一种眼科手术模拟训练器中的眼球建模方法与流程

1.本发明涉及虚拟手术训练技术领域，尤其涉及一种眼科手术模拟训练器中的眼球建模方法。


背景技术：

2.虚拟眼球模型可以用于手术规划、虚拟手术训练和生理病理功能模拟等仿真领域。虚拟眼球模型需要从几何、物理与功能三个层面进行构建。其中，几何层面主要完成眼球三维结构的建模，物理层面需要赋予眼球模型生物力学特性，功能层面需要展示眼球模型受力后的变形特性。目前，对于虚拟眼球的建模工作主要集中在三维结构建模领域，建立的虚拟眼球几何模型虽然形态逼真，但往往未从生物力学特性以及受力变形特性上加以考虑，导致虚拟眼球模型多用于教学展示，而无法应用于手术模拟训练，因为手术模拟训练要求虚拟眼球模型具备更加真实的力学特性，避免误导受训的医护人员。
3.美国伊利诺斯州立大学的虚拟眼球模型主要侧重的是眼三维结构的绘制，主要基于抽象几何模型进行构造，并由计算机建模绘制，所获得的结果比较粗糙，只能用于示意性的教学中。意大利的medea机构所构造的虚拟眼球模型也是由计算机绘制的抽象几何模型，并在此基础上增加了人机交互功能。用户可以对其进行交互操作，系统将模拟各种操作所产生的结果，但无法模拟眼球的柔性变形。德国卡尔斯鲁厄研究中心通过三维结构和物理属性建立虚拟眼球的有限元模型，该模型具备受力后的变形特性，但其关注于眼科手术计划的先期制定，而无需要求虚拟眼球具备实时的受力变形，因此所采用的有限元模型无法保证实时计算。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术中的上述不足，从几何、物理与功能三个层面对虚拟眼球进行建模。其中，眼球几何建模完成虚拟眼球三维结构的逼真再现，通过构建考虑了弹性系数、阻尼系数和软组织的质量和密度等生物特性的眼球力学模型，实现虚拟眼球物理建模，最终通过控制构成眼球模型的三角面片，实现虚拟眼球功能层面上的受力变形特性。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一种眼科手术模拟训练器中的眼球建模方法，包括以下步骤：
7.s1、构建三维眼球结合模型；
8.s2、使用球面质点弹簧模型对虚拟眼球进行力学分析；
9.s3、根据球面质点弹簧模型计算得到的质点顶点位置，完成眼球表面三角面片的更新。
10.优选地，所述步骤s1中，从几何、物理与功能三个层面进行建模，其中，眼球几何建模完成虚拟眼球三维结构的逼真再现，通过构建考虑了弹性系数、阻尼系数和软组织的质量和密度等生物特性的眼球力学模型，实现虚拟眼球物理建模。
11.优选地，所述步骤s2中，球面质点弹簧模型选用六边形拓扑结构。
12.优选地，所述步骤s3中，操作人员借助虚拟手术工具触碰到眼球，随后利用球面质点弹簧模型完成眼球模型的动力学解算，并根据计算结果实现眼球表面三角面片的更行。
13.优选地，所述步骤s3中，利用虚拟眼球表面三角面片的顶点位置模拟出虚拟眼球的柔性变形特性。
14.本发明的有益效果：
15.1、构建几何、物理与功能于一体的虚拟眼球模型，该模型的动力学分析计算方法简单，有极高的计算效率，对应的动态仿真效果较好。
16.2、符合眼科手术模拟器需要的实时性、高效性和逼真性要求，较适用于交互式的眼科手术模拟场景。
附图说明
17.图1为本发明提出的一种眼科手术模拟训练器中的眼球建模方法的球面质点弹簧模型图；
18.图2为本发明提出的一种眼科手术模拟训练器中的眼球建模方法的眼球表面三角面片更新图；
19.图3为本发明提出的一种眼科手术模拟训练器中的眼球建模方法的六边形拓扑质点弹簧模型图。
具体实施方式
20.一种眼科手术模拟训练器中的眼球建模方法，包括以下步骤：
21.s1、构建三维眼球结合模型，步骤s1中，从几何、物理与功能三个层面进行建模，其中，眼球几何建模完成虚拟眼球三维结构的逼真再现，通过构建考虑了弹性系数、阻尼系数和软组织的质量和密度等生物特性的眼球力学模型，实现虚拟眼球物理建模。
22.s2、使用球面质点弹簧模型对虚拟眼球进行力学分析，步骤s2中，球面质点弹簧模型选用六边形拓扑结构。
23.具体的球面质点弹簧模型选用六边形拓扑结构，如附图3所示；对任一质点施加外部作用力时，由于连接质点的弹簧发生形变，从而导致虚拟眼球表面产生形变。质点i所受弹力为：
[0024][0025]
其中，k
(i,j)
为与第i个质点相连接的第j个邻接节点之间的弹簧刚度系数，l
(i,j)
为弹簧的初始长度，xi和xj分别为第i个质点和第j个质点的位置坐标。
[0026]
虚拟眼球受到的外力主要包括重力、阻尼力等；重力的大小为fg＝mg。阻尼力的作用是为防止质点发生过度的振荡，其大小与质点速度成正比，与质点运动方向相反，即fr(i,j)＝-kv
ij
。其中，k为阻尼系数，v
ij
为眼球表面质点的运动速度，当速度越大时，阻尼力就越大。
[0027]
s3、根据球面质点弹簧模型计算得到的质点顶点位置，完成眼球表面三角面片的更新，步骤s3中，操作人员借助虚拟手术工具触碰到眼球，随后利用球面质点弹簧模型完成眼球模型的动力学解算，并根据计算结果实现眼球表面三角面片的更行。
[0028]
步骤s3中，利用虚拟眼球表面三角面片的顶点位置模拟出虚拟眼球的柔性变形特性。
[0029]
根据上述受力分析，计算每个质点的位置和速度，将时间离散为一系列的点t0,t1,...,tn,t
n 1
,
…
，其中ti＝t
i-1
h，对离散时间点上的质点速度和位置进行求解。具体使用如下显示欧拉法求解动力学方程，
[0030][0031]
其中，s
ij
(t)、v
ij
(t)和a
ij
(t)分别为虚拟眼球表面第i行第j列的质点在t时刻的位移、速度和加速度，对应的t δt时刻的位移和速度分别为s
ij
(t δt)和v
ij
(t δt)。取时间间隔t＝δt进行时间积分，便可以得出虚拟眼球表面三角面片的顶点位置，从而模拟出虚拟眼球的柔性变形特性。
[0032]
本发明从几何、物理与功能三个层面对虚拟眼球柔性特性进行再现，从而使其可以应用于眼科手术模拟训练器，达到比现有训练器有更加逼真的场景显示效果。
[0033]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。


