離體軟組織力學(xué)參數(shù)測(cè)量及其在虛擬手術(shù)系統(tǒng)中的應(yīng)用.pdf

1、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)步，使得建立虛擬手術(shù)系統(tǒng)從可能變成現(xiàn)實(shí)。醫(yī)生通過力觸覺交互設(shè)備在虛擬環(huán)境下模擬手術(shù)過程，獲得逼真的力觸覺和視覺反饋。在虛擬手術(shù)系統(tǒng)的物理建模過程中，軟組織的力學(xué)性能參數(shù)已成為制約虛擬器官物理模型效果的瓶頸。測(cè)量軟組織器官真實(shí)的力學(xué)性能參數(shù)，對(duì)提升虛擬手術(shù)系統(tǒng)的力觸覺反饋，具有極大的意義。
　　在國(guó)內(nèi)外關(guān)于軟組織力學(xué)參數(shù)測(cè)量研究的基礎(chǔ)上，本課題將要搭建一種新型軟組織力學(xué)參數(shù)測(cè)量平臺(tái)，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量肝臟力學(xué)參數(shù)，并將其應(yīng)

2、用到虛擬手術(shù)系統(tǒng)當(dāng)中，使操作者獲得更貼近真實(shí)的力反饋效果。主要研究?jī)?nèi)容有：
　　搭建虛擬手術(shù)系統(tǒng)軟件環(huán)境。利用OpenGL在虛擬環(huán)境下重繪肝臟和手術(shù)器械的幾何模型，通過建立包圍盒方式，提高碰撞檢測(cè)速度；通過分析軟組織力學(xué)特性，進(jìn)而利用三參量模型描述軟組織的粘彈性；建立質(zhì)點(diǎn)-彈簧模型，進(jìn)而明確虛擬肝臟物理模型所需的核心力學(xué)參數(shù)：肝臟的彈性系數(shù)k、黏性系數(shù)?和外層組織的破壞力閥值Fm。
　　搭建一種全新的軟組織力學(xué)參數(shù)測(cè)量平臺(tái)，

3、提出將Phantom Omni機(jī)器人的功能擴(kuò)展，應(yīng)用到軟組織形變信息的測(cè)量中。采用球面算法，利用 Matlab擬合測(cè)量平臺(tái)的“桿長(zhǎng) L”，使用 D-H法進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，獲得末端點(diǎn)的坐標(biāo)。編寫 M文件，分析末端點(diǎn)工作空間。設(shè)計(jì)裝夾機(jī)構(gòu)和支架機(jī)構(gòu)，用于輔助實(shí)驗(yàn)操作。設(shè)計(jì)算法，計(jì)算力傳感器的末端重量補(bǔ)償和接觸力閥值。結(jié)合編程軟件，測(cè)量肝臟形變量和形變力。
　　設(shè)計(jì)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，采用分段擬合彈性系數(shù)方法，擬合不同形變階段肝臟的彈性系數(shù)k

4、；設(shè)計(jì)應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)，擬合肝臟的黏性系數(shù)?；設(shè)計(jì)穿刺實(shí)驗(yàn)，分析肝臟外層組織被刺破瞬間的形變力峰值，即肝臟外層組織的破壞力閥值Fm。
　　將肝臟的力學(xué)性能參數(shù)應(yīng)用到虛擬手術(shù)系統(tǒng)中。通過Phantom Omni力觸覺設(shè)備，對(duì)虛擬肝臟進(jìn)行壓縮和拉伸操作，獲得虛擬環(huán)境下的力反饋。設(shè)計(jì)真實(shí)肝臟整體的壓縮實(shí)驗(yàn)，測(cè)量真實(shí)整體肝臟在被壓縮狀態(tài)下的形變力位關(guān)系，將此力位關(guān)系與虛擬環(huán)境下的形變力位關(guān)系進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證虛擬手術(shù)系統(tǒng)的正確性，進(jìn)一步說明真實(shí)肝