基于混合现实的微创手术机器人培训系统的研究
发布时间：2020-12-25 05:07
手术机器人辅助的微创手术凭借其创口小、疼痛轻、住院时间短等众多优点,在临床上取得了广泛的应用。而培练系统对于微创手术外科医生的培养更是不可或缺。由于传统的培训过程以动物或者尸体为操作对象引来了训练成本高昂、伦理方面的问题,而目前盛行的虚拟现实培训系统尽管解决了上述问题,但给受训医生的沉浸感不足。因此,本文创新性地搭建了基于混合现实的培训系统,以进一步提高培训系统的沉浸感。为获取虚拟的手术操作对象,对软组织的三维重建技术进行了研究。首先,对术前获取的患者CT图像先后进行了阈值分割、均衡化、中值滤波的预处理,增强了图像的对比度并滤除了图像中的噪声。其次,对预处理完的图像分别采用了基于主动轮廓模型的方法和区域生长法来分割出所需的软组织结构,并得出了区域生长法更适用于多轮廓复杂图像的图像分割的结论。最后,采用了移动立方体三维重建算法复原了患者的软组织三维模型。虚实碰撞检测是实现混合现实虚实交互的关键,本文设计了一种虚实碰撞检测算法以检测现实的手术器械与虚拟的软组织是否发生接触。该算法分两步进行,首先,创建一个虚拟的手术器械并将它与现实的手术器械进行空间上的配准,其次,用它替代现实的手术器械并在...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于训练箱的培训系统
哈尔滨工业大学硕士学位论文-5-图1-4MIST-VR腹腔镜手术模拟器目前，基于虚拟现实的培训系统技术研制最成功、商品应用最为广泛的公司当属以色列的Simbionix公司和美国的Micmic技术有限公司[12]。Micmic公司在政府的大力支持下，专门研究了达芬奇手术机器人应用场景下的虚拟手术，并取得了重大突破。在得到美国直觉公司的技术支持下，在2007年，Mimic公司就研制出了虚拟手术培训系统dV-Trainer，该系统的培训主要用于达芬奇手术机器人医护人员的培训，因其性能好，仿真效果逼真，在商业化层面上取得了极大的成功[13,14]。2015年，Simbionix公司同样发布了针对达芬奇手术机器人系统的虚拟现实训练系统LAPMentorIII，如图1-5所示，该系统能提供三维的视觉效果，实现了触觉反馈，其培训过程与真实的手术过程无太多差别。训练结束之后，该系统能给受训者生成一份详细的训练报告并能给受训人员及时性的改进建议[15]。a)LAPMentorIIIb)用户佩戴VR眼镜使用LAPMentorIII图1-5APMentorIII手术训练系统在国内，关于机器人辅助外科手术培训系统的研究起步较晚，这方面的专家大多来自于高校。2000年，清华大学和北京航空航天大学共同研发了一套可用于神经外科手术的虚拟现实系统，它利用了先进的可视化技术对病人的脑部结构进行了重建，为医生提供了诸多方便[16,17]。浙江大学的相关学者对基于虚拟现实的培训系统进行了全方位的研究，其中包括软组织力学建模方法、物体碰撞检测算法以及相关算法的改进等[18]。国防科技大学曾对软组织力学建模进行过深入的研究并建立了软组织的弹簧质点模型，并把该模型应用到其自主研发的心脏介入仿
哈尔滨工业大学硕士学位论文-8-a)点云模型b)八叉树生成过程图1-8基于点云模型的碰撞检测算法2019年，王教授等人创新性地将经纬度降维思想应用到碰撞检测当中，其基本思想如图1-9a)所示，由于碰撞的发生是在三维物体表面的一系列拓扑三角形中，便能够将物体由三维空间转化到经纬度坐标的二维空间中，并设计了一种双关键字的跳表数据结构对其进行储存，且将碰撞检测算法的时间复杂度降低到了2O(logn)[21]。与基于AABB层次包围盒算法相比，基于经纬度降维思想的碰撞检测算法优势明显，如图1-9b)所示，不同于前者，该算法的运行时间并不会随着构成物体三维模型的三角形数量的增长而增长，而是保持一个稳定的运行时间，当三角形的数量超过某一数值时，该算法的运行时间效率会一直优于层次包围盒AABB碰撞检测算法；而该算法的唯一缺陷就是储存空间比层次包围盒AABB算法大1.5倍。a)原理图b)与AABB算法的实验对比图1-9经纬度降维法碰撞检测的原理及实验效果[21]
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于点云模型的虚拟手术系统建模及碰撞检测[J]. 胡凌燕,何声星,熊鹏文,刘小平,任忠杰. 数据采集与处理. 2016(05)
[2]虚拟柔性体实时形变仿真模型研究[J]. 方艳红,吴斌,杨正宜. 计算机工程与设计. 2012(07)
[3]虚拟现实技术在医学手术中的实现与应用[J]. 吴奇,程薇曦. 重庆医学. 2008(21)
[4]改进的采用表面网格的弹簧振子模型[J]. 王彦臻,熊岳山,徐凯,谭珂,郭光友. 计算机辅助设计与图形学学报. 2007(02)
[5]显微外科手术机器人——“妙手”系统的研究[J]. 王树新,丁杰男,贠今天,李群智,韩保平. 机器人. 2006(02)
[6]一种基于物理意义的快速力反馈形变模型及实时力觉响应算法[J]. 吴涓,宋爱国,李建清. 传感技术学报. 2005(01)
[7]机器人辅助微创外科手术系统的研究现状及关键技术分析[J]. 邵兵,孙立宁,杜志江. 黑龙江大学自然科学学报. 2005(01)
