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

1、內(nèi)窺鏡下的手術(shù)操作很復(fù)雜,難度高,缺乏經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生很難掌握,就算是有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生也會(huì)因長(zhǎng)期沒(méi)有接觸而生疏技能。因此讓醫(yī)生進(jìn)行大量精細(xì)的訓(xùn)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(chǎng)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(shí)首先遇到的但也是最容易克服的困難。縫合是幾乎每一個(gè)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(xì),肉眼難以辨認(rèn)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(shí)際的位置信息往往不匹配,對(duì)于打結(jié)等操作更是難上加難。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)真實(shí)環(huán)境進(jìn)行仿真,用戶可以走進(jìn)這個(gè)環(huán)境,并操縱場(chǎng)景中的對(duì)象進(jìn)行人機(jī)交互。虛擬手術(shù)系統(tǒng)能夠提供極為理想的手術(shù)訓(xùn)練平臺(tái),通過(guò)它受訓(xùn)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(shí)的人體上進(jìn)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(jué)效果的虛擬,對(duì)其他感覺(jué)通道如聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等的表現(xiàn)較為匱乏。本文的主要目標(biāo)是利

3、用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),并緊密結(jié)合外科理論與實(shí)踐知識(shí),對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)主要存在的未解難題展開(kāi)討論,并最終實(shí)現(xiàn)腹腔鏡手術(shù)的基本訓(xùn)練模塊。從功能上看,本文的實(shí)現(xiàn)模塊可歸結(jié)為:縫合模塊和深度訓(xùn)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(diǎn)思想對(duì)縫合線進(jìn)行建模,采用Follow the leader(簡(jiǎn)稱FTL)跟蹤線的運(yùn)動(dòng)軌跡,并按照系統(tǒng)的需求改進(jìn)算法,同時(shí)對(duì)相關(guān)力學(xué)參數(shù)及系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。就縫合線的真實(shí)感、物理合理性

4、等問(wèn)題,給出了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以說(shuō)明。采用白板技術(shù),將縫合模塊集成到虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)平臺(tái)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(kuò)展性和可維護(hù)性。2、對(duì)縫合過(guò)程中使用到的碰撞檢測(cè)及自碰撞檢測(cè)的技術(shù),本文從減少相交測(cè)試次數(shù)和提高檢測(cè)效率兩方面進(jìn)行優(yōu)化,不僅減少了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間,更是大大節(jié)約了檢測(cè)時(shí)間,滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。3、利用軟件工具對(duì)手術(shù)器械建模并集成到系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)無(wú)觸覺(jué)仿真人機(jī)交互操作。針對(duì)內(nèi)窺鏡下深度信息缺失問(wèn)題,設(shè)計(jì)

5、不同的訓(xùn)練任務(wù),受訓(xùn)者通過(guò)練習(xí)精細(xì)物體的夾持、定位等操作加強(qiáng)自身在三維空間中對(duì)深度、方位、物體間相對(duì)距離關(guān)系等的判斷能力。在訓(xùn)練過(guò)程中,若操作失誤,設(shè)置系統(tǒng)提示并切換音效,使受訓(xùn)練能及時(shí)矯正錯(cuò)誤操作。同時(shí)設(shè)計(jì)評(píng)分系統(tǒng),用以衡量一次訓(xùn)練的合格程度。4、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的腹腔定位系統(tǒng)。受訓(xùn)者可通過(guò)系統(tǒng)操縱內(nèi)窺鏡快速定位,使目標(biāo)物體準(zhǔn)確顯示于視野中央,避免了在定位過(guò)程中浪費(fèi)大量時(shí)間卻仍尋不到目標(biāo)物的情況。5、解決聲音通道缺失的問(wèn)題,并實(shí)現(xiàn)聲音的實(shí)時(shí)聽(tīng)