采用仿真手术刀的虚拟外科手术关键技术研究

摘要

虚拟外科手术是虚拟现实技术在医学领域中的重要应用，也是近年来的研究热点之一。借助于虚拟外科手术系统，医务人员可以沉浸于计算机生成的虚拟手术环境内，通过仿真手术器械体验和学习如何进行各种手术，并培养应付各种突发情况的能力。医生可以根据自己的需要重复进行各种必要的操作训练，并可以得到根据专家经验建立的专家手术系统的指导，这大大节约了培训医务人员的费用和培训时间，从而达到迅速提高学习者的手术技能的目的。 虚拟外科手术系统主要由虚拟人体组织(或器官)视景生成系统和仿真手术器械两部分组成，前者主要完成虚拟人体或虚拟器官的实时生成和显示，而后者则使用户可以通过带有力反馈功能的虚拟外科手术器械进行各种手术操作练习，二者缺一不可。 在众多的手术器械当中，手术刀无疑是应用最为广泛的一种，它几乎是在外科手术操作过程中，在组织或器官上造成切口的唯一工具，而如何正确的使用手术刀也成为外科实习医生必备的训练课程。本文结合外科手术培训和医学教育的实际需要，深入研究基于手术刀的虚拟外科手术应用中的各种关键技术，并设计了一个基于手术刀的虚拟外科手术系统，具体包括以下主要内容： (1)回顾并展望了虚拟外科手术的发展概况和应用前景，概括了虚拟外科手术的核心技术，阐述了虚拟外科手术的研究意义和应用价值。 (2)研制出虚拟外科手术系统专用的仿真手术刀及其力反馈装置。仿真手术刀是在实际手术刀的基础上经过改造得来的，这种设计使仿真手术刀更加符合实际操作习惯。其力反馈装置采用旋转步进电机-丝杠传动机构的驱动方式，具有结构简单、控制灵活、无冲击、实时性能好等优点。 (3)实现了反馈力的精确控制。反馈力的大小采用改进的PID算法进行控制，为了提高控制精度，采用遗传算法对系统参数和PID参数进行精确辨识和整定。 (4)开发出该虚拟外科手术系统的配套软件。该配套软件不仅完成了仿真手术刀力反馈机构的控制任务，而且完成了虚拟场景的建立任务。尤其是在所建立的虚拟场景中，采用了新的切割算法和变形算法，来处理切割时虚拟人体组织的表面变形，给操作者较好的视觉临场感。 (5)在实验室中搭建了一个虚拟手术台，完成对该虚拟外科手术系统的整合设计，使该虚拟手术系统更加接近真实的手术训练环境。 本文所提出的仿真手术刀及其力反馈装置设计方案，还可应用于仿真手术剪、仿真手术镊等手术仿真器的设计中。本文的研究内容为今后开发具有实用价值的虚拟外科手术系统打下了良好基础。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用权的说明

第一章绪论

1.1虚拟现实技术简介

1.2虚拟现实技术在医学领域当中的应用

1.2.1临床诊断

1.2.2合成新药

1.2.3远程医疗

1.2.4虚拟手术

1.3虚拟外科手术技术

1.3.1研究意义及应用价值

1.3.2虚拟外科手术系统构成

1.3.3虚拟外科手术关键技术

1.4虚拟外科手术国内外研究现状

1.5论文的内容及安排

第二章虚拟手术刀仿真器设计

2.1仿真手术刀的设计

2.1.1手术力学分析

2.1.2力反馈方案的确定

2.1.3实际手术刀的改造

2.2力反馈机构设计

2.2.1执行元件的选取

2.2.2机构工作原理

2.2.3控制驱动电路

2.3拉力传感器的设计

2.3.1传感器的选择

2.3.2安装使用方法

2.4三维跟踪的实现

2.4.1三维跟踪的作用

2.4.2常用的三维跟踪器

2.4.3三维跟踪器的选取

2.5本章小结

第三章力反馈控制技术

3.1力反馈系统建模

3.2拉力传感器的校准

3.2.1力反馈信号的滤波

3.2.2拉力传感器的实验校准

3.3基于遗传算法的系统参数辨识

3.3.1遗传算法简介

3.3.2系统参数辨识过程

3.3.3系统参数辨识结果

3.4数字PID控制

3.4.1数字PID标准控制算法

3.4.2微分算法的改进

3.4.3响应速度的改进

3.4.4振荡的抑制

3.5 PID控制器的参数整定

3.5.1采样周期的选择原则

3.5.2 PID参数的整定

3.6实验结果

3.7本章小结

第四章系统集成技术

4.1开发环境和工具

4.2软件系统的总体框架

4.3图形界面的设计

4.4力反馈装置的控制

4.4.1 PID控制算法实现

4.4.2系统参数及PID参数的自动整定

4.5人机交互的实现

4.5.1感知系统

4.5.2行为系统

4.6 FASTRAK三维跟踪器的连接

4.6.1位姿标定

4.6.2数据采集

4.7本章小结

第五章虚拟场景建立技术

5.1虚拟物体建模

5.1.1几何建模

5.1.2行为建模

5.2切割算法的设计

5.3基于边界元法的变形处理

5.3.1边界积分方程的建立

5.3.2边界积分方程的求解

5.3.3边界元法在表面变形处理中的应用

5.4本章小结

第六章虚拟手术实验

6.1虚拟手术台设计方案

6.2虚拟手术台的搭建

6.3虚拟切割实验

6.4本章小结

第七章结论与展望

附录A驱动控制板电路原理图

附录B力传感器实验校准数据

附录C系统参数辨识源代码

附录D PID参数整定源代码

参考文献

读博期间发表的论文及研究成果

致谢