面向機器人輔助腹腔鏡虛擬手術的碰撞檢測算法研究.pdf

1、近年來,機器人輔助虛擬手術的不斷發(fā)展使其在醫(yī)療領域的重要性日益凸顯。機器人輔助腹腔鏡虛擬手術對醫(yī)生進行手術方案的設計和手術技能的培訓具有重要價值。在虛擬手術仿真系統(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中碰撞檢測的研究具有重要的理論意義和應用價值

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

3、現對各節(jié)點相交測試函數的調用。分析包圍盒相交的充分必要條件,合理設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。根據主手運動參數和手術器械結構完成了器械運動學的解算,設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建,結合碰撞檢測算法實現軟體變形。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鍵問題進行了詳細分析和闡述。
　　最后,搭建了仿真平臺,設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典算法對比的仿真實驗。實驗結果證明可以獲取詳細的碰撞信息,呈現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用于腹腔鏡虛擬手術系統(tǒng)中肝臟模型和手術器