具有力反馈的微创腹腔手术机器人虚拟手术技术研究

摘要

腹腔机器人虚拟手术是虚拟现实技术在现代医学领域中的应用。腹腔机器人虚拟手术系统不但可以为医生提供腹腔镜手术的训练平台，还可以辅助真实的手术治疗，它的出现大大方便了腹腔镜手术的推广和应用。在腹腔机器人虚拟手术系统中，视觉和触觉反馈是用户和系统交互的两大重要方式，逼真、实时的视觉和触觉反馈可以增强系统的真实性和沉浸感。本文基于腹腔手术机器人系统，对具有力反馈的虚拟手术进行研究。
　　首先，在对比常用建模方法的基础上，利用手工建模的方法建立虚拟手术中的主要几何模型，并设置模型的局部坐标等相关参数，保留模型的材质、纹理、坐标等信息，导出保存为.3DS数据。依据建立的几何模型，在Microsoft Visual studio2008平台下，实现虚拟手术场景漫游交互。
　　然后，对微创腹腔机器人进行运动学分析，建立虚拟空间中机器人的坐标系统，计算在虚拟坐标系下机器人各部件的位姿，编制腹腔手术机器人虚拟仿真程序。以Omega.3虚拟触觉装置为虚拟环境的输入信号，虚拟环境实时采样获得虚拟从手的位置信息，根据运动学解算，在窗口中刷新显示采样时刻的一帧图像，操作者观察时由于视觉残留得到了连续的机器人运动仿真图像。通过控制Omega.3完成主手控制虚拟机器人的人机交互。
　　软组织变形方面，根据人体软组织的生物力学特性，采用质点-弹簧法对软组织进行抽象，建立软组织的物理模型，并确定虚拟微器械与软组织的碰撞检测算法，得到虚拟环境中软组织的变形模型。在力反馈方面，由软组织的质点-弹簧模型，确定力反馈算法，得到微器械与软组织碰触时的实时力反馈大小和方向。借助 CAHI3D等开发包，编制软组织变形和力反馈程序，利用Omega.3完成虚拟手术的人机交互。
　　最后阐述了腹腔机器人虚拟手术系统的开发环境、控制界面及虚拟手术系统三种操作模式。针对各操作模式，结合Omega.3虚拟触觉装置，完成腹腔虚拟手术运动仿真和软组织变形交互实验。最后设计力反馈实验，验证变形过程中的力反馈。实验结果证明腹腔机器人虚拟手术的实时性和准确性。

目录

具有力反馈的微创腹腔手术机器人虚拟手术技术研究

RESEARCH ON VIRTUAL REALITY ROBOTICLAPAROSCOPIC MICROSURGERY WITH FORCEFEEDBACK

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 虚拟手术的关键技术概述

1.3.1 虚拟手术几何建模

1.3.2 虚拟手术物理建模

1.3.3 虚拟手术中的力反馈

1.4 论文的主要研究内容

第2章 虚拟手术系统的几何建模与场景漫游

2.1 引言

2.2 几何建模过程

2.3 人体组织器官几何建模

2.4 微创腹腔手术机器人几何建模

2.5 手术场景建模

2.6 虚拟手术场景漫游交互

2.6.1 虚拟手术硬件及软件

2.6.2 场景漫游交互的实现

2.7 本章小结

第3章 微创腹腔手术机器人运动仿真

3.1 引言

3.2 机器人运动分析

3.3 手术机器人运动学逆解

3.4 各运动构件位姿

3.4.1 主动臂的位姿

3.4.2 被动臂的位姿

3.5 运动学仿真的实现

3.5.1 运动仿真算法

3.5.2 运动仿真结果

3.6 本章小结

第4章 柔性体物理建模及变形仿真

4.1 引言

4.2 人体软组织生物力学分析

4.2.1 软组织生物力学特性

4.2.2 弹性体基本假设

4.3 软组织质点-弹簧模型

4.3.1 质点-弹簧模型变形分析

4.3.2 质点-弹簧模型参数

4.3.3 作用力的顺序传递

4.3.4 碰撞检测分析

4.4 力反馈算法

4.5 虚拟手术变形仿真的实现

4.5.1 软组织变形仿真算法

4.5.2 软组织变形仿真的实现

4.6 本章小结

第5章 虚拟手术系统实验研究

5.1 引言

5.2 虚拟手术系统的几种操作模式

5.3 实验配置

5.4 运动仿真交互实验

5.5 软组织变形交互实验

5.6 力反馈实验

5.6.1 实验目的

5.6.2 实验过程

5.6.3 实验结果

5.6.4 力反馈实验总结

5.7 本章小结

结 论

参考文献

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

致 谢