[發明專利]一種模擬骨鉆與骨骼間力覺交互的方法、裝置及系統

在審

• 申請號: 201310608357.3
• 申請日: 2013-11-26
• 公開（公告）號: CN104679918A
• 公開（公告）日: 2015-06-03
• 發明（設計）人: 王瓊;陳輝;吳雯;秦璟;靳海洋;王平安
• 申請（專利權）人: 中國科學院深圳先進技術研究院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 深圳中一專利商標事務所 44237
• 代理人: 張全文

技術領域

本發明屬于力覺交互領域，尤其涉及一種模擬骨鉆與骨骼間力覺交互的方法、裝置及系統。

背景技術

磨骨操作是各類骨科手術中最常用的手術技巧，主要被用來去除部分骨質暴露手術區域或對骨體進行塑形。例如，椎間盤突出手術中磨除骨刺或者骨贅；在髖關節置換手術中用骨鉆創造光滑的凹槽來替換磨損的髖臼杯；通過在頭骨上磨除一條路徑來移出腦腫瘤等。這類手術絕大部分都是不可逆的，所以任何手術失誤都可能會對病人產生很大的傷害，例如，若磨骨的過程中把握的不好，很容易傷及神經血管等脆弱組織。因此，年輕醫生在能準確、安全實施手術前都需要經過長期艱苦的訓練。傳統的訓練方式醫生只能在塑料人體模型、動物、尸體和病人身上進行練習，但這些方法通常存在各種各樣的問題，如：不真實、昂貴、不可復用以及會使病人陷入困境。

基于虛擬現實的手術模擬系統做為一種安全、可靠的手術訓練方式受到越來越多的關注。如何有效、盡可能逼真的模擬骨鉆模型與骨骼模型之間的力覺交互是手術模擬系統中所要解決的關鍵問題。現有模擬骨鉆模型與骨骼模型之間的力覺交互方法中一種常見方法是基于金屬磨削理論、根據金屬切削的機制對骨骼磨削進行模擬，但金屬的物理屬性和骨骼差距很大，無法體現出不同材料的骨鉆和骨骼進行磨削等力覺交互所帶來的力覺差異。

綜上所述，現有的模擬骨鉆模型與骨骼模型之間的力覺交互方法無法體現出不同材料的骨鉆和骨骼進行力覺交互所帶來的力覺差異。

發明內容

本發明實施例的目的在于提供一種模擬骨鉆與骨骼間力覺交互的方法，旨在解決現有的模擬骨鉆模型與骨骼模型之間的力覺交互方法無法體現出不同材料的骨鉆和骨骼上進行力覺交互所帶來的力覺差異的問題。

本發明實施例是這樣實現的，一種模擬骨鉆與骨骼間力覺交互的方法，所述方法包括：

實時檢測骨鉆模型與骨骼模型之間是否發生碰撞；

當發生碰撞時，獲取每個碰撞點在碰撞前的運動速度和自轉速度；

根據沖量理論、牛頓碰撞定律、庫倫定律及每個碰撞點在碰撞前的運動速度和自轉速度計算每個碰撞點在碰撞后的運動速度和自轉速度；

剔除碰撞后相對骨骼模型有分離速度的碰撞點；

根據碰撞前后的運動速度和自轉速度并利用基于沖量理論的方法來計算未被剔除的碰撞點在碰撞時所受的阻力和摩擦力；

將未被剔除的所有碰撞點的阻力和摩擦力合成為一個合力，以輸出給力反饋設備。

本發明實施例還提供了一種模擬骨鉆與骨骼間力覺交互的裝置，所述裝置包括：

碰撞檢測單元，用于實時檢測骨鉆模型與骨骼模型之間是否發生碰撞；

獲取速度單元，用于當發生碰撞時，獲取每個碰撞點在碰撞前的運動速度和自轉速度；

速度計算單元，用于根據沖量理論、牛頓碰撞定律、庫倫定律及每個碰撞點在碰撞前的運動速度和自轉速度計算每個碰撞點在碰撞后的運動速度和自轉速度；

剔除單元，用于剔除碰撞后相對骨骼模型有分離速度的碰撞點；

第一計算單元，用于根據碰撞前后的運動速度和自轉速度并利用基于沖量理論的方法來計算未被剔除的碰撞點在碰撞時所受的阻力和摩擦力；

合力單元，用于將未被剔除的所有碰撞點的阻力和摩擦力合成為一個合力，以輸出給力反饋設備。

本發明實施例還提供了一種虛擬手術系統，其特征在于，所述虛擬手術系統包括上述的模擬骨鉆與骨骼間力覺交互的裝置。

本發明實施例與現有技術相比，有益效果在于：通過利用基于沖量理論的方法來計算未被剔除的碰撞點在碰撞時所受的阻力和摩擦力，在計算時會將混合恢復系數e充分體現在阻力和摩擦力上，從而很好的反映了骨鉆和骨骼的材料屬性，可有效的體現出不同材料骨鉆和骨骼進行磨削等力覺交互所帶來的力覺差異。

附圖說明

圖1是本發明實施例提供的模擬骨鉆與骨骼間力覺交互的方法的流程圖；

圖2是本發明實施例提供的骨鉆模型的示例圖；

圖3是本發明實施例提供的骨骼模型的示例圖；

圖4是本發明實施例提供的模擬骨鉆與骨骼間力覺交互的方法中碰撞交互的碰撞前示意圖；

圖5是本發明實施例提供的模擬骨鉆與骨骼間力覺交互的方法中碰撞交互的碰撞后示意圖；

圖6是本發明實施例提供的摩擦力椎體的示意圖；

圖7是本發明實施例提供的振動模型的示意圖；

圖8是本發明實施例提供的模擬骨鉆與骨骼間力覺交互的裝置的邏輯結構示意圖；