粒子将物理工具投影到其非穿透位置（图形工具）。图形工具的位置qg= [xg，yg，zg]通过求解以下二次规划问题获得：min1（qg-qh）TK（qg-qh）qg2S.T. C1（qg）≥ 0C2（qg）≥ 0…n（qg）≥ 0二次项是表示触觉工具和图形工具之间的差异的能量，这意味着图形工具必须尽可能靠近触觉工具放置。 在上述等式中，K表示刚度矩阵。距离约束Ci（q）≥ 0意味着图形工具（胶囊）不能与物理粒子i之一相交，n是碰撞的粒子数物理工具。物理粒子的位置用p= [xp，yp，zp]表示。 一个粒子可能与一个圆柱体或两个半球体的胶囊碰撞。如果粒子与胶囊的圆柱体碰撞，则距离能量定义为：（Dc（p））2-R2与圆柱体（Ds（p））2-R2与球的这里，D c（p）=|（p-q）-点（p-q，dc）dc|是粒子和圆柱轴之间的欧几里得距离，D s（p）=|p-Q|2是粒子和球心之间的欧几里得距离，R是粒子半径和胶囊半径之和，其中dc= [x dc，y dc，z dc]是胶囊轴的单位矢量。为了避免平方根运算，采用了二次型。这有利于梯度运算，390Cp我MNpi= 0j = 0i、我J我JHongyu WU等人：具有触觉反馈的交互式肝实质横断模拟f（q），这是一个无法有效求解的高度非线性公式。它可以线性化，使用一阶泰勒展开，如下：f（q）<$f（qt-1）+<$f（qt-1）（q-qt-1）其中Qt-1是前一帧的位置。梯度算子ψf（q t-1）在附录中描述。C（q）可以用以下线性形式表示：C（q）=f（qt-1）q-f（qt-1）qt-1+f（qt-1）在我们的研究中的优化问题涉及线性不等式约束的二次规划。我们使用开源库Quadprog++[36，37]来解决这个问题。最后，通过触觉和触觉之间的差向量计算第t帧处的三维接触力。图形工具，如下：ht=g（qt-qt），其中g是控制力的刚度系数大小ch g抓钳用于夹持部分软组织。因此，我们模拟这种剪切操作，通过添加一个硬位置约束的颗粒在抓区域;当抓区域中的颗粒被检测到，我们首先将它们转换到手术工具的局部坐标空间，并在每一个触觉帧，他们被翻译到字的位置使用的触觉设备的过渡矩阵。基于这些，在框架t处的拉力ht由胡克定律产生：ht=k∑∑Δdt其中k是刚度系数，在我们的系统中设置为0.001;M是抓取区域中的粒子数量;N是相邻粒子的数量（我们使用四面体边缘来找到相邻粒子）。Δdt，j是裁剪粒子pi和相邻粒子pj之间的位置偏移：Δd t= max（0，|p t-p t|2 - -一种|p0-p0|（二）当手术器械接触器官时，应发生变形。为了实现这一点，根据牛顿第二定律，使用反馈力来改变物理粒子的速度因此，对于不同的组织，物理颗粒的质量或簇的刚度可以被设置为不同的值4结果4.1硬件设置和实验数据我们系统的硬件是一个工作站，配有NVIDIA GeForceRTX 2080 Ti、Intel i9- 9900 K CPU、16 GB RAM和两个触觉设备，如图7.使用的触觉设备是Geomagic Touch[38]，它可以模拟实际手术中手术工具的6个自由度运动。图形网格在图8的第一行中示出。在图8的第二行中，簇被可视化为球体。两团簇的重叠区域等于团簇半径。关于顶点、三角形、簇和四面体的详细信息见表1。肝脏颗粒的平均簇半径设定为0.84 cm，每个簇包含约50个颗粒。这是考虑到效率贸易-触觉碰撞和软变形之间的关系。图7硬件设置。391i、虚拟现实智能硬件2021年12月3日第5图8集群的可视化。顶行显示图形网格，底行显示簇穿过球体的位置和半径。表1肝脏系统顶点数量三角形数量四面体数量物理颗粒量群集数量平均簇半径/cm肝267215344283193214609029940.84胆管682513464164454243650.46肝动脉1323226460139340104340.47肝静脉1630032593282638432770.45门静脉2216244318219316898220.47总和852401702778851631708543892-4.2仿真结果在这项研究中，触觉渲染和软变形分别使用C++语言和CUDA开发。在模拟循环中，软变形在GPU上并行模拟。通过触觉渲染在单个CPU线程中模拟肝实质切除，然后在独立CPU线程上执行肝脏、胆管、肝动脉、肝静脉和门静脉网格的网格蒙皮。