本发明涉及智能医疗的，尤其是涉及一种虚拟手术训练中基于物理粒子生成软组织碰撞效果的方法、可读存储介质及电子设备。
背景技术：
1、随着机器人技术的不断发展，越来越多的机器人被应用于手术领域。虽然传统的刚性机器人已经广泛应用于医疗领域各类手术，但是它的适应性、安全性以及灵活性都相对较差，容易在手术过程中对人体内部组织造成伤害。
2、目前，物理引擎被越来越多的移动游戏所使用。物理引擎处理的对象主要可以分为刚体(rigid bodies)和柔体(soft bodies)两大部分。其中，刚体主要应用在物理碰撞、破碎、布娃娃等系统中，而柔体即为时常所说的软体系统。现有方案基于弹簧原理进行软体生成，实现方式简单来说是在对象模型内部生成大小形状不同的粒子。在unity引擎的控制面板中，在对象模型的不同位置生成粒子，通过调整粒子的大小来塑性，趋向于贴合对象模型的形状。
3、然而，前述现有方案在实现效率方面比较低，对物体的形状贴合度较差，且在碰撞检测方面依然沿用了刚体碰撞逻辑，碰撞顶点密集时效果不可控。
技术实现思路
1、本发明的第一目的在于提供一种虚拟手术训练中基于物理粒子生成软组织碰撞效果的方法，以缓解现有技术中存在的软体生成方案在实现效率方面比较低，对物体的形状贴合度较差，且在碰撞检测方面依然沿用了刚体碰撞逻辑，碰撞顶点密集时效果不可控的技术问题。
2、本发明提供一种虚拟手术训练中基于物理粒子生成软组织碰撞效果的方法，包括以下步骤：
3、导入虚拟手术器械和软组织模型以建立虚拟训练场景；
4、将所述虚拟手术器械与并联摇操作主手建立连接，通过操作所述并联摇操作主手，实时控制所述虚拟手术器械模拟真实手术器械的运动状态；
5、对所述软组织模型进行粒子化，具体包括以下子步骤：
6、为所述软组织模型创建包围盒；
7、将所述软组织模型的表面体素化以创建三角形网格，并在三角形网格面片中创建表面粒子；
8、获取所述软组织模型的体积，基于所述体积对所述软组织模型的内部进行体素化以创建六面体网格，并在所述六面体网格中创建内部粒子，生成包含所述表面粒子和所述内部粒子的粒子化三维网格模型；
9、实施碰撞检测和形变模拟，具体包括以下子步骤：
10、为所述虚拟手术器械的末端创建射线，通过所述射线对所述虚拟训练场景内的物体进行检测，以获取目标物体的方向；
11、控制所述虚拟手术器械沿着射线检测到的目标物体的方向运动，直至获取到所述虚拟手术器械与所述包围盒发生碰撞的一次碰撞反馈信息；
12、继续控制所述虚拟手术器械运动，直至获取到所述虚拟手术器械与所述粒子化三维网格模型的表面发生碰撞的二次碰撞反馈信息；
13、当获取到所述二次碰撞反馈信息时，同步获取碰撞点位置、碰撞形变区域以及碰撞时对所述软组织模型施加的反馈力，将所述反馈力代入已建立的粘弹性力学模型，计算所述碰撞形变区域内的表面粒子和内部粒子的位置和体积，并以所述碰撞点位置为形变最大点向周围延伸对所述粒子化三维网格模型进行形变模拟。
14、进一步的，为所述软组织模型创建包围盒的步骤具体包括：
15、获取所述软组织模型的中心点坐标，以所述中心点坐标为中心在所述软组织模型的表面创建最大长方体包围盒或最大球体包围盒。
16、进一步的，获取所述软组织模型的体积的步骤具体包括：
17、当创建最大长方体包围盒时，基于所述最大长方体包围盒所在的空间坐标系，获取所述最大长方体包围盒的长、宽和高，得到所述软组织模型的近似体积；
18、当创建最大球体包围盒时，基于所述最大球体包围盒所在的空间坐标系，获取所述最大球体包围盒的球心和半径，得到所述软组织模型的近似体积。
19、进一步的，在三角形网格面片中创建表面粒子的步骤具体包括：
20、在每一个三角形网格面片的中心位置创建表面粒子，所述表面粒子能够紧贴与其对应的所述三角形网格面片的三个边缘。