[8]虚拟手术中的软组织变形仿真研究[J]. 阎丽霞,王健宁,石教英. 系统仿真学报. 2001(03)
[9]支持力反馈的鼻腔镜虚拟手术仿真系统[J]. 王勇军,吴鹏,郭光友,谭珂. 系统仿真学报. 2001(03)
博士论文
[1]手术机器人主从直观操作运动算法及手眼标定奇异性研究[D]. 宋华建.哈尔滨工业大学 2019
[2]虚拟手术仿真中软组织实时形变模型的研究[D]. 徐少平.南昌大学 2010
硕士论文
[1]具有力反馈的机器人手术半实物仿真系统研究[D]. 王铄.哈尔滨工业大学 2018
本文编号：2937016
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于训练箱的培训系统
哈尔滨工业大学硕士学位论文-5-图1-4MIST-VR腹腔镜手术模拟器目前，基于虚拟现实的培训系统技术研制最成功、商品应用最为广泛的公司当属以色列的Simbionix公司和美国的Micmic技术有限公司[12]。Micmic公司在政府的大力支持下，专门研究了达芬奇手术机器人应用场景下的虚拟手术，并取得了重大突破。在得到美国直觉公司的技术支持下，在2007年，Mimic公司就研制出了虚拟手术培训系统dV-Trainer，该系统的培训主要用于达芬奇手术机器人医护人员的培训，因其性能好，仿真效果逼真，在商业化层面上取得了极大的成功[13,14]。2015年，Simbionix公司同样发布了针对达芬奇手术机器人系统的虚拟现实训练系统LAPMentorIII，如图1-5所示，该系统能提供三维的视觉效果，实现了触觉反馈，其培训过程与真实的手术过程无太多差别。训练结束之后，该系统能给受训者生成一份详细的训练报告并能给受训人员及时性的改进建议[15]。a)LAPMentorIIIb)用户佩戴VR眼镜使用LAPMentorIII图1-5APMentorIII手术训练系统在国内，关于机器人辅助外科手术培训系统的研究起步较晚，这方面的专家大多来自于高校。2000年，清华大学和北京航空航天大学共同研发了一套可用于神经外科手术的虚拟现实系统，它利用了先进的可视化技术对病人的脑部结构进行了重建，为医生提供了诸多方便[16,17]。浙江大学的相关学者对基于虚拟现实的培训系统进行了全方位的研究，其中包括软组织力学建模方法、物体碰撞检测算法以及相关算法的改进等[18]。国防科技大学曾对软组织力学建模进行过深入的研究并建立了软组织的弹簧质点模型，并把该模型应用到其自主研发的心脏介入仿
哈尔滨工业大学硕士学位论文-8-a)点云模型b)八叉树生成过程图1-8基于点云模型的碰撞检测算法2019年，王教授等人创新性地将经纬度降维思想应用到碰撞检测当中，其基本思想如图1-9a)所示，由于碰撞的发生是在三维物体表面的一系列拓扑三角形中，便能够将物体由三维空间转化到经纬度坐标的二维空间中，并设计了一种双关键字的跳表数据结构对其进行储存，且将碰撞检测算法的时间复杂度降低到了2O(logn)[21]。与基于AABB层次包围盒算法相比，基于经纬度降维思想的碰撞检测算法优势明显，如图1-9b)所示，不同于前者，该算法的运行时间并不会随着构成物体三维模型的三角形数量的增长而增长，而是保持一个稳定的运行时间，当三角形的数量超过某一数值时，该算法的运行时间效率会一直优于层次包围盒AABB碰撞检测算法；而该算法的唯一缺陷就是储存空间比层次包围盒AABB算法大1.5倍。a)原理图b)与AABB算法的实验对比图1-9经纬度降维法碰撞检测的原理及实验效果[21]
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于点云模型的虚拟手术系统建模及碰撞检测[J]. 胡凌燕,何声星,熊鹏文,刘小平,任忠杰. 数据采集与处理. 2016(05)
[2]虚拟柔性体实时形变仿真模型研究[J]. 方艳红,吴斌,杨正宜. 计算机工程与设计. 2012(07)
[3]虚拟现实技术在医学手术中的实现与应用[J]. 吴奇,程薇曦. 重庆医学. 2008(21)
[4]改进的采用表面网格的弹簧振子模型[J]. 王彦臻,熊岳山,徐凯,谭珂,郭光友. 计算机辅助设计与图形学学报. 2007(02)
[5]显微外科手术机器人——“妙手”系统的研究[J]. 王树新,丁杰男,贠今天,李群智,韩保平. 机器人. 2006(02)
[6]一种基于物理意义的快速力反馈形变模型及实时力觉响应算法[J]. 吴涓,宋爱国,李建清. 传感技术学报. 2005(01)
[7]机器人辅助微创外科手术系统的研究现状及关键技术分析[J]. 邵兵,孙立宁,杜志江. 黑龙江大学自然科学学报. 2005(01)
[8]虚拟手术中的软组织变形仿真研究[J]. 阎丽霞,王健宁,石教英. 系统仿真学报. 2001(03)
[9]支持力反馈的鼻腔镜虚拟手术仿真系统[J]. 王勇军,吴鹏,郭光友,谭珂. 系统仿真学报. 2001(03)
博士论文
[1]手术机器人主从直观操作运动算法及手眼标定奇异性研究[D]. 宋华建.哈尔滨工业大学 2019
[2]虚拟手术仿真中软组织实时形变模型的研究[D]. 徐少平.南昌大学 2010
硕士论文
[1]具有力反馈的机器人手术半实物仿真系统研究[D]. 王铄.哈尔滨工业大学 2018
本文编号：2937016
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