面向機器人輔助腹腔鏡虛擬手術(shù)的碰撞檢測算法研究.pdf

1、近年來,機器人輔助虛擬手術(shù)的不斷發(fā)展使其在醫(yī)療領(lǐng)域的重要性日益凸顯。機器人輔助腹腔鏡虛擬手術(shù)對醫(yī)生進行手術(shù)方案的設(shè)計和手術(shù)技能的培訓(xùn)具有重要價值。在虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)中,碰撞檢測是進行反饋力和軟體變形計算的前提,對于提高用戶的沉浸感和系統(tǒng)的逼真度具有重要意義。然而碰撞檢測算法主要集中于剛體之間的測試,包含軟組織的碰撞檢測研究較少,是虛擬手術(shù)系統(tǒng)中的瓶頸問題之一,因此開展對機器人輔助腹腔鏡虛擬手術(shù)中碰撞檢測的研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價值

2、。
　　虛擬手術(shù)場景具有手術(shù)器械末端運動復(fù)雜多變和軟體組織產(chǎn)生形變兩個特點,通過分析經(jīng)典層次包圍盒模型的優(yōu)劣,將機器人輔助虛擬手術(shù)場景的兩個特點和固定方向凸包檢測方法相結(jié)合,提出了基于可變方向凸包的碰撞檢測算法。根據(jù)空間幾何特征,設(shè)計單個可變方向凸包包圍盒的建立方法。從樹的度、構(gòu)造方式和分裂原則三個方面分別對包圍盒樹的構(gòu)造進行分析,完成了可變方向凸包碰撞檢測器的構(gòu)建。
　　設(shè)計虛擬手術(shù)場景中碰撞檢測的全局策略,通過遞歸方式實

3、現(xiàn)對各節(jié)點相交測試函數(shù)的調(diào)用。分析包圍盒相交的充分必要條件,合理設(shè)計了兩個可變方向凸包包圍盒的相交測試方法,并對測試次序進行闡述。對相交葉節(jié)點包含的基元進行相交測試,最終獲得是否相交的結(jié)果。
　　與相交測試相比,更新包圍盒樹消耗的時間在碰撞檢測中占有很大的比重,是重點研究問題。根據(jù)主手運動參數(shù)和手術(shù)器械結(jié)構(gòu)完成了器械運動學(xué)的解算,設(shè)計了對象運動后包圍盒樹的更新方法。完成了軟組織物理模型的構(gòu)建,結(jié)合碰撞檢測算法實現(xiàn)軟體變形。著重研究

4、了軟體發(fā)生變形后包圍盒樹的更新,對可變方向凸包算法中的關(guān)鍵問題進行了詳細分析和闡述。
　　最后,搭建了仿真平臺,設(shè)計碰撞檢測信息可視化、軟組織變形交互和可變方向凸包算法與經(jīng)典算法對比的仿真實驗。實驗結(jié)果證明可以獲取詳細的碰撞信息,呈現(xiàn)逼真的軟組織變形效果,且提出算法在包圍盒樹的緊密性和碰撞檢測的快速性方向取得了很好的改進效果。
　　本文提出了可變方向凸包碰撞檢測算法,將碰撞檢測的理論應(yīng)用于腹腔鏡虛擬手術(shù)系統(tǒng)中肝臟模型和手術(shù)器