虛擬軟組織基于物理的力-觸覺模型及再現(xiàn)技術(shù)研究.pdf

1、手術(shù)一旦失敗會(huì)給病人的生命和財(cái)產(chǎn)造成極大的損失。因此，在手術(shù)前對(duì)手術(shù)過程涉及到的人體軟組織進(jìn)行虛擬手術(shù)仿真具有重大的學(xué)術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。其中，準(zhǔn)確快速的力/觸覺模型是虛擬手術(shù)成功的關(guān)鍵。采用基于物理意義的力/觸覺模型及再現(xiàn)技術(shù)，對(duì)軟組織的變形進(jìn)行仿真，正在成為世界范圍內(nèi)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
　　 由于人體軟組織的復(fù)雜性、差異性和多樣性，使現(xiàn)有常用的模型在變形效果上不理想。在虛擬手術(shù)中，引入力/觸覺反饋，可以使操作者在手術(shù)仿真中不僅

2、能夠看到而且還能自然真實(shí)的觸摸、感知和控制虛擬代理與虛擬軟組織的交互，使得手術(shù)仿真更真實(shí)、準(zhǔn)確、可靠。然而基于物理意義的力/觸覺模型及再現(xiàn)技術(shù)研究還處于探索階段，有許多科學(xué)問題亟需解決。
　　 本文采用理論分析、物理模型和計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合的研究方法，建立了4種新穎的基于物理意義的力/觸覺模型，并對(duì)其中的關(guān)鍵性問題進(jìn)行了分析研究，包括基于平行菱形鏈連接模型的肝臟變形及再現(xiàn)技術(shù)、基于層狀菱形鏈連接模型的肺變形及再現(xiàn)技術(shù)研究、基于添加

3、白噪聲的增強(qiáng)力/觸覺模型的心臟和膽囊變形及再現(xiàn)技術(shù)研究、基于橢圓截面彈性柱體模型的血管自由扭轉(zhuǎn)變形及再現(xiàn)技術(shù)研究。取得的創(chuàng)新性研究成果主要有：
　　 （1）針對(duì)軟組織在受力狀態(tài)下，受力面的位置、施加力的大小和方向都在實(shí)時(shí)變化，從而給力/力矩平衡方程的建立帶來困難的問題，提出了平行菱形鏈連接模型。介紹了該模型的原理、結(jié)構(gòu)及變形計(jì)算，搭建了基于6-DOF DELTA手控器試驗(yàn)平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上，討論了該仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、硬件組成、軟

4、件開發(fā)和仿真結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能較好地模擬醫(yī)用鑷子對(duì)肝臟進(jìn)行拉拽、按壓的變形。在交互過程中，操作者可以實(shí)時(shí)、真實(shí)地感知到仿真過程中醫(yī)用鑷子與肝臟之間的力/觸覺信息，為進(jìn)一步建立虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)提供了理論支撐。
　　 （2）針對(duì)人體肺手術(shù)具有毛細(xì)血管網(wǎng)分布密集、結(jié)構(gòu)特殊復(fù)雜、手術(shù)難度高的特點(diǎn)，在平行菱形鏈連接模型的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，提出了層狀菱形鏈連接模型。介紹了該模型的原理、結(jié)構(gòu)及變形計(jì)算，基于PHANTOM OMNI手控

5、器，構(gòu)建了一個(gè)較為逼真的支撐單、雙通道力/觸覺交互的虛擬肺手術(shù)仿真系統(tǒng)，其能較好地模擬單手、雙手對(duì)正常肺組織與肺硬塊在單點(diǎn)、多點(diǎn)交互下的按壓、拉拽等變形仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠使操作者真實(shí)地感受到軟組織的相關(guān)屬性，在交互過程中，力/觸覺感覺平穩(wěn)、模擬效果逼真、能夠滿足虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對(duì)精細(xì)作業(yè)和實(shí)時(shí)性的要求。
　　 （3）根據(jù)人機(jī)工程學(xué)的最新研究成果：人的力/觸覺感知存在著信號(hào)與噪聲之間的協(xié)同行為，即適量噪聲的加入會(huì)提高人的力

6、/觸覺感知能力，從而提出了一種添加白噪聲的增強(qiáng)力/觸覺模型。介紹了該模型建模方法的基本步驟、模型的優(yōu)點(diǎn)、采用數(shù)值算例的方法對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行量化，闡敘了建模過程中，外力、時(shí)延和變形之間的計(jì)算方法。利用該模型實(shí)現(xiàn)了虛擬直鉗對(duì)心臟的拉拽和彎鉗對(duì)膽囊的按壓的交互過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在人手感知微弱信號(hào)時(shí)，加入適量的白噪聲有助于人手對(duì)微弱信號(hào)的感知，同時(shí)驗(yàn)證了人的力/觸覺中存在隨機(jī)共振現(xiàn)象，從而將力/觸覺模型及再現(xiàn)技術(shù)研究提升到一個(gè)新的水平。

7、　　 （4）為解決軟組織在力矩作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形仿真問題，提出了一種橢圓截面彈性柱體的自由扭轉(zhuǎn)變形模型。介紹了該模型建模方法的步驟、模型的優(yōu)點(diǎn)、具體的交互過程以及仿真系統(tǒng)外圍電路的連接。利用該模型實(shí)現(xiàn)了人體血管的自由扭轉(zhuǎn)變形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該模型建模簡單、直觀、控制方便，而且能夠保證觸覺接觸力和變形計(jì)算具有較高精度；在模擬軟組織扭轉(zhuǎn)形變時(shí)具有較好的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。所提橢圓截面彈性柱體的自由扭轉(zhuǎn)變形模型對(duì)軟組織的扭轉(zhuǎn)變形有較強(qiáng)的適用性