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机器人辅助支撑喉镜手术虚拟仿真系统研究

作　者: 郝峰
导　师: 赵臣
学　校: 天津大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 手术仿真支撑喉镜建模碰撞检测 GHOST SDK Kelvin-Voigt模型 ColDet函数库
分类号: TH772
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 113次
引　用: 4次
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内容摘要

虚拟手术仿真是虚拟现实技术在现代医学中的应用。它通过对手术器械和人体组织器官进行精确建模,逼真地模拟组织变形等各种手术现象来为操作者提供可反复使用的虚拟训练和模拟环境;通过与手术机器人控制系统的集成,虚拟手术仿真还可以为机器人系统的主从运动控制提供精确的定位信息。支撑喉镜手术一般要求主刀医生具有较强的双手协调能力;此外,由于手术操作主要在狭长管腔中进行,双手工具很容易产生相互干涉,造成操作失误甚至意外,因此支撑喉镜手术还要求医生必须经过一段时间的培训。鉴于传统的培训手段不能很好地满足手术训练的需要,本文开展了支撑喉镜手术仿真系统研究工作,特别是对其建模和碰撞检测技术进行了深入研究,成功地创建了一套基于GHOST SDK的虚拟手术仿真系统。首先,本文探讨了虚拟仿真系统的几何建模问题。对于虚拟手术器械,采用了基于三维造型软件进行建模的方法;对于虚拟手术对象,研究了对其CT断层扫描图像数据集进行三维重建的方法。在深入分析声带等喉组织力学特性的基础上,本文建立了适合虚拟声带等喉组织变形仿真的物理模型。在此之后,本文进行了声带变形的计算建模,建立了基于Kelvin-Voigt弹簧振子的双层声带模型,并采用标准Runge-Kutta方法对声带质点系状态方程进行了求解,获得了任意时刻的声带质点状态。另外,本文还研究了基于层次包围盒的碰撞检测算法,对各种碰撞检测函数库的特点进行了分析,使用开放的碰撞检测库ColDet建立了适合本系统要求的碰撞检测模块,实现了手术器械间体与体的碰撞检测。本文在理论研究的基础上,以PHANToM Desktop为主手搭建了耳鼻喉手术机器人系统的主手控制台,并增加了定时采集主手位姿信息的程序模块,实现了运动路径的力反馈约束,使操作人员获得了良好的力觉手感。本文最后对所开发的机器人辅助支撑喉镜手术虚拟仿真系统进行了实验研究。实验结果表明,支撑喉镜手术仿真系统成功地实现了机器人系统主手位姿信息的采集、处理流程,为后续的运动控制提供了精确的输入数据;其提供的逼真手术场景图像以及实时的约束力反馈也大大增强了主治大夫操作的安全性和稳定性。

全文目录

摘要  2-3
ABSTRACT  3-8
第一章绪论  8-23
  1.1 引言  8
  1.2 虚拟现实技术简介  8-10
  1.3 虚拟现实技术在医学领域的应用  10-14
    1.3.1 虚拟人  10-11
    1.3.2 辅助诊断  11-12
    1.3.3 虚拟手术模拟  12-13
    1.3.4 远程医疗  13-14
  1.4 虚拟手术仿真系统的发展框架  14
  1.5 虚拟手术仿真系统的研究状况  14-17
    1.5.1 国外研究状况  14-17
    1.5.2 国内研究状况  17
  1.6 虚拟手术仿真的关键技术  17-19
  1.7 支撑喉镜下喉部手术简介  19
  1.8 喉部手术仿真系统的研究及其意义  19-20
  1.9 本文的研究内容及章节安排  20-23
第二章系统软硬件组成  23-30
  2.1 虚拟手术仿真系统软硬件组成概述  23-24
  2.2 本系统组成  24-30
    2.2.1 硬件组成  24-25
    2.2.2 软件组成  25-30
      2.2.2.1 GHOST SDK概述  25
      2.2.2.2 GHOST SDK的主要特点  25-26
      2.2.2.3 GHOST SDK类图  26
      2.2.2.4 GHOST SDK程序结构  26-27
      2.2.2.5 HapticView框架  27-29
      2.2.2.6 使用GHOST SDK建立的仿真程序窗口  29-30
第三章研究对象的建模  30-52
  3.1 几何建模  30-43
    3.1.1 手术器械的几何建模  30-31
      3.1.1.1 模型建立  30-31
      3.1.1.2 模型格式转换  31
    3.1.2 手术对象的几何建模  31-43
      3.1.2.1 三维重建概述  32
      3.1.2.2 体数据的建立  32-36
      3.1.2.3 医学图像三维重建技术特点  36-37
      3.1.2.4 三维重建技术分类  37-43
      3.1.2.5 人体喉部组织的三维重构  43
  3.2 物理建模  43-46
    3.2.1 粘弹性模型  44-45
      3.2.1.1 物质的粘弹性及其力学行为  44
      3.2.1.2 粘弹性模型表述  44-45
    3.2.2 两种基本的粘弹性模型  45-46
      3.2.2.1 Maxwell模型  45
      3.2.2.2 Kelvin模型  45-46
  3.3 计算建模  46-50
    3.3.1 计算模型  47-48
    3.3.2 计算方法  48-50
  3.4 仿真结果  50-52
第四章碰撞检测  52-60
  4.1 概述  52
  4.2 虚拟手术中碰撞检测的特点  52-53
  4.3 碰撞检测算法  53-56
    4.3.1 碰撞检测算法分类  53-54
    4.3.2 层次包围盒碰撞检测算法  54-56
      4.3.2.1 包围盒层次结构  54-55
      4.3.2.2 基于包围球的碰撞检测  55
      4.3.2.3 基于AABB包围盒的碰撞检测  55
      4.3.2.4 基于OBB包围盒的碰撞检测  55-56
      4.3.2.5 基于K-DOPs的碰撞检测  56
      4.3.2.6 几种包围盒碰撞检测方法的比较  56
  4.4 碰撞检测的具体实现  56-58
    4.4.1 点与体的碰撞检测  57
    4.4.2 体与体的碰撞检测  57-58
  4.5 碰撞响应  58
  4.6 仿真结果  58-60
第五章实验研究  60-69
  5.1 实验系统组成  60-62
    5.1.1 系统概述  60-61
    5.1.2 妙手Ⅱ从手介绍  61-62
  5.2 声带肿物切除过程简介  62-63
  5.3 主手位姿信息采集  63-66
    5.3.1 虚拟手术空间坐标系  63
    5.3.2 位姿矩阵的获取  63-65
    5.3.3 虚拟空间中PHANToM的位置与姿态  65-66
    5.3.4 数据采集与记录  66
  5.4 实验流程  66-67
  5.5 实验结果  67-69
第六章全文总结  69-71
参考文献  71-76
发表论文和参加科研情况说明  76-77
致谢  77

机器人辅助支撑喉镜手术虚拟仿真系统研究

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