李静蓉 何梦 池梓鹏 倪建龙 王清辉
华南理工大学 机械与汽车工程学院,广东 广州 510640
Li Jingrong He Meng Chi Zipeng Ni Jianlong Wang Qinghui
School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 51640, Guangdong, China
摘要:
随着虚拟现实技术的发展,兼具视力觉反馈的医学模拟训练系统在微创外科教学与技能培训中日益受到重视。在需要对软组织或器官进行精细操作的腹腔镜手术中,真实模拟器械与组织对象的交互过程对提升学员手术技能至关重要。然而,软组织非线性力学行为的复杂性使得在视觉与力觉通道上准确复现组织-器械的交互面临诸多困难,这仍是虚拟手术领域的技术挑战。为了提高虚拟软组织力觉呈现的感知逼真度,缩小虚拟训练环境与真实环境之间的感知差异,本文提出一种基于心理物理学优化的力觉渲染方法,以实现高保真软组织交互模拟。该方法采用基于扩展位置动力学算法实现软组织实时形变计算,同时引入开尔文-玻尔兹曼模型精确描述手术器械与软组织间的粘弹性力学响应;通过建立虚拟与真实环境中感知力的心理物理学映射关系,对力觉输出进行优化,从而提升软组织交互的真实感。感知准确性测试与用户体验量化评估实验结果表明,该方法显著降低了虚拟与实体交互间的感知差异,有效增强了交互过程中的逼真度。