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《虛擬手術(shù)系統(tǒng)中的接觸交互技術(shù)研究》由會員上傳分享,免費在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、中國科學(xué)院自動化研究所1尊士學(xué)位論文摘要虛擬手術(shù)系統(tǒng)的開發(fā)和利用不但可以節(jié)約培訓(xùn)醫(yī)務(wù)人員的成本和時間,而且也可以降低非熟練人員進(jìn)行實習(xí)手術(shù)時的風(fēng)險,對提高我國的醫(yī)學(xué)教育水平和整體醫(yī)療水平具有重要意義。在虛擬手術(shù)系統(tǒng)中,人機接觸交互技術(shù)起著非常重要的作用。虛擬手術(shù)器械是虛擬手術(shù)系統(tǒng)的人機接觸交互接口,是其重要組成部分,也是當(dāng)前制約虛擬外科手術(shù)發(fā)展和普及的瓶頸問題之一。本文深入研究了虛擬外科手術(shù)中的人機接觸交互技術(shù),并對虛擬手術(shù)器械的工作原理和實現(xiàn)方法,以及生物軟組織的物理模型建模方法進(jìn)行了探討和研究。本論文的主
2、要創(chuàng)新工作總結(jié)如下:為了建立一種基于真實切割中刀刃上切割力信息的生物組織物理模型,本文研制開發(fā)了一種能夠?qū)崟r采集切割過程中手術(shù)刀刃上的真實受力,以及手術(shù)刀的位置、姿態(tài)和速度信息的手術(shù)刀信息采集設(shè)備。該設(shè)備是在真實手術(shù)刀上安裝各種傳感器而獲得的,具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能好、方便使用等特點。用電子天平校正了手術(shù)刀力采集設(shè)備,試驗結(jié)果證明該設(shè)備能夠準(zhǔn)確采集到切割時刀刃上的真實受力、高精度的位置和姿態(tài)信息。本文提出了一種基于切割過程中刀刃上的真實受力和軟組織變形的生物組織物理模型建模方法。本文分析了生物體組織切割中滯后、松
3、弛、蠕變,各向異性等特性。從能量守恒和狀態(tài)轉(zhuǎn)換角度,對真實切割力變化曲線進(jìn)行了詳細(xì)分析。研究了確定生物體材料斷裂強度,和粘彈性變形時的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系的方法?;谡鎸嵡懈畈杉降那懈盍妥冃螖?shù)據(jù)構(gòu)建了肝臟和皮膚組織的物理模型。本文研制開發(fā)出了基于真實手術(shù)器械形狀的新型虛擬手術(shù)刀和虛擬手術(shù)剪。這兩種虛擬手術(shù)器械具有力反饋和精確定位功能。在虛擬手術(shù)中,當(dāng)檢測到虛擬手術(shù)器械接觸到虛擬人體或虛擬器官時,力反饋裝置就會對用戶手部施加一個大小可控的作用力,使用戶有真實的觸碰感覺。力反饋是基于比例電磁鐵執(zhí)行元件,鋼絲繩一彈簧
4、管傳動方式的裝置。在運行過程中,系統(tǒng)對反饋力進(jìn)行閉環(huán)控制,刷新頻率可以達(dá)到l000Hz。這兩種虛擬手術(shù)器械在虛擬手術(shù)操作方式上和真實手術(shù)的感覺一樣,符合實用要求,具有良好的效果。本文還對磁跟蹤技術(shù)進(jìn)行了研究,并在此基礎(chǔ)上,研制開發(fā)出一種基于磁傳感器和加速度計,結(jié)構(gòu)簡單、低成本、高精度的姿態(tài)跟蹤系統(tǒng)。該姿態(tài)跟蹤裝置可以應(yīng)用在虛擬手術(shù)系統(tǒng)中,為系統(tǒng)提供可靠的高精度三自由度姿態(tài)信息。關(guān)鍵詞:虛擬手術(shù)系統(tǒng),接觸交互技術(shù),物理模型,虛擬手術(shù)器械,力反饋AbstractTheresearchandapplicationo
5、fVirtualSurgerySystemfVSSlcannotonlycutdowntheexpenseandthetimeoftrainingaqualifiedsurgeon,butalsoreduoethechanceofsurgeryventure.SoVSShassignificantmeaningforthejmprovementofmedicaIeducationandmedicaItreatment.TheMan—machineHapticInteractionTechnologyplays
6、akeyroleinVSS.Virtualsurgeryjnstrument}sanimpodantcomponenlofVSS.a(chǎn)ndnowjsonefactorthatrestrictsthefurtherdevelopmentofVSS.Thepaperresearcheddeeplytheman-machinehapticinteractiontechnologyofVSS.Theworkingprincipleandrealizationmethodofvirtualsurgeryinstrumen
7、ts.a(chǎn)swellasphysicaImodeJofbiologysoft-tissuearediscussedandresearchedTheDovelworkandcontributionofthisthesiscanbesummarizedasfoIIows:Forbuildingthereality—basedhapticmodelofthevirtualsurgery,anewkindofscalpeIlnfcIrmationacquisitiondevicehasbeendeveloped.whi
8、chcanatthesametimegiveoutthescalpelcuttingforcedata,thepositionandposelnformationofthescalpel.a(chǎn)swelIasexercisespeedinformation.Thedeviceisimplementedbyinstallingsensorsonatruescalpel.1townsthecharacter