摘要：广州华生仿真研发总监倪博士阐述六自由度力反馈器研发成果，并分析力触觉虚拟仿真如何应用在医疗领域。
目前，国内外对虚拟手术系统的研究用途主要有触诊、穿刺活检、内窥镜手术的切割和缝合、体内创面清洁涂药、辅助医疗器械（如人工瓣膜）的放置等等。其关键研究内容主要是人体软组织、穿刺针、缝合线等虚拟物体的力/触觉模型建立以及基于这些模型的实时交互过程中的碰撞检测、图像和力觉渲染等问题。
（1）穿刺力触觉模型
典型的手术操作如穿刺、切割和缝合都涉及到用工具尖端刺破组织表面的穿刺操作，因此对于针头插入或穿出组织过程中的受力以及软组织的变形情况，学者做了很多相关研究。Yang等[1]从针头插入时受力的建模方法、针头插入时受力的测量、影响针头插入交互力的因素、针头插入力控制的参数识别等方面，对目前的研究情况进行了总结，各方面的方法及优缺点、影响因素进行分析。所有研究都表明力控制仍处于初级阶段，其影响因素、针头偏转或规划有待进一步研究。
（2）缝合线力-触觉模型
目前，缝合线建模的方法主要分为基于物理和基于几何的两种模拟方法。
基于物理的模拟方法用弹簧来模拟缝合线，由LeDuc等[2]提出，当线与软体组织相交时，模拟出来的摩擦力处于静摩擦阶段，使得被缝合软体组织的质点随缝合线质点运动，同时静摩擦力不断增大，相当于弹簧形变增大，提供的弹力增大；当摩擦力到达某一阈值后，缝合线和软体组织产生相对滑动，相当于弹簧到达弹性限度。。
几何模拟方法通过几何计算结果描述缝合线运动轨迹，并让线与软组织相交的点随着缝合线运动轨迹达到某个阈值，从而呈现出缝合线将软组织缝合起来的效果。早期学者们主要通过样条曲线加入一些限制条件和摩擦力模型的方法来模拟缝合线，但样条曲线会导致拐点不真实的问题，使得缝合线的运动十分机械化[3]。Brown等[4]最早采用FTL（Follow The Leader）的方法跟踪被模拟成分段刚体的缝合线轨迹，当结点3在外力作用下移动时，会带动相邻结点产生一个更小的位移，相邻接点再带动其他结点，以此类推，产生比较直观的缝合线被牵拉的效果。夏福清[5]综合了以上两种建模方式的优势，将通过结点的分段小弹簧连接起来，建立了缝合线模型，同时结合FTL的思想来追踪线的轨迹并分段控制张力和摩擦力，实现了较真实的模拟仿真效果。Choi等[6]利用商业化的虚拟物理引擎PhysX，将缝合线离散成多个用铰链连起来的微小胶囊模型，利用物理引擎中的碰撞检测功能来检测线的自体碰撞。采用的分段FTL并结合与软组织交互受力和碰撞检测的模型，是目前应用最为广泛的缝合线力-触觉模型。
（3）软体变形-力实时模拟与力计算
本团队基于计算机图形学、实时有限元、虚拟现实技术，开发了支持四面体的体素化模型实时软体仿真与高频力计算，在普通的PC上运行即能达到500Hz的计算频率，如果电脑带独立显卡，则可以使用GPU加速算法，在500Hz的基础上增加一个数量级以上的计算速度，支持Unity快速开发引擎，可以满足多种不同的虚拟手术、训练的开发要求。
参考文献：
[1] Chongjun Y, Yu X, Shuang L, et al. Force Modeling, Identification, and Feedback Control of Robot-Assisted Needle Insertion: A Survey of the Literature[J]. Sensors, 2018, 18(2):561.
[2] Shahram M L. Toward Modeling of a Suturing Task[J]. Proceedings – Graphics Interface, 2003:273-279.
[3] Lenoir J, Meseure P, Grisoni L, et al. A Suture Model for Surgical Simulation[C]// Medical Simulation: International Symposium (ISMS). DBLP, 2004:102-107.
[4] Brown J, Sorkin S, Bruyns C, et al. Real-time simulation of deformable objects: tools and application[C]// Conference on Computer Animation. IEEE, 2002.
[5] 夏福清. 虚拟手术系统中缝合等关键模块的实现[D]. 上海交通大学, 2010.
[6] Choi K S, Chan S H, Pang W M. Virtual Suturing Simulation Based on Commodity Physics Engine for Medical Learning[J]. Journal of Medical Systems, 2012, 36(3):1781-1793.
关于广州华生仿真
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