機(jī)器人輔助骨科虛擬手術(shù)系統(tǒng)研究.pdf

1、近幾年來，骨科手術(shù)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)成為國際研究熱點(diǎn)之一，然而，由于其操作對象是復(fù)雜的人體，對醫(yī)生與手術(shù)機(jī)器人的交互技術(shù)提出了更高的要求，這是目前制約骨科手術(shù)機(jī)器人研究和發(fā)展的瓶頸問題。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)和虛擬增強(qiáng)技術(shù)的提高，機(jī)器人輔助骨科虛擬手術(shù)技術(shù)成為解決這一難題的有效途徑之一。
　　論文結(jié)合國家863計劃項目和國家自然科學(xué)基金項目，針對機(jī)器人輔助骨科手術(shù)中的人機(jī)交互問題，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、遙操作技術(shù)和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)圖像理論，對機(jī)器人輔助骨科

2、虛擬手術(shù)仿真中的虛擬環(huán)境圖形建模、人體腿部三維形態(tài)學(xué)建模、人體腿部生物力學(xué)模型和軟組織變形等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，建立了機(jī)器人輔助骨科虛擬手術(shù)系統(tǒng)。
　　在虛擬環(huán)境圖形建模方面，首先研究了幾何模型的表示方法，并針對課題實(shí)際情況和應(yīng)用需求，研究了建模方案，選擇了基于 Pro/E建模和Java3D編程的機(jī)器人交互式圖形仿真方法，建立了機(jī)器人三維幾何模型和交互式虛擬場景。對導(dǎo)航機(jī)器人、C型臂及復(fù)位機(jī)器人分別進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)建模研究。進(jìn)行了碰撞檢

3、測分析研究，采用詞法分析器原理，提取模型表面的近似多面體信息，用球模型表達(dá)實(shí)體，并對各種碰撞檢測算法進(jìn)行分析，結(jié)合八叉樹算法和模型的球表達(dá)法，建立了虛擬環(huán)境下的圖形碰撞檢測模塊。
　　在人體腿部的三維形態(tài)學(xué)建模方面，詳細(xì)討論了基于醫(yī)學(xué)CT圖像的人體腿部生物組織三維幾何重建問題。對CT圖像進(jìn)行了預(yù)處理研究，應(yīng)用改進(jìn)的MC重建算法、漸進(jìn)網(wǎng)格簡化算法，完成了獲取醫(yī)學(xué)體數(shù)據(jù)、抽取等值面、簡化網(wǎng)格等幾個方面的工作，實(shí)現(xiàn)了基于CT圖像的人體股

4、骨、脛骨、腿部肌肉、皮膚等組織的集合建模和共組。
　　在人體腿部的生物力學(xué)建模方面，在給出線性彈性模型、非線性彈性模型描述生物組織變形特性理論模型的基礎(chǔ)上，提出了建立多結(jié)構(gòu)、多層次、多種材料并存的物理建模方法，完成了人體腿部各生物組織的有限元模型的建模?；诠趋馈⒓∪?、皮膚等組織的生物力學(xué)特性，在對外力做功、重力做功、生物組織邊界條件分析的基礎(chǔ)上，建立了生物組織運(yùn)動的靜態(tài)平衡方程和動態(tài)平衡方程，為生物組織變形的計算提供了理論方法。

5、針對肌肉解剖形體復(fù)雜，難以精確建模的問題，提出了一種基于形態(tài)解剖學(xué)的新型肌肉建模方法，既考慮了肌腱的生物力學(xué)特性，又體現(xiàn)了肌纖維的微觀解剖結(jié)構(gòu)。對建立的人體腿部有限元模型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，將計算后的有限元仿真數(shù)據(jù)與通過人體標(biāo)本實(shí)驗(yàn)獲得的力位數(shù)據(jù)相比較，二者的吻合性證明了建立的人體腿部有限元模型的可信性。
　　最后，以腿部生物力學(xué)建模仿真的實(shí)現(xiàn)為應(yīng)用實(shí)例，闡述了虛擬手術(shù)開發(fā)環(huán)境、控制界面及手術(shù)系統(tǒng)幾種操作模式，并對虛擬系統(tǒng)根據(jù)功能進(jìn)行