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虚拟手术力觉信息采集系统研究与实现

作　者: 何小辉
导　师: 蔡萍
学　校: 上海交通大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 虚拟手术 力信息采集 软组织 六维力传感器 滑移结构
分类号: TH777
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 41次
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内容摘要


虚拟手术系统是虚拟现实技术在医学领域的一项重要应用。虚拟手术对手术规划和医生培训具有重要作用。目前的虚拟手术技术和应用大都集中在视觉反馈方面，在力觉交互的实现方面同实际应用还有很大差距，特别是对软组织力学特性研究还不深入，往往存在手感欠佳的问题。本文以模拟内窥镜下内脏手术为切入点，在研究了常用的软组织力学特性测量方法的基础上，试图用实验的方法来获取内脏软组织的力学信息特性，设计了一个软组织力学信息采集系统并基于该系统进行了软组织受力特性研究。首先，文章针对真实手术中手术器械与软组织交互中的受力特点，通过分析现有六维力传感器的不足，设计了一种基于滑移的小量程六维力传感器。文章在通过有限元的方法分析与验证其可行性后，又通过实验标定的方法论证了其维间耦合小等特点。其次，本文设计了一个五自由度运动装置来模拟手术时的典型动作。基于该五自由度运动装置，文中设计了一个完整的软组织力学信息测量系统。该测量系统能较好的模拟手术中各种典型动作，同时它还能够同时测量模拟手术过程中五个自由度的位置信息和力学信息。最后，基于该五自由度测量系统，我们进行了模拟手术典型动作的力学信息测量实验。针对实验结果，文章分析了手术器械在与软组织作用时的受力特点，为虚拟手术力反馈装置驱动元件提供力学参数。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章 绪论  8-20
  1.1 引言  8-9
  1.2 虚拟手术及其人机交互  9-10
  1.3 虚拟手术中的力反馈技术  10-12
  1.4 力学信息采集以及多维力传感器研究现状  12-17
    1.4.1 力学信息采集研究现状  12-13
    1.4.2 多维力传感器及其研究现状  13-17
  1.5 选题意义及课题来源  17-18
  1.6 论文主要内容与结构  18-20
第二章 六维力传感器设计  20-46
  2.1 引言  20
  2.2 设计要求及技术指标  20-21
  2.3 六维力传感器弹性体设计  21-29
    2.3.1 常用的微小力测量弹性体结构  21-23
    2.3.2 十字交叉梁弹性体  23-24
    2.3.3 十字梁六维力传感器的串扰及消除方法  24-27
    2.3.4 弹性梁结构设计  27-28
    2.3.5 受力与应变分析  28-29
  2.4 有限元分析  29-34
    2.4.1 ABAQUS 简介  29-30
    2.4.2 有限元受力分析  30-34
  2.5 电桥电路与信号处理  34-36
    2.5.1 电桥电路  34-35
    2.5.2 传感器信号调理  35-36
  2.6 传感器的标定  36-43
    2.6.1 X 轴标定  38-40
    2.6.2 Y 轴标定  40-42
    2.6.3 Z 轴标定  42-43
  2.7 误差分析  43-44
  2.8 小结  44-46
第三章 力信息采集系统设计  46-60
  3.1 引言  46-47
  3.2 力采集装置  47-51
    3.2.1 机械结构  47-48
    3.2.2 手术典型动作与装置  48-49
    3.2.3 手术刀及其安装  49-50
    3.2.4 位移测量  50-51
  3.3 运动位置测量  51-54
  3.4 数据采集  54-58
    3.4.1 数据采集的同步  54
    3.4.2 数据采集卡  54-55
    3.4.3 数据采集软件  55-56
    3.4.4 测量系统软件编程  56-58
  3.5 小结  58-60
第四章 力采集实验与软组织力学特性研究  60-68
  4.1 引言  60
  4.2 实验过程  60-66
    4.2.1 实验前的准备工作  60
    4.2.2 软组织穿刺实验与分析  60-64
    4.2.3 软组织切割实验与分析  64-65
    4.2.4 软组织缝合进针实验与分析  65-66
  4.3 小结  66-68
第五章 总结与展望  68-70
  5.1 本文总结  68
  5.2 未来工作及展望  68-70
参考文献  70-74
致谢  74-76
攻读硕士期间所发表的学术论文及研究成果  76-78

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 医药卫生器械 > 基础外科手术器械
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