基于腹腔外科机器人手术系统的虚拟仿真技术研究

摘要

腹腔外科机器人虚拟手术是虚拟现实技术在腹腔外科手术领域的一个重要应用。相较于传统外科手术而言，腹腔外科机器人虚拟手术操作具有无风险性、无损害性及可重复性等优点。腹腔外科机器人虚拟手术仿真技术作为腹腔外科机器人系统的关键技术之一，其研究在模拟真实手术操作和缩短医生培训时间等方面具有重要的意义。
　　本文结合国家863资助项目“大型腹腔微创手术机器人系统产业化开发”，设计了虚拟腹腔外科手术的机器人模型，并对其进行了正、逆解运动学分析，建立了腹腔主要器脏组织的几何模型以及手术对象的生物力学模型，创建了腹腔外科手术的虚拟环境，搭建了虚拟手术的仿真平台，进行了按压、夹持、切割、缝合等虚拟手术仿真研究。
　　首先，对涉及到的人体腹腔组织模型、机器人模型、手术器械模型等进行三维建模，并设置相关模型的局部坐标等参数；对这些模型添加材质、纹理等有关信息，增加其真实性。结合相关的软、硬件设备搭建虚拟手术仿真平台，并实现手术场景的漫游交互。
　　其次，在分析当前各种远心机构优缺点的基础上，设计了平行四边形远心定位机构模型，并以此为基础确定了手术机器人模型的臂长参数。对手术机器人的从手机械臂进行运动学分析，建立Omega7.0与腹腔外科机器人各机械臂的运动关系，实现Omega7.0对手术机器人各机械臂的运动控制。
　　然后，分析手术对象的生物力学特性，利用质点弹簧法建立手术对象的物理模型，确定手术器械与手术对象之间的碰撞检测算法；根据质点分布规律，提出了一种力平衡计算方法，并以此为基础计算胆囊按压变形过程中的力反馈，实现胆囊按压变形的仿真操作和力觉交互；结合胆囊的物理模型，进行力平衡计算和力反馈计算，设计胆囊夹持变形仿真算法，实现胆囊夹持变形的仿真操作和力觉交互。
　　最后，建立手术对象的网格模型，利用邻近三角面片有序搜索方法提高碰撞检测效率，根据表面三角网格切割算法实现对胆囊网格模型的切割。利用弹簧模型建立缝合线，确定自碰撞检测算法，实现缝合线的打结模拟；分析缝合线在与软组织交互过程中所涉及到的摩擦力和张力，模拟软组织被缝合的过程。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及目的和意义

1.2 腹腔外科机器人手术系统国内外研究现状

1.3 虚拟手术的关键技术综述

1.4 课题来源及本文研究的主要内容

第二章 虚拟手术系统建模及仿真平台搭建

2.1 引言

2.2 几何建模

2.3 手术场景建模及漫游交互

2.4 仿真平台结构

2.5 本章小结

第三章 腹腔手术机器人机械臂设计及运动仿真

3.1 引言

3.2 腹腔外科手术机器人机械臂设计

3.3 腹腔外科手术机器人机械臂运动学分析

3.4 运动仿真算法

3.5 运动仿真效果

3.6 本章小结

第四章 软组织物理建模及变形仿真

4.1 引言

4.2 软组织物理模型建立

4.3 碰撞检测分析

4.4 胆囊按压变形仿真实验

4.5 胆囊夹持变形仿真实验

4.6 本章小结

第五章 切割与缝合仿真实验

5.1 引言

5.2 胆囊切割仿真操作

5.3 线模型的操作仿真

5.4 缝合过程模拟

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读学位论文期间公开发表的论文及科研成果

致谢