用于虚拟腹腔镜手术的智能集成机械手的设计与实现

摘要

随着腹腔镜手术的快速发展，在医生的手术技能方面人们又有了新的要求。一般而言，医生娴熟的操作手法来自大量的临床经验。而虚拟腹腔镜手术系统可以通过构建患者腹腔内三维虚拟场景、模拟腹腔镜手术基本过程等方法，帮助训练医生的基本手术技能。与传统的培训方式不同，虚拟腹腔镜手术系统能够反复多次练习而不用担心标本、场地和手术安全等问题，不仅训练代价小，同时缩短了培训周期。有些虚拟手术系统还具有辅助确定手术方案、评估医生手术过程等作用。
　　为了给操作者真实感和沉浸感，虚拟手术系统都会选择机械手作为人机交互的接口。国内研究机构在机械手的选择上面基本上都是以 Phantom系列等国外设备为主，自主研发的很少。针对上述情况，本文对虚拟腹腔镜手术智能集成机械手部分进行了研究。主要工作如下：
　　（1）提出了取代鼠标和键盘交互的智能集成机械手需求，包括该机械手的基本功能和规格参数。
　　（2）根据机器人正运动学 DH（Denavit-Hartenberg）表示法推导了本机械手构型的末端位置和姿态公式，并对相关参数进行测试。
　　（3）在unity平台上实现了串口通信：尝试了串口数据接收的两种方法，选择了定时查询机制；采用多线程、队列的数据结构确保了在处理串口数据时，串口的接收没有任何遗漏，并进行模拟验证。
　　（4）完成了姿态矩阵到欧拉角的转换以及姿态矩阵到四元数的转换，并把操作手应用到虚拟腹腔镜胆囊切除手术中，实现了对虚拟手术器械模型的控制。
　　本机械手设备可以实现对手术器械模型的运动控制，映射关系非常简单直接，并且跟键盘鼠标的操作方式有本质区别，便于操作者使用，能够给使用者带来一定的手术沉浸感。

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1 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题的研究意义

1.3 国内外研究现状

1.4 论文结构安排

2 操作手系统分析与设计

2.1 本研究涉及的基本概念

2.2 操作手设计原则

2.3 操作手需求分析

2.4 关键技术分析

2.5 系统流程图

2.6 操作手规格参数设计

2.7 操作手硬件各模块选型

2.8 本章小结

3 操作手系统软件设计

3.1 位姿参数的计算

3.2 系统程序设计

3.3 系统测试

3.4 本章小结

4 操作手在unity3D虚拟手术场景中的应用

4.1 unity3D引擎简介

4.2 串口接口的实现

4.3 对姿态矩阵的转换

4.4 操作手和虚拟手术器械之间的映射

4.5 本章小结

5 总结和展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献