基于彈簧-質點模型的基礎上提出一種新的可變菱形拓撲結構模型,通過改變菱形邊彈簧的長度及彈簧系數、初始夾角,可實現該模型對不同器官的形變模擬。此外在模型中加入虛擬彈簧提供約束力,避免外力過大出現超彈性現象,并用于形變過程中反饋力的計算。在力反饋形變算法中,篩選有效的移動質點,并把這些移動質點形成區域面積的改變與作用力聯系起來,計算量小,從而簡化了傳統的彈簧-質點模型的力反饋算法。基于此模型采用PHANTOM觸覺交互設備進行受力形變模擬實驗。實驗結果表明,該模型結構簡單易于實現,采用的力反饋形變算法,降低了形變計算的次數,提高了形變的實時性,具有更逼真的形變效果。
質點彈簧模型是虛擬手術中常用模型之一, 但由于其模型參數無明確物理意義, 參數設定上存在諸多不便。由此提出基于遺傳算法確定質點彈簧模型參數的方法。采用計算機輔助斷層掃描數據(CAT data)確定質點質量值; 彈簧彈性系數及阻尼系數通過遺傳算法計算獲得; 并利用參考形變同模擬形變間差異大小作為適應度函數求得模型參數近似最優解。實驗結果證明該方法能在較低計算成本的前提下獲得彈簧參數的近似最優解, 能夠使虛擬模型較準確地再現實際模型形變效果。