五自由度腹腔镜虚拟手术机械手的设计与实现
本文选题:虚拟手术 切入点:人机交互 出处:《华中科技大学》2015年硕士论文 论文类型:学位论文
【摘要】:随着外科手术水平的发展,传统的临床教学模式已经难以达到教学实践的目的。虚拟手术因为无创伤、可重复和低成本等优点,很快成为了研究热点。腹腔镜虚拟手术是最为常见的一种虚拟手术。该领域目前大部分研究仅限于仿真可视化阶段,由于缺少人机交互接口,导致医生使用时效果跟临床环境差别很大。在开发腹腔镜虚拟手术系统的过程中,为了使实习医生的模拟训练更加贴近现实,选用机械手设备作为人机交互的接口非常有必要。在临床中,腹腔镜手术器械的操作是一种绕固定点作自旋、伸缩、角度开合和四个方向转动的受限制运动。本文根据腹腔镜虚拟手术系统的特点,提出机械手设计原则,经过尺寸计算和空间结构布局,自主设计了一套五自由度的正交构型机械手设备。该设备支持伸缩、旋转、左右转动、上下转动和角度开合五个自由度的操作,各自由度采用正交构型设计,符合医生的操作方式,避免了用于虚拟手术系统时复杂的坐标转换。根据手术过程中选择手术器械及其它快捷键的需求设计了按键面板,并依据实际临床情况加入了脚踏板作为按键面板的补充。机械手通过采集传感器捕获操作者的空间运动信息,传递给虚拟手术系统。虚拟手术系统根据采集到的五个自由度的电压幅值与机械位移量的对应关系,完成了姿态信息从机械手到虚拟器械的转换过程,实现了通过机械手控制虚拟器械的目的,满足了腹腔镜虚拟手术系统对机械手人机交互功能的需求。本机械手实现了人机交互来控制虚拟手术流程的功能,符合人体工程学,能够满足腹腔镜虚拟手术系统中对手术器械实时操作的要求。该设备具有可扩展性、实时性和易操作等优点,可以适用于多种腹腔镜虚拟手术场景。
[Abstract]:With the development of surgical operation, the traditional clinical teaching model has been difficult to achieve the purpose of teaching practice. Virtual surgery has the advantages of non-invasive, repeatable and low-cost, etc. Laparoscopic virtual surgery is one of the most common virtual surgery. At present, most of the research in this field is limited to the stage of simulation visualization, due to the lack of human-computer interface, In the process of developing the laparoscopic virtual surgery system, in order to make the simulated training of the intern more realistic, It is very necessary to select manipulator as the interface of man-machine interaction. In clinic, the operation of laparoscopic surgical instrument is a kind of spin, expansion and expansion around the fixed point. According to the characteristics of the laparoscopic virtual surgery system, the design principle of manipulator is put forward, which is based on dimension calculation and spatial structure layout. A set of orthogonal manipulator with five degrees of freedom is designed independently. The equipment supports the operation of five degrees of freedom, such as expansion, rotation, left and right rotation, up and down rotation and angle opening and closing. Each degree of freedom is designed by orthogonal configuration. According to the doctor's mode of operation and avoiding the complicated coordinate transformation used in the virtual surgery system, the key panel is designed according to the requirements of selecting surgical instruments and other shortcut keys during the operation. According to the actual clinical situation, the pedals are added as a supplement to the keystroke panel. The manipulator captures the spatial motion information of the operator by the sensor. According to the relationship between the voltage amplitude of the five degrees of freedom collected and the mechanical displacement, the virtual surgery system completed the process of attitude information conversion from manipulator to virtual instrument. The purpose of controlling virtual instrument by manipulator is realized, and the need of human-computer interaction of manipulator in laparoscopic virtual surgery system is satisfied. This manipulator realizes the function of human-computer interaction to control virtual operation flow, which is in accordance with ergonomics. It can meet the requirements of real-time operation of surgical instruments in the laparoscopic virtual surgery system, which has the advantages of scalability, real-time and easy to operate, and can be used in many kinds of laparoscopic virtual surgery scenarios.
