虛擬手術(shù)系統(tǒng)中縫合等關(guān)鍵模塊的實現(xiàn).pdf

1、內(nèi)窺鏡下的手術(shù)操作很復雜,難度高,缺乏經(jīng)驗的醫(yī)生很難掌握,就算是有經(jīng)驗的醫(yī)生也會因長期沒有接觸而生疏技能。因此讓醫(yī)生進行大量精細的訓練是非常重要的。大部分微創(chuàng)手術(shù)在內(nèi)窺鏡下看到的圖像都是二維的,缺失三維場景的深度信息,致使不易把握操作的精確位置,這是大多數(shù)醫(yī)生在接觸此類手術(shù)時首先遇到的但也是最容易克服的困難?？p合是幾乎每一個外科手術(shù)醫(yī)生必須要掌握的技能,特別是內(nèi)窺鏡下的縫合,手術(shù)針極為纖細,肉眼難以辨認清楚,極大增加了縫合的難度。而且人

2、腦中的位置信息和實際的位置信息往往不匹配,對于打結(jié)等操作更是難上加難。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是利用計算機技術(shù)對真實環(huán)境進行仿真,用戶可以走進這個環(huán)境,并操縱場景中的對象進行人機交互。虛擬手術(shù)系統(tǒng)能夠提供極為理想的手術(shù)訓練平臺,通過它受訓醫(yī)生可以觀察高分辨率的三維組織,并利用力反饋設(shè)備感受到力的作用與反作用,如同在真實的人體上進行手術(shù)一樣。但就目前而言,此類系統(tǒng)大多關(guān)注于視覺效果的虛擬,對其他感覺通道如聽覺、觸覺等的表現(xiàn)較為匱乏。本文的主要目標是利

3、用虛擬現(xiàn)實技術(shù),并緊密結(jié)合外科理論與實踐知識,對當前系統(tǒng)主要存在的未解難題展開討論,并最終實現(xiàn)腹腔鏡手術(shù)的基本訓練模塊。從功能上看,本文的實現(xiàn)模塊可歸結(jié)為:縫合模塊和深度訓練模塊兩大模塊。具體而言,本論文的主要工作有如下幾方面:1、本文沿用彈簧模型和控制點思想對縫合線進行建模,采用Follow the leader(簡稱FTL)跟蹤線的運動軌跡,并按照系統(tǒng)的需求改進算法,同時對相關(guān)力學參數(shù)及系統(tǒng)參數(shù)進行調(diào)整。就縫合線的真實感、物理合理性

4、等問題,給出了大量的實驗數(shù)據(jù)加以說明。采用白板技術(shù),將縫合模塊集成到虛擬手術(shù)訓練系統(tǒng)平臺中。這種集成技術(shù)減低了模塊間的耦合度,大大提高系統(tǒng)的可擴展性和可維護性。2、對縫合過程中使用到的碰撞檢測及自碰撞檢測的技術(shù),本文從減少相交測試次數(shù)和提高檢測效率兩方面進行優(yōu)化,不僅減少了數(shù)據(jù)存儲空間,更是大大節(jié)約了檢測時間,滿足系統(tǒng)實時性要求。3、利用軟件工具對手術(shù)器械建模并集成到系統(tǒng)中,實現(xiàn)無觸覺仿真人機交互操作。針對內(nèi)窺鏡下深度信息缺失問題,設(shè)計

5、不同的訓練任務,受訓者通過練習精細物體的夾持、定位等操作加強自身在三維空間中對深度、方位、物體間相對距離關(guān)系等的判斷能力。在訓練過程中,若操作失誤,設(shè)置系統(tǒng)提示并切換音效,使受訓練能及時矯正錯誤操作。同時設(shè)計評分系統(tǒng),用以衡量一次訓練的合格程度。4、實現(xiàn)簡易的腹腔定位系統(tǒng)。受訓者可通過系統(tǒng)操縱內(nèi)窺鏡快速定位,使目標物體準確顯示于視野中央,避免了在定位過程中浪費大量時間卻仍尋不到目標物的情況。5、解決聲音通道缺失的問題,并實現(xiàn)聲音的實時聽