使用Unity3D软件开发图形渲染。虚拟肝脏系统包含超过17万个物理粒子和3.8k个簇。然而，大多数物理粒子和簇在肝脏内部，并且它们不参与触觉碰撞检测。因此，在表面簇上执行触觉渲染的碰撞检测以加速触觉渲染周期。我们使用上述的并行方法来保证我们的系统的交互性能。表2显示了我们系统子步骤的平均时间成本，时间成本是根据图9和图10所示的模拟场景确定的。表2仿真周期平均时间成本ms子步骤软变形触觉渲染拓扑布局更新网格蒙皮图形渲染时间成本36.81.0598.320.83我们的系统提供了一个逼真的手术场景中的视觉和力反馈。肝实质切除过程的模拟如图9和图10所示。连续切除软组织，创面网格拓扑结构自然更新。图11显示了虚拟工具和受损肝脏之间的相互作用。抓取钳和剪刀的物理模型近似使用两个胶囊进行触觉渲染。期间392Hongyu WU等人：具有触觉反馈的交互式肝实质横断模拟图9肝实质电凝烧灼术。图10肝实质钝性分离。仿真中，基于约束的触觉渲染方法可以防止图形工具穿透虚拟器官。当手术工具接触或抓住软组织时，用户可以通过触觉手柄感觉到虚拟肝脏。图形刀位可以在高频率（>900Hz）下稳定优化。5讨论图11虚拟工具与肝脏之间的触觉交互。在这项研究中，我们以交互速率模拟实质横断。我们的系统集成了基于聚类的形状匹配，行进四面体，和基于约束的触觉渲染。四面体网格用于物理和图形拓扑更新。这些簇用于软变形和触觉渲染加速。此外，系统通过异步机制加速。具体而言，软变形，触觉渲染，拓扑更新，网格蒙皮，和图形渲染在不同的频率进行。我们的方法的缺点是显而易见的。我们只提供了脑实质横断的手术过程模拟，而不能提供精确的视觉和触觉反馈。我们仍然需要测量真实软组织的视觉和触觉特性，以提供精确的反馈。由于单个四面体的大小，重建的创面三角形网格不够真实。切割四面体时，生成的三角形的大小取决于四面体的大小。如果四面体是粗糙的，则生成的网格不能精确地表示伤口表面393GGGGQQQ虚拟现实智能硬件2021年12月3日第5四面体或三角形的自适应细分可用于生成更锐利的切割边缘。对于包含切割边的四面体，应生成更小的四面体，并构建更精细的三角形网格。我们的系统的基于位置的动态框架不能保证物理正确性，因为求解过程高度依赖于迭代次数，而不是软组织的物理特性。一个可行的解决方案是探索一种实时的物质点方法。体变形和渲染可以用于手术模拟，以达到更逼真的视觉效果。肝切除术是相当复杂的，我们只专注于实质横断;因此，更多的外科手术可以模拟，如解剖的肝门和肝韧带分离。这些操作需要模拟工具与肝脏静脉之间复杂的相互作用，这涉及到静脉结扎过程中的绳索模拟。手术效果评价是虚拟手术系统的一个重要方面。可以探索对某一程序的数据驱动评价。通过数据分析，可以通过数据驱动系统量化手术过程，通过准确显示手术过程，有效培训用户提高手术技能。附录在qt-1= [x，y，z]处的距离能量函数的梯度算子表示为：f（qt-1）=，df，dfgdx迪吉dz如果粒子与胶囊的圆柱体碰撞，则梯度表示如下：DFDXQ= 2（xpc-xp）（1-xdcXDC）+2（ypc-yp）（-xdcydc）-2（zpc-zp）（xdczdc）东风迪Q= 2（xpc-xp）（-ydcXDC）+2（ypc-yp）（1-ydcydc）-2（zpc-zp）（ydczdc）东风东风东风= 2（xpc-xp）（-zdcXDC）-2（ypc-yp）（zdcydc）+2（zpc-zp）（1-zdczdc）其中dc= [xdc，ydc，zdc]是胶囊轴的单位矢量，pc= [xpc，ypc，zpc]是投影在圆柱轴上的粒子的位置，p=[xp，yp，zp]是物理粒子的位置。xpc=xq+dot （ p-qt-1 ， dc ）xdypc=yq+dot （ p-qt-1 ， dc ）ydzpc=zq+dot（p-qt-1，dc）zd如果粒子与胶囊的半球碰撞，则梯度表示为：dfdxqdfdyqdf= 2q= 2q=2μz-x-x-DZQ竞合利益我们声明我们没有利益冲突。引用QQp[1]杨泰元，惠特洛克R S，瓦苏德万S A.肝母细胞瘤的外科治疗及进展。癌症，2019，11（12）：1944DOI：10.3390/癌症11121944394Hongyu WU等人：具有触觉反馈的交互式肝实质横断模拟2杨文辉，张文辉.