虚拟膝关节镜手术力反馈交互装置设计与研究

摘要

由于内窥镜微创手术的先进性，使得越来越多的病患者选择该类手术作为医疗手段。随着患者需求的日益上升，对掌握手术技能的医护人员的需求也在增加。基于膝关节镜手术的特点，教育与培训专门的关节镜手术人员往往需要很高的投入，存在很大的困难。
　　 虚拟外科手术可以解决医疗培训上的难题。在虚拟医疗培训中，力觉交互技术有着重要的意义。通过力反馈技术，医生与虚拟手术场景进行交互时，可以感觉到力觉信息，使培训的真实性得到提高，更加准确、可靠。
　　 本课题是基于虚拟现实技术的应用研究，针对膝关节镜手术，设计出一款用于手术仿真操作的力反馈交互装置。主要从以下方面进行了分析和研究:
　　 (1)交互装置机构设计。通过对实际膝关节镜手术操作过程的分析研究，提出了力反馈交互装置设计上的指标和原则。设计出出力反馈交互装置机械装置，并根据需求改良其各项参数，选取合适的器件，加工制造出交互装置硬件实物。
　　 (2)交互装置性能分析。围绕交互装置的机械结构，以机器人运动学理论对其进行了正解分析，建立交互装置的数学模型，并根据模型进行反馈力分解运算。围绕力反馈交互装置的反馈力生成原理，研究了实现力反馈过程中的电机转矩输出原理以及堵转引起的电机升温问题，提出了相关使用安全措施。
　　 (3)控制策略研究。对常用控制策略做出研究，选用了PI控制策略作为交互设备的电机控制策略，并进行了电机驱动软件开发。
　　 (4)将交互装置与虚拟手术软件系统结合，搭建出虚拟手术平台。
　　 本文完成了基于虚拟膝关节镜手术的力反馈交互装置的开发与研究，本文创新点在于开发出一种适用于膝关节镜手术仿真的力反馈交互装置，具有一定的专用性与实用性。

目录

摘要

CONTENTS

第一章 绪论

1．1 选题背景与意义

1．2 虚拟手术系统

1．3 国内外研究现状

1．4 论文主要研究内容及章节安排

第二章 力反馈交互装置设计

2．1 膝关节镜手术及其特点

2．1．1 膝关节镜手术

2．1．2 手术器械操作特点

2．2 力反馈交互装置设计方案及指标

2．2．1 交互装置整体方案

2．2．2 交互装置性能指标

2．2．3 交互装置驱动器件选型

2．3 力反馈交互装置机构设计

2．3．1 设计要求

2．3．2 机械结构设计

2．4 本章小结

第三章 交互装置性能分析

3．1 交互设备的运动学分析

3．1．1 几何空间的三维变换

3．1．2 交互设备运动模型建立

3．2 交互设备的力学模型

3．3 反馈力驱动电机性能分析

3．3．1 驱动电机转矩分析

3．3．2 驱动电机热分析

3．4 本章小结

第四章 力觉控制策略与力反馈原理

4．1 基本控制原则

4．2 交互装置力反馈控制策略

4．3 虚拟环境中力的表达

4．3．1 基于动作的力形式

4．3．2 基于时间的力形式

4．4 虚拟力觉模型

4．5 本章小结

第五章 虚拟膝关节镜手术仿真系统

5．1 系统开发概述

5．2 总体框架组成

5．3 软件实现

5．3．1 SOFA概述

5．3．2 多模态表示

5．4 驱动软件开发

5．5 本章小结

结论与展望

全文总结

研究展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的论文

声明

致谢