虚拟手术仿真系统的目标是要提供给用户身临其境的真实感和完善的交互能力。近几年,力反馈技术逐渐被应用到虚拟手术仿真中来,很大程度上提高了虚拟手术仿真的真实感和交互性。然而,力反馈设备力的更新需要在1000Hz甚至更高,这就对算法的速度提出了很高的要求,有时要在速度和精度上折中。本文对不同的力反馈计算模型进行了深入细致的研究。作为研究载体的人体肝脏软组织模型,是通过对人体切片数据集中获得的几何模型添加物理属性获得的。 首先,本文在静态线弹性有限元模型中加入了力反馈模块,对固定接触点的力反馈计算进行了研究。先把碰撞检测问题等效成手术器械的新旧位置形成的线段与模型表面三角形的相交问题。再根据表面三角形与线段相交时的三种情况,分别计算出与手术器械的位移成正比的线性反馈力。然而,软组织生物力学特性分析表明,软组织的反馈力往往呈现出非线性特点,所以本文将非线性性质应用到反馈力计算中。具体方法是在保持原线性反馈力方向不变的情况下,加入非线性的扰动力和调节因子,从而形成了非线性的反馈力。 其次,对于可移动接触点的情况,本文还研究了当把手术器械的前端看作是一个虚拟球时与软组织模型发生碰撞时的力反馈计算问题。用虚拟球进入模型的体积作为计算反馈力的依据。首先,将问题等效成球与模型表面三角形的相交问题。再将相交部分投影到三角形所在平面,计算相交部分在投影平面上的面积和入侵的长度。该面积可以由投影部分圆与三角形相交形成的八种情况分别求得,而入侵长度是相交面的质心与该质心所在直径一端的距离。最后,根据力与体积的等效公式求得反馈力。 前一种方法在静态线弹性有限元模型中验证,结果表明上述非线性反馈力具有良好的实时性,能够更真实的反映出生物的力学特性,而且具有良好的可调节性。后一种方法在动态线弹性有限元模型中验证,也具有较好的实时性,真实反映了软组织的反馈力。