Симуляційні навчання із застосуванням засобів віртуальної реальності є одним із сучасних освітніх підходів, в тому числі, і в медицині. Найважливішим аспектом в освіті студентів хірургічних спеціальностей є розвиток в учнів практичних навичок, в першу чергу навичок використання різних хірургічних інструментів. При цьому на перший план виходять тактильні відчуття, оскільки саме вони є визначальними в роботі хірурга. Поточний рівень розвитку обчислювальної техніки дозволяє створювати системи віртуальної хірургії з тактильним зворотним зв'язком, здатні відтворювати не тільки візуальні, а й тактильні відчуття під час симуляції. Однією з ключових завдань, які необхідно вирішити при реалізації системи з тактильним зворотним зв'язком є виявлення зіткнень інструменту з модельований об'єктом. Застосування апріорного виявлення зіткнень дозволяє значно підвищити якість і реалізм симуляції. Робота присвячена опису алгоритму, що реалізує апріорне виявлення зіткнень, який можна використовувати в системах віртуальної реальності з тактильним зворотним зв'язком.

Анотація наукової статті з комп'ютерних та інформаційних наук, автор наукової роботи - Алайцев І.К., Данилова Т.В., Мантуров А.О., Мареев Г.О., Мареев О.В.


A PRIORY COLLISION DETECTION ALGORITHM FOR 3-DOF HAPTIC RENDERING

Simulation systems application is a modern way for students training in surgery. Most of the existing approaches require specific consumables that are destroyed during training. Thus, the training becomes quite expensive while not providing standardization of training process and making it difficult to rate the quality of skills trained. Exploitation of virtual reality provides much better education standardization capabilities while eliminating the need for consumables and making it possible to semiautomatic rating of training results. Collision detection is one of the key components of any haptic rendering algorithm. Most of the existing approaches to haptic rendering are based on a posteriori collision detection. An exploitation of a priory collision detection may drastically increase quality of haptic rendering. This paper describes a priory collision detection algorithm that may be effectively used by 3-DOF haptic rendering implementations.


Область наук:
  • Комп'ютер та інформатика
  • Рік видавництва діє до: 2016
    Журнал: Міжнародний науково-дослідний журнал

    Наукова стаття на тему 'АЛГОРИТМ апріорно ВИЯВЛЕННЯ СУТИЧОК ДЛЯ СИСТЕМ ВІРТУАЛЬНОЇ РЕАЛЬНОСТІ З тактильним зворотним зв'язком'

    Текст наукової роботи на тему «Алгоритм апріорно ВИЯВЛЕННЯ СУТИЧОК ДЛЯ СИСТЕМ ВІРТУАЛЬНОЇ РЕАЛЬНОСТІ З тактильним зворотним зв'язком»

    ?МЕДИЧНІ НАУКИ / MEDICINE

    DOI: 10.18454 / IRJ.2016.54.180 Алайцев І.К.1, Данилова Т.В.2, Мантуров А.О.3, Мареев Г.О.4, Мареев О.В.5

    1ORCID: 0000-0003-4657-2701, Аспірант, Саратовський державний технічний університет імені Гагаріна Ю.А. 2ORCID: 0000-0003-1986-2244, Кандидат фізико-математичних наук, доцент, Саратовський державний технічний університет імені Гагаріна Ю.А. 3ORCID: 0000-0002-1341-171X, Кандидат фізико-математичних наук, доцент, Саратовський державний технічний університет імені Гагаріна Ю.А. 4Доктор медичних наук, доцент, Саратовський державний університет імені В.І.Разумовского 5 Доктор медичних наук, професор, Київський державний університет імені В.І.Разумовского АЛГОРИТМ апріорно ВИЯВЛЕННЯ СУТИЧОК ДЛЯ СИСТЕМ ВІРТУАЛЬНОЇ РЕАЛЬНОСТІ З тактильним зворотним зв'язком

    анотація

    Симуляційні навчання із застосуванням засобів віртуальної реальності є одним із сучасних освітніх підходів, в тому числі, і в медицині. Найважливішим аспектом в освіті студентів хірургічних спеціальностей є розвиток в учнів практичних навичок, в першу чергу - навичок використання різних хірургічних інструментів. При цьому на перший план виходять тактильні відчуття, оскільки саме вони є визначальними в роботі хірурга. Поточний рівень розвитку обчислювальної техніки дозволяє створювати системи віртуальної хірургії з тактильним зворотним зв'язком, здатні відтворювати не тільки візуальні, а й тактильні відчуття під час симуляції. Однією з ключових завдань, які необхідно вирішити при реалізації системи з тактильним зворотним зв'язком є ​​виявлення зіткнень інструменту з модельований об'єктом. Застосування апріорного виявлення зіткнень дозволяє значно підвищити якість і реалізм симуляції. Робота присвячена опису алгоритму, що реалізує апріорне виявлення зіткнень, який можна використовувати в системах віртуальної реальності з тактильним зворотним зв'язком.

