CRESSim-MPM: A Material Point Method Library for Surgical Soft Body Simulation with Cutting and Suturing

📄 arXiv: 2502.18437v3 📥 PDF

作者: Yafei Ou, Mahdi Tavakoli

分类: cs.RO

发布日期: 2025-02-25 (更新: 2025-07-02)

备注: 8 pages, 13 figures, accepted for IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS) 2025

🔗 代码/项目: GITHUB

💡 一句话要点

CRESSim-MPM：用于切割和缝合手术软组织仿真的材料点法库

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control) 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: 手术仿真 材料点法 软组织建模 切割缝合 GPU加速 Unity集成 物理引擎

📋 核心要点

  1. 现有手术仿真平台难以模拟软组织的切割和缝合等复杂行为，主要原因是有限元方法(FEM)在处理断裂和分裂问题上的局限性。
  2. 本文采用材料点法(MPM)作为解决方案，并设计了专门用于切割和缝合的刚性几何体和软-刚体接触方法。
  3. CRESSim-MPM是一个GPU加速的MPM库，集成了多种MPM求解器，并已集成到Unity中，可用于软组织切割和缝合的实时仿真。

📝 摘要（中文）

本文提出CRESSim-MPM，一个GPU加速的材料点法(MPM)库，专门用于手术软组织仿真，特别是切割和缝合。现有手术仿真平台在刚体操作和软体变形方面表现出色，但在模拟更复杂的软体行为（如切割和缝合）方面存在困难。主要挑战在于使用有限元方法(FEM)模拟软体的断裂和分裂，而FEM是当前平台中的主要方法。此外，使用FEM时，缝合针/线在软体内部的双向接触变得更加复杂。本文利用MPM进行此类具有挑战性的仿真，并提出了专门为此设计的新型刚性几何体和软-刚体接触方法。CRESSim-MPM集成了多个MPM求解器，并结合了用于切割和缝合的手术几何体，作为一个专用的手术应用物理引擎。它进一步集成到Unity中，只需对现有项目进行最小的修改即可进行软体仿真。本文展示了该仿真器在软组织切割和缝合实时仿真中的能力，并提供了不同MPM求解器在模拟不同数量粒子时的初步性能评估。源代码可在https://github.com/yafei-ou/CRESSim-MPM获取。

🔬 方法详解

问题定义：现有手术仿真平台主要依赖有限元方法(FEM)模拟软组织形变，但在切割和缝合等涉及拓扑结构改变的场景下，FEM面临网格重划分、计算复杂度高等问题，难以实现高效、稳定的仿真。此外，缝合针线与软组织的复杂双向接触也难以精确建模。

核心思路：本文采用材料点法(MPM)替代FEM。MPM是一种基于粒子的方法，通过离散的材料点携带物质信息，在背景网格上进行计算，避免了FEM中网格畸变带来的问题，更适合模拟大变形、断裂等复杂物理现象。同时，针对手术场景，设计了特定的刚性几何体和软-刚体接触模型。

技术框架：CRESSim-MPM库的核心架构包含以下几个主要模块：1) 粒子管理模块：负责创建、删除和更新材料点的信息。2) 网格管理模块：维护背景网格结构，用于计算梯度和插值。3) MPM求解器模块：包含多种MPM求解器，如显式MPM、隐式MPM等，用于计算粒子的运动状态。4) 碰撞检测与响应模块：处理软组织与手术器械之间的碰撞。5) 渲染模块：将仿真结果可视化。该库集成到Unity引擎中，方便用户使用。

关键创新：该论文的关键创新在于将MPM应用于手术软组织仿真，并针对切割和缝合等特定操作，设计了专门的刚性几何体和软-刚体接触模型。这使得CRESSim-MPM能够更有效地模拟软组织的断裂、分裂和缝合过程，克服了传统FEM方法的局限性。

关键设计：在刚性几何体设计方面，论文可能采用了参数化的几何模型，例如可调节尺寸和形状的切割刀具和缝合针。在软-刚体接触模型方面，可能采用了基于惩罚力或约束的接触算法，并考虑了摩擦力等因素。具体的MPM求解器可能采用了显式时间积分方案，并使用APIC或PIC/FLIP等方法来减少数值耗散。此外，GPU加速也显著提升了仿真速度。

🖼️ 关键图片

fig_0
fig_1
fig_2

📊 实验亮点

论文展示了CRESSim-MPM在软组织切割和缝合实时仿真中的能力。初步性能评估表明，不同的MPM求解器在模拟不同数量粒子时表现出不同的性能。具体性能数据（如仿真帧率、计算时间等）需要在论文原文中查找。该库的开源为相关研究提供了便利。

🎯 应用场景

CRESSim-MPM可应用于手术技能培训、手术规划和机器人辅助手术等领域。通过提供逼真的软组织切割和缝合仿真，该库可以帮助医生提高手术技能，减少手术风险。此外，该库还可以用于开发机器学习模型，用于手术辅助和自动化。

📄 摘要（原文）

A number of recent studies have focused on developing surgical simulation platforms to train machine learning (ML) agents or models with synthetic data for surgical assistance. While existing platforms excel at tasks such as rigid body manipulation and soft body deformation, they struggle to simulate more complex soft body behaviors like cutting and suturing. A key challenge lies in modeling soft body fracture and splitting using the finite-element method (FEM), which is the predominant approach in current platforms. Additionally, the two-way suture needle/thread contact inside a soft body is further complicated when using FEM. In this work, we use the material point method (MPM) for such challenging simulations and propose new rigid geometries and soft-rigid contact methods specifically designed for them. We introduce CRESSim-MPM, a GPU-accelerated MPM library that integrates multiple MPM solvers and incorporates surgical geometries for cutting and suturing, serving as a specialized physics engine for surgical applications. It is further integrated into Unity, requiring minimal modifications to existing projects for soft body simulation. We demonstrate the simulator's capabilities in real-time simulation of cutting and suturing on soft tissue and provide an initial performance evaluation of different MPM solvers when simulating varying numbers of particles. The source code is available at https://github.com/yafei-ou/CRESSim-MPM.