手术模拟：军事医学训练的新兴技术。国家论坛会议录：军事远程医疗在线今天的研究，实践和机会，1995年，29DOI：10.1109/mtol.1995.5045243Müller M，Heidelberger B，Teschner M，Gross M.基于形状匹配的无网格变形。在：ACM SIGGRAPH 2005年论文SIGGRAPH。洛杉矶，加利福尼亚州，纽约，ACM Press，2005，471-478 DOI：10.1145/1186822.10732164Macklin M，Müller M，Chentanez N，Kim T Y.实时应用的统一粒子物理学。ACM图形学报，2014，33（4）：1DOI：10.1145/2601097.26011525普罗沃十世质量弹簧模型中的变形约束，用于描述刚性布料行为。图形接口，1995 DOI：10。1007/978-1-4471-0817-7_16Bonet J，Wood R D.有限元分析的非线性连续介质力学。剑桥：剑桥大学出版社，2008年DOI：10.1017/cbo97805117554467Müller M，Heidelberger B，Hennix M，Ratcliff J.基于位置的动力学。视觉传达与图像表现，2007，18（2）：109DOI：10.1016/j.jvcir.2007.01.0058放大图片作者：Berndt I，Torchelsen R，Maciel A.利用基于位置的动力学实现高效的手术切割。IEEE ComputerGraphics and Applications，2017，37（3）：24DOI：10.1109/mcg.2017.459潘俊杰，杨永华，高永，秦华，司永庆。腹腔镜胆囊切除术中无网格法电凝过程的实时仿真。视觉计算机，2019，35（6/7/8）：861DOI：10.1007/s00371-019-01680-z10潘俊杰，张丽艳，于萍，沈艳，王海萍，郝宏明，秦华。基于并行位置动力学的腹腔镜胆囊切除术实时虚拟现实仿真。2020年IEEE虚拟现实会议 3D用户界面（VR）。Atlanta，GA，USA，IEEE，2020，548-556DOI：10.1109/vr46266.2020.0007611陆志华，阿里卡特拉V S，韩志清，艾伦B F，德S.微创手术中电外科手术实时仿真的基于物理的算法。国际医学机器人和计算机辅助手术杂志，2014，10（4）：495DOI：10.1002/rcs.156112[10]杨文，李文.基于动态简化的海量模型快速碰撞检测。在：2004年欧洲图形学/ACM SIGGRAPH几何处理研讨会-SGP会议录。Nice，France，New York，ACM Press，2004，136DOI：10.1145/1057432.105745013Morris D，Sewell C，Barbagli F，Salisbury K，Blevins NH，Girod S.骨外科手术训练与评估之视触觉模拟。IEEE计算机图形学与应用，2006，26（6）：48-57DOI：10.1109/mcg.2006.14014McNeely W A，Puterbaugh K D，Troy J J，基于体素的6-DOF触觉渲染的进展。在：ACM SIGGRAPH2005年SIGGRAPH课程。洛杉矶，加利福尼亚州，纽约，ACM出版社，2005年DOI：10.1145/1198555.119860615王大新，张翔，张永荣，肖军。基于优化的六自由度力觉渲染精细操作。IEEE Transactions on Haptics，2013，6（2）：167DOI：10.1109/toh.2012.6316王大新，施永军，刘胜，张永荣，肖军。口腔手术中器官变形和混合接触的触觉模拟。IEEE Transactions onHaptics，2014，7（1）：48DOI：10.1109/toh.2014.230473417于刚，王德祥，张永荣，肖军。六自由度触觉再现中尖锐几何特征的模拟。IEEE Transactions on Haptics，2015，8（1）：67DOI：10.1109/toh.2014.2377745395虚拟现实智能硬件2021年12月3日第518王丹，焦杰，张毅，赵翔.