    Ключові слова: віртуальна реальність, тактильний зворотний зв'язок, симуляція, віртуальна хірургія, гаптікі-пристрої.

    Alaytsev I.K.1, Danilova T.V.2, Manturov A.O.3, Mareev G.O.4, Mareev O.V.5

    1ORCID: 0000-0003-4657-2701, Postgraduate student, Yuri Gagarin Saratov State Technical University 2ORCID: 0000-0003-1986-2244, PhD in Physics and Mathematics, Associate professor,

    Yuri Gagarin Saratov State Technical University 3ORCID: 0000-0002-1341-171X, PhD in Physics and Mathematics, Associate professor, Yuri Gagarin Saratov State Technical University 4MD, Associate professor, Saratov State Medical University named after VI Razumovsky 5MD, Professor, Saratov State Medical University named after VI Razumovsky A PRIORY COLLISION DETECTION ALGORITHM FOR 3-DOF HAPTIC RENDERING

    Abstract

    Simulation systems application is a modern way for students training in surgery. Most of the existing approaches require specific consumables that are destroyed during training. Thus, the training becomes quite expensive while not providing standardization of training process and making it difficult to rate the quality of skills trained. Exploitation of virtual reality provides much better education standardization capabilities while eliminating the need for consumables and making it possible to semiautomatic rating of training results. Collision detection is one of the key components of any haptic rendering algorithm. Most of the existing approaches to haptic rendering are based on a posteriori collision detection. An exploitation of a priory collision detection may drastically increase quality of haptic rendering. This paper describes a priory collision detection algorithm that may be effectively used by 3-DOF haptic rendering implementations.

    Keywords: virtual reality, haptic feedback, simulation, virtual surgery, haptic devices.

    Однією з ключових завдань, які необхідно вирішити при реалізації системи з тактильним зворотним зв'язком є ​​виявлення зіткнень інструменту з модельований об'єктом.

    При розробці хірургічних симуляторів з тактильним зворотним зв'язком застосовуються спеціалізовані алгоритми виявлення зіткнень [1] [2]. Це обумовлено тим, що виявлення зіткнень, обчислення сили зворотного зв'язку і відправка результатів на пристрій тактильного введення-виведення повинні відбуватися з частотою близько 1000 Гц. Іншою причиною розробки спеціалізованих алгоритмів є той факт, що дані в хірургічних симуляторах, спрямованих на навчання обробки твердих об'єктів, наприклад, кісткових структур, як правило представлені у вигляді масивів вокселей, а традиційні підходи до реалізації виявлення зіткнень в більшості випадків передбачають полігональне уявлення об'єктів.

    Як правило, алгоритми виявлення зіткнень реалізують апостеріорне виявлення зіткнень, тобто факт зіткнення об'єктів виявляється вже після того, як зіткнення відбулося, і відбулося перетин об'єктів. Перевагою апостеріорного підходу до виявлення зіткнень є відносно низька обчислювальна складність реалізують його алгоритмів.

    Однак, даний підхід не позбавлений недоліків. Зокрема, в разі взаємодії тонких або швидко рухаються можливе проходження об'єктів один крізь одного. У разі застосування апостеріорного виявлення зіткнень в системах з тактильним зворотним зв'язком дана проблема може проявлятися в

    пронзаніі модельованого об'єкта віртуальним інструментом, керованим за допомогою пристрою тактильного введення-виведення - гаптікі-пристрої. Це може призводити до значного зниження реалізму симуляції.

    Типова картина, яка спостерігається при застосуванні апостеріорного визначення зіткнень приведена на рис 1 .: інструмент частково проник крізь поверхню об'єкта, що моделюється.

    Позначених недоліків позбавлений апріорний підхід до виявлення зіткнень, при якому зіткнення виявляються до того, як відбудеться взаємне те взаємодіючих об'єктів.