21、进一步的，创建六面体网格和在所述六面体网格中创建内部粒子的步骤具体包括：
22、获取所述软组织模型的中心点坐标，并以所述中心点坐标为起点，以预设单网格体积范围由内至外进行体素化，创建多个所述六面体网格；
23、在各所述六面体网格的中心位置创建内部粒子，所述内部粒子能够紧贴与其对应的所述六面体网格的六个表面。
24、进一步的，还包括对所述内部粒子进行优化处理的步骤：
25、基于已创建的所述六面体网格，分别获取各所述六面体网格的中心点到其六个面的距离，并得到最大值与最小值的比率；
26、如果比率等于1，则不需要调整当前内部粒子；
27、如果比率大于1，则将当前内部粒子的形状调整为类椭球体结构。
28、进一步的，在创建所述内部粒子之后，还包括创建骨骼粒子的步骤：
29、根据所述粒子化三维网格模型的层次结构，在上下层次的骨骼连接处或者同一层次的骨骼连接处创建骨骼粒子。
30、进一步的，为所述虚拟手术器械的末端创建射线的步骤具体包括：
31、获取所述虚拟手术器械的末端中心点坐标；
32、以所述虚拟手术器械的末端中心点坐标为起点并沿虚拟手术器械z轴方向绘制具有物理属性的射线。
33、进一步的，获取一次和二次碰撞反馈信息的步骤具体包括：
34、为所述虚拟手术器械、所述包围盒和所述粒子化三维网格模型创建分别创建碰撞响应器，以检测所述虚拟手术器械与所述包围盒之间、所述虚拟手术器械与所述粒子化三维网格模型之间的碰撞，并反馈相应的信息。
35、进一步的，对所述粒子化三维网格模型进行形变模拟的步骤具体包括：
36、对所述粒子化三维网格模型的表面粒子创建弹簧模型，以每两个相邻的表面粒子为所述弹簧模型的两个质点，以两个所述质点之间的距离为所述弹簧模型的长度；根据重新计算的所述计算所述碰撞形变区域内的表面粒子的位置和体积，以所述碰撞点位置为中心向周围的表面粒子扩散逐一进行位置和体积的调整；
37、以所述碰撞点位置所在面为受力面，所述受力面向垂直于与其相对的所述六面体网格的底面方向被拉伸或按压；根据重新计算的所述碰撞形变区域内的内部粒子的位置和体积，以所述碰撞点位置为中心向周围的内部粒子扩散逐一进行位置和体积的调整。
38、进一步的，将所述虚拟手术器械与并联摇操作主手建立连接的步骤具体包括：
39、为所述虚拟手术器械添加机器人模拟运动链关节体组件；
40、搭建动态链接库，并将所述虚拟手术器械与所述并联摇操作主手建立连接；
41、实时获取所述并联摇操作主手的状态信息，并将所述状态信息实时写入所述链关节体组件的运动接口，以使所述虚拟手术器械模拟真实手术器械的运动状态。
42、本发明的第二目的在于提供一种可读存储介质，其上存储有程序，所述程序运行时，实现前述的虚拟手术训练中基于物理粒子生成软组织碰撞效果的方法。
43、本发明的第三目的在于提供一种电子设备，包括处理器和前述的可读存储介质，所述处理器用于执行所述可读存储介质上所存储的程序。
44、本发明提供的虚拟手术训练中基于物理粒子生成软组织碰撞效果的方法、可读存储介质及电子设备，至少具有以下有益效果：
45、为软组织模型创建包围盒，且在三角形网格面片中创建表面粒子，基于体积对软组织模型的内部进行体素化以创建六面体网格，并在六面体网格中创建内部粒子，一方面，该创建粒子的方式，可避免粒子之间发生堆叠，在后面的碰撞检测中，有利于对碰撞形变区域内表面粒子和内部粒子的位置和体积进行调整，使得粒子的变化可控性更好，更贴近物体的真实模拟运动，同时，避免了原有方法使用堆叠式创建粒子，造成一些粒子重叠，引发粒子渲染和运动方面的不必要的资源消耗，甚至引发形变模拟出现错误；另一方面，六面体网格的创建，可对应不规则模型，可以通过调整六面体网格边角，更便捷地贴合模型，从而构建与真实软体组织一致的软组织模型，更加真实地还原手术训练，同时可以减小网格数量，六面体网格形状更符合计算，计算效率高且计算精度更加准确，六面体网格守恒性好，抗畸变程度表现更好；另外，基于体积对软组织模型的内部进行体素化，与现有技术相比，该方式依托体积计算生成内部粒子，生成过程快，运行效率高。