计算机触觉：虚拟现实环境中的触觉建模与绘制。计算机辅助设计计算机图形学杂志，2016，28（6）：881DOI：10.3969/j.issn.1003-9775.2016.06.00319隋勇，潘俊杰，秦红，刘红，陆勇。腹腔镜直肠癌根治术中软组织变形和电灼过程的实时仿真。国际医学机器人和计算机辅助手术杂志，2017，13（4）：e1827DOI：10.1002/rcs.182720Kim Y，Kim L，Lee D，Shin S，Cho H，Roy F，Park S.虚拟腹腔镜胆囊切除术训练的可变形网格模拟。视觉计算机，2015，31（4）：485DOI：10.1007/s00371-014-0944-321Li S，Xia Q，Hao A M，Qin H，Zhao Q P.用于患者特定手术培训和排练的触觉设备交互式PCI模拟。科学中国信息科学，2016，59（10）：103101DOI：10.1007/s11432-016-0264-322Ruthenbeck G S，Hobson J，Carney A S，Sloan S，Sacks R，Reynolds K J。内窥镜鼻窦手术模拟中的照相现实主义。American Journal of Rhinology Allergy，2013，27（2）：138DOI：10.2500/ajra.2013.27.386123[10]杨文，李文，李文.心脏手术模拟环境中的教学行为。胸心血管外科杂志，2013，145（1）：45-53DOI：10.1016/j.jtcvs.2012.07.11124王德新，张永荣，侯建新，王永，吕平，陈永刚，赵宏. iDental：基于触觉的牙科模拟器及其初步用户评估。IEEE Transactions on Haptics，2012，5（4）：332DOI：10.1109/toh.2011.5925施永芳，刘明，熊永生，蔡聪，谭凯，潘晓华。虚拟肝脏手术中的勾画与分割仿真。2015年虚拟现实与可视化国际会议（ICVRV）厦门，中国，IEEE，2015，264-268 DOI：10.1109/icvrv.2015.4426电子邮件www.materialise.com/en/medical/mimics27电子邮件www.slicer.org/28[10] Jakob W，Tarini M，Panozzo D，Sorkine-Hornung O.即时场对准网格。ACM图形学报， 2015，34（6）：1DOI：10.1145/2816795.281807829https://zbrush.mairuan.com/30是的TetGen，一个基于Delaunay的高质量四面体网格生成器。ACM数学软件学报，2015，41（2）：1-36DOI：10.1145/262969731https://ngsolve.org/32放大图片作者：J.使用自适应四面体化的隐式曲面可视化。在：科学可视化会议。Dagstuhl，德国，IEEE，1997，243DOI：10.1109/dagstuhl.1997.142311933作者：Lorensen W E，Cline E. Marching Cubes：一个高分辨率的3D表面构造算法。计算机图形学，1987，21（4）：163DOI：10.1145/37402.3742234Ju T，Losasso F，Schaefer S，Warren J. Hermite数据的双重等值线。ACM图形学报，2002，21（3）：339-346DOI：10.1145/566654.56658635https://en.wikipedia.org/wiki/Component_(graph_theory)36放大图片作者：Goldfarb D.解严格凸二次规划的数值稳定对偶方法。数学规划，1983，27（1）：1DOI：10.1007/bf0259196237https://gitlab.inria.fr/alta/alta/-/tree/master/external/quadprog++38电子邮件www.3dsystems.com/haptics-devices/touch/specifications396
我的内容管理
展开
