機(jī)器人輔助支撐喉鏡手術(shù)虛擬仿真系統(tǒng)研究.pdf

1、虛擬手術(shù)仿真是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。它通過對(duì)手術(shù)器械和人體組織器官進(jìn)行精確建模，逼真地模擬組織變形等各種手術(shù)現(xiàn)象來為操作者提供可反復(fù)使用的虛擬訓(xùn)練和模擬環(huán)境；通過與手術(shù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的集成，虛擬手術(shù)仿真還可以為機(jī)器人系統(tǒng)的主從運(yùn)動(dòng)控制提供精確的定位信息。 支撐喉鏡手術(shù)一般要求主刀醫(yī)生具有較強(qiáng)的雙手協(xié)調(diào)能力；此外，由于手術(shù)操作主要在狹長(zhǎng)管腔中進(jìn)行，雙手工具很容易產(chǎn)生相互干涉，造成操作失誤甚至意外，因此支撐喉鏡手術(shù)還要求醫(yī)

2、生必須經(jīng)過一段時(shí)間的培訓(xùn)。鑒于傳統(tǒng)的培訓(xùn)手段不能很好地滿足手術(shù)訓(xùn)練的需要，本文開展了支撐喉鏡手術(shù)仿真系統(tǒng)研究工作，特別是對(duì)其建模和碰撞檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了深入研究，成功地創(chuàng)建了一套基于GHOST SDK的虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)。 首先，本文探討了虛擬仿真系統(tǒng)的幾何建模問題。對(duì)于虛擬手術(shù)器械，采用了基于三維造型軟件進(jìn)行建模的方法：對(duì)于虛擬手術(shù)對(duì)象，研究了對(duì)其CI’斷層掃描圖像數(shù)據(jù)集進(jìn)行三維重建的方法。在深入分析聲帶等喉組織力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，本

3、文建立了適合虛擬聲帶等喉組織變形仿真的物理模型。在此之后，本文進(jìn)行了聲帶變形的計(jì)算建模，建立了基于Kelvin-Voigt彈簧振子的雙層聲帶模型，并采用標(biāo)準(zhǔn)Runge-Kutta方法對(duì)聲帶質(zhì)點(diǎn)系狀態(tài)方程進(jìn)行了求解，獲得了任意時(shí)刻的聲帶質(zhì)點(diǎn)狀態(tài)。另外，本文還研究了基于層次包圍盒的碰撞檢測(cè)算法，對(duì)各種碰撞檢測(cè)函數(shù)庫的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，使用開放的碰撞檢測(cè)庫ColDet建立了適合本系統(tǒng)要求的碰撞檢測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)了手術(shù)器械間體與體的碰撞檢測(cè)。本文在理

4、論研究的基礎(chǔ)上，以PHANToM Desktop為主手搭建了耳鼻喉手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的主手控制臺(tái)，并增加了定時(shí)采集主手位姿信息的程序模塊，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)路徑的力反饋約束，使操作人員獲得了良好的力覺手感。 本文最后對(duì)所開發(fā)的機(jī)器人輔助支撐喉鏡手術(shù)虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，支撐喉鏡手術(shù)仿真系統(tǒng)成功地實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人系統(tǒng)主手位姿信息的采集、處理流程，為后續(xù)的運(yùn)動(dòng)控制提供了精確的輸入數(shù)據(jù)；其提供的逼真手術(shù)場(chǎng)景圖像以及實(shí)時(shí)的約束力反饋