技术特征：
1.一种眼科手术模拟训练器中的眼球建模方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、构建三维眼球结合模型；s2、使用球面质点弹簧模型对虚拟眼球进行力学分析；s3、根据球面质点弹簧模型计算得到的质点顶点位置，完成眼球表面三角面片的更新。2.根据权利要求1所述的一种眼科手术模拟训练器中的眼球建模方法，其特征在于，所述步骤s1中，从几何、物理与功能三个层面进行建模，其中，眼球几何建模完成虚拟眼球三维结构的逼真再现，通过构建考虑了弹性系数、阻尼系数和软组织的质量和密度等生物特性的眼球力学模型，实现虚拟眼球物理建模。3.根据权利要求1所述的一种眼科手术模拟训练器中的眼球建模方法，其特征在于，所述步骤s2中，球面质点弹簧模型选用六边形拓扑结构。4.根据权利要求1所述的一种眼科手术模拟训练器中的眼球建模方法，其特征在于，所述步骤s3中，操作人员借助虚拟手术工具触碰到眼球，随后利用球面质点弹簧模型完成眼球模型的动力学解算，并根据计算结果实现眼球表面三角面片的更行。5.根据权利要求1所述的一种眼科手术模拟训练器中的眼球建模方法，其特征在于，所述步骤s3中，利用虚拟眼球表面三角面片的顶点位置模拟出虚拟眼球的柔性变形特性。

技术总结
本发明公开了一种眼科手术模拟训练器中的眼球建模方法，包括以下步骤：S1、构建三维眼球结合模型；S2、使用球面质点弹簧模型对虚拟眼球进行力学分析；S3、根据球面质点弹簧模型计算得到的质点顶点位置，完成眼球表面三角面片的更新。本发明构建几何、物理与功能于一体的虚拟眼球模型，该模型的动力学分析计算方法简单，有极高的计算效率，对应的动态仿真效果较好，符合眼科手术模拟器需要的实时性、高效性和逼真性要求，较适用于交互式的眼科手术模拟场景。拟场景。


技术研发人员：周来 马志强 周彦冰
受保护的技术使用者：上海华模科技有限公司
技术研发日：2021.07.28
技术公布日：2022/2/28