    Авторами пропонується алгоритм, який реалізує апріорне виявлення зіткнень з використанням карт окупації простору воксель модельованого об'єкта і інструменту. Застосування карт окупації давно відомо, проте застосовується для апостеріорного виявлення зіткнень, при якому факт зіткнення фіксується після того, як відбудеться взаємне проникнення об'єктів.

    2

    1

    \

    \

    Мал. 1 - Апостеріорна виявлення зіткнень: 1 - інструмент, 2 - поверхня об'єкта, що моделюється

    \ 4

    \

    N

    \

    |

    ?

    1 Vя А

    ....

    | ю

    Мал. 2 - Апріорне виявлення зіткнень

    Для реалізації апріорного виявлення зіткнень пропонується проводити безперервну трасування переміщення інструменту в просторі і перевірку на зіткнення з модельований об'єктом на кожному кроці трасування. Такий підхід дозволяє не тільки гарантовано виявити зіткнення, але і однозначно визначити положення інструменту на поверхні об'єкта.

    Під трасуванням в даному випадку розуміється побудова траєкторії переміщення інструменту в просторі, ґрунтуючись на даних, отриманих з пристрою введення, геометрії інструменту та об'єкта. Трасування проводиться таким чином, щоб мінімізувати відстань між віртуальним інструментом і точкою, що представляє положення пристрою введення в віртуальному просторі, і в той же час не допустити проходження інструменту крізь поверхню об'єкта, що моделюється.

    На кожній ітерації обробки даних з гаптікі-пристрої виробляються наступні дії (Рис 2):

    1. Фіксується початкове положення інструменту, яке визначається, як стан інструменту в кінці попередньої ітерації (точка А).

    2. Фіксується бажане положення інструменту, яка визначається, як стан контрольної точки гаптікі-пристрої у віртуальному просторі (точка Б).

    3. Проводиться пошук нового положення інструменту за наступним алгоритмом:

    a. Визначаються напрямки, переміщення в яких призведе до зменшення відстані між поточним становищем інструменту і точкою Б. Потенційні напрямки зміщення поміщаються в список і впорядковуються в порядку збільшення відстані між інструментом і точкою Б при зміщенні в цьому напрямку на один воксель.

    b. Для кожного з обраних напрямків перевіряється, що при зміщенні способу інструменту в цьому напрямку на один воксель не відбудеться проникнення інструменту в поверхню об'єкта, що моделюється.

    c. Якщо при зміщенні в обраному напрямку на один воксель відбувається проникнення інструменту в поверхню об'єкта, що моделюється, то вибирається наступний напрямок зі списку.

    Л Якщо при зміщенні в обраному напрямку на один воксель не відбувається проникнення інструменту в поверхню об'єкта, що моделюється, то фіксується нове положення інструменту і здійснюється перехід до кроку 3.

    4. Якщо в процесі вибору напрямку зміщення в будь-якому з обраних напрямків призводить до проникнення інструменту в поверхню об'єкта, що моделюється, то трасування положення інструменту припиняється і знайдене положення фіксується, як положення інструменту на даній ітерації (точка В).

    5. Обчислення вектора сили зворотного зв'язку.

    У разі застосування даного алгоритму в складі системи з тактильним зворотним зв'язком після визначення положення інструменту на поверхні об'єкта, що моделюється можливе обчислення вектора сили зворотного зв'язку.

    Використання запропонованого способу вимагає подання об'єкта, що моделюється і інструменту у вигляді масиву вокселей - рівномірно розподілених в просторі кубів вкрай малого обсягу, для кожного з яких відомі його координати в просторі і матеріал, укладений в його обсязі [3]. Побудова таких масивів може бути вироблено як попередньо, наприклад, з використанням даних комп'ютерної томографії в разі хірургічних симуляторів, так і відбуватися в реальному часі. При цьому інструмент і об'єкт представлені воксель, причому дозвіл воксельної сітки однаково для інструменту і модельованого об'єкта. Застосування запропонованого підходу дозволяє виконати апроксимацію поверхонь інструменту і об'єкта найбільш оптимальним для твору виявлення зіткнень способом.