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:R612;TH789
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 张吉帅;陈辉;吴雯;王平安;;实时多组织虚拟手术的反馈力模拟[J];计算机辅助设计与图形学学报;2010年02期
2 徐凯,熊岳山,谭柯,郭光友;一种小量流血形成的弯曲血槽模型[J];国防科技大学学报;2004年05期
3 张艳;谢叻;杨扬;李国杰;;力反馈虚拟手术器械的设计[J];机械设计与研究;2008年01期
4 王洪瑞;赵冰;陈利敏;王洪斌;;虚拟手术中表面网格切割优化算法的研究[J];燕山大学学报;2013年06期
5 彭磊;张裕飞;王秀娟;;虚拟手术中实时碰撞检测技术研究[J];硅谷;2012年22期
6 刘德建;彭磊;田戎;宋吾力;;虚拟手术中基于边界元模型的碰撞检测研究[J];中国新技术新产品;2013年22期
7 郭琦;郑津津;;支持力反馈的虚拟手术仿真系统[J];机械与电子;2013年10期
8 武博;蔡萍;胡陟;蒋峻;谢叻;;虚拟手术力反馈装置反馈力内模控制[J];计算机工程与应用;2011年24期
9 王沫楠;;基于神经网络的虚拟手术实时仿真[J];哈尔滨理工大学学报;2007年03期
10 王秋锋;肖伟;曾庆军;;虚拟手术仿真系统碰撞检测及其形变的研究[J];科学技术与工程;2009年08期
相关会议论文 前5条
1 高虹;胡亚婷;陈昭阳;孔祥云;李玉飞;杨德智;;虚拟手术及其规划方法可授权客体的探讨[A];2014年中华全国专利代理人协会年会第五届知识产权论坛论文(第三部分)[C];2014年
2 彭丰平;鲍苏苏;;计算机辅助腹部外科虚拟手术系统的应用研究[A];第十届中国科协年会论文集(三)[C];2008年
3 罗伟;李珊珊;魏晓峰;;基于虚拟手术技术的软组织实时形变模型的应用研究[A];第十届全国生物力学学术会议暨第十二届全国生物流变学学术会议论文摘要汇编[C];2012年
4 黄鹏飞;顾力栩;张静思;宋佳思;邹岩岩;;虚拟手术中肾脏与血管案例的形变建模及切割缝合仿真[A];中国图学新进展2007——第一届中国图学大会暨第十届华东六省一市工程图学学术年会论文集[C];2007年
5 王勇军;吴鹏;郭光友;谭珂;;支持力反馈的鼻腔镜虚拟手术仿真系统[A];中国图象图形学会第十届全国图像图形学术会议(CIG’2001)和第一届全国虚拟现实技术研讨会(CVR’2001)论文集[C];2001年
相关重要报纸文章 前3条
1 通讯员 高翔 黄伟;我省完成全国首例“虚拟手术”[N];长江日报;2010年
2 记者 付雪;全省首例虚拟手术计划系统落户我市[N];大庆日报;2010年
3 姚春雨、钱勇;我国推出虚拟手术仿真训练系统[N];解放军报;2002年
相关博士学位论文 前9条
1 邹艳妮;脑外科虚拟手术中软组织形变及撕裂模型研究[D];南昌大学;2016年
2 朱玲;虚拟手术中软组织形变与切割技术研究[D];哈尔滨工程大学;2012年
3 高永辉;虚拟手术系统关键技术研究[D];上海交通大学;2011年
4 谢倩茹;面向虚拟手术的碰撞检测和软组织仿真技术研究[D];西北大学;2013年
5 王征;虚拟手术中的软组织形变仿真算法研究[D];东南大学;2006年
6 董斌;基于CT图像的虚拟手术软组织建模方法研究[D];河北大学;2012年
7 刘永刚;骨折分类三维数字化模型的建立及其在虚拟手术中的应用[D];南方医科大学;2011年
8 徐少平;虚拟手术仿真中软组织实时形变模型的研究[D];南昌大学;2010年
9 李艳波;虚拟手术中软组织建模与碰撞检测方法研究[D];哈尔滨工程大学;2011年
相关硕士学位论文 前10条
1 吕方飞;虚拟手术中软组织物理建模的优化及GPU并行加速[D];河北大学;2015年
2 陈飞;面向穿刺介入手术的软组织力学特性研究与穿刺力建模[D];河北大学;2015年
3 胡序一;虚拟手术中基于质点弹簧建模及其切割技术研究[D];燕山大学;2015年
4 赵国志;虚拟手术中自适应混合建模技术研究[D];燕山大学;2015年
5 黄诗文;虚拟手术仿真系统中基于粒子系统的流血模型研究[D];南昌大学;2015年
6 范程;面向虚拟手术的双目立体显示系统的研究与实现[D];南昌大学;2015年
7 任忠杰;基于点云模型虚拟手术训练系统的碰撞检测及力反馈算法研究[D];南昌大学;2015年
8 朱晨阳;虚拟肝脏手术中软组织切割模拟技术研究[D];国防科学技术大学;2013年
9 张晓芹;虚拟手术仿真系统的设计与实现[D];电子科技大学;2014年
10 神祥龙;心血管介入虚拟手术力反馈装置的研制[D];上海交通大学;2013年
,本文编号:1568960
本文链接:https://www.wllwen.com/kejilunwen/yiqiyibiao/1568960.html