牙周病模拟系统的触力觉反馈技术

admin · 发表于昨天 16:06

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本文研究牙周病模拟系统中的触力觉反馈技术。首先，研制了基于单点接触力反馈的牙周病模拟系统，可模拟典型牙周病诊断和治疗，包括牙周袋探诊、牙石探查和去除等操作。该系统采用牙齿点云扫描数据，在3dmax下建立了全口腔交互场景；基于GHOST SDK力觉开发包二次开发进行反馈力计算；利用力觉交互设备Phantom Desktop来输出反馈力，实现了手术器械与牙齿/牙龈/牙石等多种组织的实时交互，给操作者提供了较逼真的力觉感受；根据医学需求，提炼了手术过程中的关键操作进行量化；通过关键量的跟踪和记录，给训练者实时的反馈，从而建立了一套操作完整的牙周病模拟系统。基于该单点接触的牙周病模拟系统，本文开展了评价实验。以牙周科手术模拟器为研究对象，对性能评价题目进行了实验研究。为了综合评价该系统的性能，设计了定性与定量相结合的评价指标体系。通过对比医学院医生和学生的实验结果，结合结构效度（Construct validity）的评价思想对系统的可用性进行定量的评价，发现该系统可以用于前期教学阶段。另一方面，通过医生实验明确了牙周科手术模拟器中需进一步研究的关键技术题目——六自由度的力觉渲染题目。前期研究中，将牙科手术工具简化为一个质点，通过简化的三自由度力觉渲染来进行手术模拟，然而由于牙周科手术操作中的接触并不能完全简化为点面接触，并且在系统试验中，只能单点接触是用户反映的最大题目，因此本文研究了工具和被操作物体均为三角片网格模型的六自由度力觉交互题目。综合分析了国内外现有方法及我们牙周科模拟的具体需求，选择一种基于加速度的约束优化方案来实现了六自由度力觉渲染的初步效果。约束优化方案的总体思路是以发生初次碰撞的物体的几何表面作为接触约束条件，在该条件下计算下一时刻运动物体的加速度，保证运动物体上的任意接触点都满足只能沿着接触约束面的切线方向或者向外侧运动，而不能沿进入静止物体内部的方向运动。即以碰撞检测所获得的接触信息作为约束条件，以约束加速度与无约束加速度的广义最小距离作为优化目标函数进行计算，从而求得约束加速度。加速度积分获得运动物体位置，以近似的弹簧力模型进行力计算，以此实现了六自由度的力渲染效果。在约束方法中，碰撞检测是其中的一个关键步骤。为了保持细节触觉信息不遗漏，需采用连续碰撞检测方法。本文尝试了基于工具线段扫描直纹面的连续碰撞检测和控制的保守前进连续碰撞检测两种算法，分别处理工具是线段及三角片网格的情况。在连续交互时进行化身回退处理，保证每一采样周期内运动物体与静止物体间均不发生嵌套，从而与优化方法相结合实现了六自由度力觉交互。该算法由于不会遗漏碰撞信息，因此增加了算法的细节保持性。同时，由于本文采用的化身回退处理方法的局限性，该算法暂时只能处理物体是凸物体的情况。最后，本文进行了六自由度力觉渲染算法验证试验，进行了简单几何体和通用网格（牙齿模型）的交互实验，证明了本文算法具有良好的主从运动跟踪一致性及运动和力的时空一致性；另一方面，算法对于凹区域的表达能力和复杂场景下的稳定性有待提高。文章还分析了算法现有题目的可能原因，分别提出了解决方法，做出了未来工作的展望。

牙周病模拟系统的触力觉反馈技术

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