    За рахунок апріорного виявлення зіткнень забезпечується гарантія неможливості пронзанія модельованого об'єкта віртуальним інструментом при додатку значного зусилля до пристрою введення. У разі, якщо опір пристрої введення буде подолано користувачем, віртуальний інструмент все одно продовжить жорстко слідувати по поверхні об'єкта, що моделюється.

    Було проведено порівняння описаного методу з аналогічними методами [1] [2]. За результатами порівняння були виявлені наступні переваги:

    1. Пронзаніе об'єкта інструментом неможливо, на відміну від розглянутих методів [1] [2], де при швидкому переміщенні інструменту можливо пронзаніе поверхні об'єкта.

    2. Описаний авторами спосіб гарантує, що, незалежно від складності рельєфу поверхні об'єкта і форми інструменту, зіткнення буде виявлено. Крім того, на відміну від розглянутих способів [1] [2], складна геометрія об'єкта, що моделюється не позначається негативно на відчутною користувачем жорсткості об'єкта, не виникає ймовірності пронзанія модельованого об'єкта при взаємодії з заглибленнями і каналами в ньому.

    3. При розміщенні інструменту в вузьких проходах і отворах не виникає вібрацій, які спостерігаються при використанні способів, що реалізують апостеріорне виявлення зіткнень [1] [2], оскільки не відбувається виштовхування інструменту - генерується сила зворотного зв'язку впливає тільки на користувача, зміщення ж інструменту неможливо , оскільки обмежена природним чином. Це досягається завдяки застосуванню апріорного виявлення зіткнень: при спробі зміщення об'єкта в напрямку стінки каналу при апріорно виявленні зіткнень відразу фіксується факт неможливості усунення інструменту, в результаті чого віртуальний інструмент залишається на місці, а на гаптікі пристрій подається команда на генерацію сили, достатньої для протидії тиску , який чиниться користувачем. У разі застосування апостеріорного виявлення зіткнень в даному випадку виникає ситуація, коли після кожної нової спроби зсуву інструменту в напрямку стінки каналу відбувається відштовхування інструменту і він відразу ж перетинається з протилежного стінкою каналу.

    До недоліків запропонованого алгоритму можна віднести високі вимоги до обчислювальних ресурсів, які обумовлені необхідністю відстежувати стан великого числа точок. Це обмежує область застосування алгоритму випадками, коли одне з взаємодіючих тіл нерухомо, а переміщається тіло має порівняно малий розмір.

    У разі застосування в системах з тактильним зворотним зв'язком в ролі статичного об'єкта буде виступати будь-якої модельований об'єкт, а переміщається об'єкт малих розмірів буде відображати переміщення рукояті гаптікі-пристрої. При цьому важливо, щоб швидкість руху рукояті гаптікі-пристрою не був занадто висока, інакше буде неможливо досягти необхідної частоти обробки даних введення з пристрою. Варто відзначити, що швидкість переміщення рукояті пристрої тактильного введення-виведення, як правило, обмежена фізіологічними можливостями людини і не повинна досягати таких величин, при яких буде спостерігатися серйозне падіння частоти обробки.

    Іншим важливим аспектом практичної реалізації описаного алгоритму є можливість розпаралелювання обчислень. Алгоритм побудований таким чином, щоб досить легко було можливо застосовувати SIMD-обчислення.

    Список літератури / References

    1. Morris, D. Haptics and Physical Simulation for Virtual Bone Surgery: PHD thesis / Morris Dan. - Stanford: Stanford University. 2006. - 213 c.

    2. Petersik, A. [и др.] Method for the simulation of the haptic of an interaction of a guided object with a virtual three -dimensional object // US Patent. - 2013. - 10 с.

    3. Мареев, Г.О. [И др.] Основні принципи створення віртуального воксельного світу і реалізації тактильного зворотного зв'язку в хірургічних симуляторах / Г.О. Мареев, І.К. Алайцев, І.Ю. Єрмаков, Т.В. Данилова, А.О. Мантуров // Бюлетень медичних Інтернет-конференцій. - 2016. - № 5 (6). - C. 768-771.

    Список літератури англійською мовою / References in English

    1. Morris, D. Haptics and Physical Simulation for Virtual Bone Surgery: PHD thesis / Morris Dan. - Stanford: Stanford University. 2006. - 213 p.

    2. Petersik, A. [et. al.] Method for the simulation of the haptic of an interaction of a guided object with a virtual three-dimensional object // US Patent. - 2013. - 10 p.

