面向牙科手术培训的合成技术

面向牙科手术培训的力觉合成技术  

    高性能的虚拟现实（VR）系统应具有三个特征，即沉浸感、想象性和交互性（3I）。VR技术的发展一直在朝着这三个目标努力。目前的VR系统大多具有很强的视听觉显示功能，而在触/力觉方面的显示能力不足，导致系统的交互性不够，不能满足操作者与虚拟世界之间进行触力觉交互的要求。正如计算机图形学（Computer Graphics）在上世纪60年代的孕育和发展一样，计算机触觉（Computer Haptics）正在VR系统中扮演越来越重要的角色。

    在航空领域，飞行模拟器已经成为训练和评价飞行员的重要工具。在外科手术领域，手术模拟器一直是研究人员的努力目标，但由于知识和技术局限，还不能实现满足医生培训要求的手术模拟器。手术模拟器和飞行模拟器相比，其任务特点在于需要给受训者提供准确的触觉力觉感受，以及要求手眼协调，并要求模拟器能够提供基于物理规律的真实感模拟。

    由北京航空航天大学王党校担任第一作者撰写的《面向牙科手术培训的力觉合成技术》一文针对此问题开展研究工作。该文发表在2009年创刊的《中国科学F辑：信息科学》中文版第1期"虚拟现实专刊"上。该文以牙科手术培训系统为对象，研究了逼真的力觉合成技术。目前口腔医学界主要采用离体牙、假牙和临床操作来训练新医生的手术技巧。与传统的教学训练方式相比，虚拟现实牙科操作训练系统可以模拟实际临床中常规病例和疑难病例，供学生练习其诊断和治疗要领，例如视线不可达部位的"盲"操作，或口镜下的精确治疗操作等；还可连续记录操作过程的三维运动和力数据，进行回放和分析，便于教学和考核等。

    针对牙科手术培训中训练医生触力觉感受的需求，重点研究了基于三角面片网格模型的真实感触力觉合成技术，包括基于多更新率的力觉渲染体系架构、基于均匀空间划分和时间连续性的实时碰撞检测算法、基于虚拟代理的接触碰撞响应算法、基于等效接触模型的切削力计算模型，以及滑动速度驱动的大规模数据多层次力觉渲染算法等。建立了力觉-视觉融合的牙科操作培训系统的原型物理样机，实现了龋齿探查、牙齿纵截面物理属性感知、牙体钻削制备等典型牙科手术操作模拟。

    该文的研究工作为口腔医学新医生的训练提供了一条新途径，研究小组基于该成果拟进一步开展医生试验操作，未来目标是研制出实用的口腔医学手术培训系统。此外，力觉合成技术为各类虚拟现实系统提供通用的技术基础，经过深入研究将可以用到需要手眼协调的各类精细操作任务中，包括腹腔镜微创手术、眼科手术等，还可以用到军事、航天等训练领域。

    （为了加强对信息学科研究进展的报道，更好地服务读者和作者，《中国科学》系列期刊自2009年1月起创办《中国科学F辑：信息科学》中文版。该刊主要报道计算机科学与技术、控制科学与控制工程、通信与信息系统、电子科学与技术、生物信息学等领域基础研究和应用研究方面具有重要意义和创新性的最新成果。设有评述、论文和快讯等栏目。）