46、本方法在实施碰撞检测方面，通过手术器械模型发射射线检测到目标物体的方向，作为获取目标物体的位置，从而可精确地定位目标物体的方向，可减少失误率；同时，基于目标物体的位置，可准确地控制虚拟手术器械运动的轨迹，使得虚拟手术器械准确、快速地运动至包围盒位置，以获取到虚拟手术器械与包围盒发生碰撞的一次碰撞反馈信息，进而获取到虚拟手术器械与粒子化三维网格模型的表面发生碰撞的二次碰撞反馈信息。
47、通过两次获取碰撞反馈信息，可准确地判断碰撞的发生，提升碰撞检测的准确度，整个检测过程更加高效、精准；同时，基于获取的两次碰撞反馈信息，通过获取的碰撞点位置、碰撞形变区域以及反馈力，并根据已建立的粘弹性力学模型，可准确地计算出碰撞形变区域内的表面粒子和内部粒子的位置和体积，以及时、精准地以碰撞点位置为形变最大点向周围延伸对粒子化三维网格模型进行形变模拟，迅速控制粒子化三维网格模型发生形变，以模拟软目标物体的真实变形状态，提升形变模拟的效果、实时性以及真实性。
1.一种虚拟手术训练中基于物理粒子生成软组织碰撞效果的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的虚拟手术训练中基于物理粒子生成软组织碰撞效果的方法，其特征在于，为所述软组织模型创建包围盒的步骤具体包括：
3.根据权利要求2所述的虚拟手术训练中基于物理粒子生成软组织碰撞效果的方法，其特征在于，获取所述软组织模型的体积的步骤具体包括：
4.根据权利要求1所述的虚拟手术训练中基于物理粒子生成软组织碰撞效果的方法，其特征在于，在三角形网格面片中创建表面粒子的步骤具体包括：
5.根据权利要求1所述的虚拟手术训练中基于物理粒子生成软组织碰撞效果的方法，其特征在于，创建六面体网格和在所述六面体网格中创建内部粒子的步骤具体包括：
6.根据权利要求1所述的虚拟手术训练中基于物理粒子生成软组织碰撞效果的方法，其特征在于，还包括对所述内部粒子进行优化处理的步骤：
7.根据权利要求6所述的虚拟手术训练中基于物理粒子生成软组织碰撞效果的方法，其特征在于，在创建所述内部粒子之后，还包括创建骨骼粒子的步骤：
8.根据权利要求1所述的虚拟手术训练中基于物理粒子生成软组织碰撞效果的方法，其特征在于，为所述虚拟手术器械的末端创建射线的步骤具体包括：
9.根据权利要求1所述的虚拟手术训练中基于物理粒子生成软组织碰撞效果的方法，其特征在于，获取一次和二次碰撞反馈信息的步骤具体包括：
10.根据权利要求1所述的虚拟手术训练中基于物理粒子生成软组织碰撞效果的方法，其特征在于，对所述粒子化三维网格模型进行形变模拟的步骤具体包括：
11.根据权利要求1所述的虚拟手术训练中基于物理粒子生成软组织碰撞效果的方法，其特征在于，将所述虚拟手术器械与并联摇操作主手建立连接的步骤具体包括：
12.一种可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，所述程序运行时，实现权利要求1～11中任一项所述的虚拟手术训练中基于物理粒子生成软组织碰撞效果的方法。
13.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和权利要求12所述的可读存储介质，所述处理器用于执行所述可读存储介质上所存储的程序。