    3. Mareev, G.O. [Et. al.] Osnovnye printsipy sozdaniya virtual'nogo voksel'nogo mira i realizatsii taktil'noy obratnoy svyazi v khirurgicheskikh simulyatorakh [Basic principles of creation of voxelized virtual world in virtual surgery simulation systems] / G.O. Mareev, I.K. Alaytsev, I.Y. Ermakov, T.V.Danilova, A.O.Manturov // Byulleten 'meditsinskikh Internet-konferentsiy [Bulletin of Medical Internet Conferences]. - 2016. - № 5 (6). - P. 768-771.

    DOI: 10.18454 / IRJ.2016.54.181 Алайцев І.К.1, Данилова Т.В.2, Мантуров А.О.3, Мареев Г.О.4, Мареев О.В.5

    1ORCID: 0000-0003-4657-2701, аспірант, Саратовський державний технічний університет імені Гагаріна Ю.А. 2ORCID: 0000-0003-1986-2244, кандидат фізико-математичних наук, доцент, Саратовський державний технічний університет імені Гагаріна Ю.А. 3ORCID: 0000-0002-1341-171X, кандидат фізико-математичних наук, доцент, Саратовський державний технічний університет імені Гагаріна Ю.А.

    4доктор медичних наук, доцент, Саратовський державний університет імені В.І.Разумовского

    5доктор медичних наук, професор, Київський державний університет імені В.І.Разумовского МОДЕЛЬ ОБРОБКИ ТВЕРДИХ ТЕЛ бормашини ДЛЯ ХІРУРГІЧНОГО симулятор

    анотація

    Симуляційні навчання із застосуванням засобів віртуальної реальності є одним із сучасних освітніх підходів, в тому числі, і в медицині. Найважливішим аспектом в освіті студентів хірургічних спеціальностей є розвиток в учнів практичних навичок, в першу чергу - навичок використання різних хірургічних інструментів. При цьому на перший план виходять тактильні відчуття, оскільки саме вони є визначальними в роботі хірурга. Поточний рівень розвитку обчислювальної техніки дозволяє створювати системи віртуальної хірургії з тактильним зворотним зв'язком, здатні відтворювати не тільки візуальні, а й тактильні відчуття під час симуляції. Одним із завдань, що вирішуються при розробці хірургічного симулятора з тактильним зворотним зв'язком, що дозволяє виробляти навчання студентів роботі з бормашиною, є імітація обробки твердих тіл, наприклад, кісткових структур, з видаленням матеріалу. У даній статті описана модель імітації видалення матеріалу бормашиною, що дозволяє враховувати швидкість обертання бору, його форму і властивості поверхні. Описана модель може бути програмно реалізована в рамках програмного забезпечення симулятора і здатна забезпечити високий рівень реалістичності.

    Ключові слова: віртуальна реальність, моделювання, симуляція, віртуальна хірургія.

    Alaytsev I.K.1, Danilova T.V.2, Manturov A.O.3, Mareev G.O.4, Mareev O.V.5

    1ORCID: 0000-0003-4657-2701, postgraduate student, Yuri Gagarin Saratov State technical university

    2ORCID: 0000-0003-1986-2244, PhD in Physics and mathematics, associate professor,

    Yuri Gagarin Saratov State technical university

    3ORCID: 0000-0002-1341-171x, PhD in Physics and mathematics, associate professor,

    Yuri Gagarin Saratov State technical university

    4MD, associate professor, Saratov state medical university named after v. I. Razumovsky

    5MD, professor, Saratov state medical university named after v. I. Razumovsky SOLID BODY DRILLING IN VIRTUAL SURGERY SYSTEM

    Abstract

    Simulation systems application is a modern way for students training in surgery. Most of the existing approaches require specific consumables that are destroyed during training. Thus, the training becomes quite expensive while not providing standardization of training process and making it difficult to rate the quality of skills trained. Exploitation of virtual reality provides much better education standardization capabilities while eliminating the need for consumables and making it possible


    Ключові слова: ВІРТУАЛЬНА РЕАЛЬНІСТЬ / VIRTUAL REALITY / Тактильним зворотним зв'язком / HAPTIC FEEDBACK / СИМУЛЯЦІЯ / SIMULATION / Віртуальна ХІРУРГІЯ / VIRTUAL SURGERY / Гаптікі-ПРИСТРОЇ / HAPTIC DEVICES

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити