手術機器人輔助的微創(chuàng)手術憑借其創(chuàng)口小、疼痛輕、住院時間短等眾多優(yōu)點,在臨床上取得了廣泛的應用。而培練系統(tǒng)對于微創(chuàng)手術外科醫(yī)生的培養(yǎng)更是不可或缺。由于傳統(tǒng)的培訓過程以動物或者尸體為操作對象引來了訓練成本高昂、倫理方面的問題,而目前盛行的虛擬現(xiàn)實培訓系統(tǒng)盡管解決了上述問題,但給受訓醫(yī)生的沉浸感不足。因此,本文創(chuàng)新性地搭建了基于混合現(xiàn)實的培訓系統(tǒng),以進一步提高培訓系統(tǒng)的沉浸感。為獲取虛擬的手術操作對象,對軟組織的三維重建技術進行了研究。首先,對術前獲取的患者CT圖像先后進行了閾值分割、均衡化、中值濾波的預處理,增強了圖像的對比度并濾除了圖像中的噪聲。其次,對預處理完的圖像分別采用了基于主動輪廓模型的方法和區(qū)域生長法來分割出所需的軟組織結構,并得出了區(qū)域生長法更適用于多輪廓復雜圖像的圖像分割的結論。最后,采用了移動立方體三維重建算法復原了患者的軟組織三維模型。虛實碰撞檢測是實現(xiàn)混合現(xiàn)實虛實交互的關鍵,本文設計了一種虛實碰撞檢測算法以檢測現(xiàn)實的手術器械與虛擬的軟組織是否發(fā)生接觸。該算法分兩步進行,首先,創(chuàng)建一個虛擬的手術器械并將它與現(xiàn)實的手術器械進行空間上的配準,其次,用它替代現(xiàn)實的手術器械并在... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校

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【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

基于訓練箱的培訓系統(tǒng)

哈爾濱工業(yè)大學碩士學位論文-5-圖1-4MIST-VR腹腔鏡手術模擬器目前，基于虛擬現(xiàn)實的培訓系統(tǒng)技術研制最成功、商品應用最為廣泛的公司當屬以色列的Simbionix公司和美國的Micmic技術有限公司[12]。Micmic公司在政府的大力支持下，專門研究了達芬奇手術機器人應用場景下的虛擬手術，并取得了重大突破。在得到美國直覺公司的技術支持下，在2007年，Mimic公司就研制出了虛擬手術培訓系統(tǒng)dV-Trainer，該系統(tǒng)的培訓主要用于達芬奇手術機器人醫(yī)護人員的培訓，因其性能好，仿真效果逼真，在商業(yè)化層面上取得了極大的成功[13,14]。2015年，Simbionix公司同樣發(fā)布了針對達芬奇手術機器人系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實訓練系統(tǒng)LAPMentorIII，如圖1-5所示，該系統(tǒng)能提供三維的視覺效果，實現(xiàn)了觸覺反饋，其培訓過程與真實的手術過程無太多差別。訓練結束之后，該系統(tǒng)能給受訓者生成一份詳細的訓練報告并能給受訓人員及時性的改進建議[15]。a)LAPMentorIIIb)用戶佩戴VR眼鏡使用LAPMentorIII圖1-5APMentorIII手術訓練系統(tǒng)在國內，關于機器人輔助外科手術培訓系統(tǒng)的研究起步較晚，這方面的專家大多來自于高校。2000年，清華大學和北京航空航天大學共同研發(fā)了一套可用于神經外科手術的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，它利用了先進的可視化技術對病人的腦部結構進行了重建，為醫(yī)生提供了諸多方便[16,17]。浙江大學的相關學者對基于虛擬現(xiàn)實的培訓系統(tǒng)進行了全方位的研究，其中包括軟組織力學建模方法、物體碰撞檢測算法以及相關算法的改進等[18]。國防科技大學曾對軟組織力學建模進行過深入的研究并建立了軟組織的彈簧質點模型，并把該模型應用到其自主研發(fā)的心臟介入仿

哈爾濱工業(yè)大學碩士學位論文-8-a)點云模型b)八叉樹生成過程圖1-8基于點云模型的碰撞檢測算法2019年，王教授等人創(chuàng)新性地將經緯度降維思想應用到碰撞檢測當中，其基本思想如圖1-9a)所示，由于碰撞的發(fā)生是在三維物體表面的一系列拓撲三角形中，便能夠將物體由三維空間轉化到經緯度坐標的二維空間中，并設計了一種雙關鍵字的跳表數(shù)據(jù)結構對其進行儲存，且將碰撞檢測算法的時間復雜度降低到了2O(logn)[21]。與基于AABB層次包圍盒算法相比，基于經緯度降維思想的碰撞檢測算法優(yōu)勢明顯，如圖1-9b)所示，不同于前者，該算法的運行時間并不會隨著構成物體三維模型的三角形數(shù)量的增長而增長，而是保持一個穩(wěn)定的運行時間，當三角形的數(shù)量超過某一數(shù)值時，該算法的運行時間效率會一直優(yōu)于層次包圍盒AABB碰撞檢測算法；而該算法的唯一缺陷就是儲存空間比層次包圍盒AABB算法大1.5倍。a)原理圖b)與AABB算法的實驗對比圖1-9經緯度降維法碰撞檢測的原理及實驗效果[21]

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于點云模型的虛擬手術系統(tǒng)建模及碰撞檢測[J]. 胡凌燕,何聲星,熊鵬文,劉小平,任忠杰.  數(shù)據(jù)采集與處理. 2016(05)
[2]虛擬柔性體實時形變仿真模型研究[J]. 方艷紅,吳斌,楊正宜.  計算機工程與設計. 2012(07)
[3]虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學手術中的實現(xiàn)與應用[J]. 吳奇,程薇曦.  重慶醫(yī)學. 2008(21)
[4]改進的采用表面網(wǎng)格的彈簧振子模型[J]. 王彥臻,熊岳山,徐凱,譚珂,郭光友.  計算機輔助設計與圖形學學報. 2007(02)
[5]顯微外科手術機器人——“妙手”系統(tǒng)的研究[J]. 王樹新,丁杰男,贠今天,李群智,韓保平.  機器人. 2006(02)
[6]一種基于物理意義的快速力反饋形變模型及實時力覺響應算法[J]. 吳涓,宋愛國,李建清.  傳感技術學報. 2005(01)
[7]機器人輔助微創(chuàng)外科手術系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及關鍵技術分析[J]. 邵兵,孫立寧,杜志江.  黑龍江大學自然科學學報. 2005(01)
[8]虛擬手術中的軟組織變形仿真研究[J]. 閻麗霞,王健寧,石教英.  系統(tǒng)仿真學報. 2001(03)
[9]支持力反饋的鼻腔鏡虛擬手術仿真系統(tǒng)[J]. 王勇軍,吳鵬,郭光友,譚珂.  系統(tǒng)仿真學報. 2001(03)

博士論文
[1]手術機器人主從直觀操作運動算法及手眼標定奇異性研究[D]. 宋華建.哈爾濱工業(yè)大學 2019
[2]虛擬手術仿真中軟組織實時形變模型的研究[D]. 徐少平.南昌大學 2010

碩士論文
[1]具有力反饋的機器人手術半實物仿真系統(tǒng)研究[D]. 王鑠.哈爾濱工業(yè)大學 2018



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