虚拟膝关节镜手术力反馈交互装置设计与研究

发布时间：2017-10-11 16:38

  本文关键词：虚拟膝关节镜手术力反馈交互装置设计与研究

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【摘要】：由于内窥镜微创手术的先进性,使得越来越多的病患者选择该类手术作为医疗手段。随着患者需求的日益上升,对掌握手术技能的医护人员的需求也在增加。基于膝关节镜手术的特点,教育与培训专门的关节镜手术人员往往需要很高的投入,存在很大的困难。 虚拟外科手术可以解决医疗培训上的难题。在虚拟医疗培训中,力觉交互技术有着重要的意义。通过力反馈技术,医生与虚拟手术场景进行交互时,可以感觉到力觉信息,使培训的真实性得到提高,更加准确、可靠。 本课题是基于虚拟现实技术的应用研究,针对膝关节镜手术,设计出一款用于手术仿真操作的力反馈交互装置。主要从以下方面进行了分析和研究： (1)交互装置机构设计。通过对实际膝关节镜手术操作过程的分析研究,提出了力反馈交互装置设计上的指标和原则。设计出出力反馈交互装置机械装置,并根据需求改良其各项参数,选取合适的器件,加工制造出交互装置硬件实物。 (2)交互装置性能分析。围绕交互装置的机械结构,以机器人运动学理论对其进行了正解分析,建立交互装置的数学模型,并根据模型进行反馈力分解运算。围绕力反馈交互装置的反馈力生成原理,研究了实现力反馈过程中的电机转矩输出原理以及堵转引起的电机升温问题,提出了相关使用安全措施。 (3)控制策略研究。对常用控制策略做出研究,选用了PI控制策略作为交互设备的电机控制策略,并进行了电机驱动软件开发。 (4)将交互装置与虚拟手术软件系统结合,搭建出虚拟手术平台。 本文完成了基于虚拟膝关节镜手术的力反馈交互装置的开发与研究,本文创新点在于开发出一种适用于膝关节镜手术仿真的力反馈交互装置,具有一定的专用性与实用性。
【关键词】：虚拟手术 力反馈 交互装置 膝关节镜手术
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R318.6;TP391.9
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-7
• 目录7-9
• CONTENTS9-11
• 第一章 绪论11-22
• 1.1 选题背景与意义11-13
• 1.2 虚拟手术系统13-15
• 1.3 国内外研究现状15-20
• 1.4 论文主要研究内容及章节安排20-22
• 第二章 力反馈交互装置设计22-38
• 2.1 膝关节镜手术及其特点22-25
• 2.1.1 膝关节镜手术22-23
• 2.1.2 手术器械操作特点23-25
• 2.2 力反馈交互装置设计方案及指标25-29
• 2.2.1 交互装置整体方案25-26
• 2.2.2 交互装置性能指标26
• 2.2.3 交互装置驱动器件选型26-29
• 2.3 力反馈交互装置机构设计29-37
• 2.3.1 设计要求29-30
• 2.3.2 机械结构设计30-37
• 2.4 本章小结37-38
• 第三章 交互装置性能分析38-49
• 3.1 交互设备的运动学分析38-42
• 3.1.1 几何空间的三维变换38-40
• 3.1.2 交互设备运动模型建立40-42
• 3.2 交互设备的力学模型42-44
• 3.3 反馈力驱动电机性能分析44-48
• 3.3.1 驱动电机转矩分析44-46
• 3.3.2 驱动电机热分析46-48
• 3.4 本章小结48-49
• 第四章 力觉控制策略与力反馈原理49-57
• 4.1 基本控制原则49-50
• 4.2 交互装置力反馈控制策略50-52
• 4.3 虚拟环境中力的表达52-53
• 4.3.1 基于动作的力形式52-53
• 4.3.2 基于时间的力形式53
• 4.4 虚拟力觉模型53-56
• 4.5 本章小结56-57
• 第五章 虚拟膝关节镜手术仿真系统57-65
• 5.1 系统开发概述57-59
• 5.2 总体框架组成59-60
• 5.3 软件实现60-62
• 5.3.1 SOFA概述60-61
• 5.3.2 多模态表示61-62
• 5.4 驱动软件开发62-64
• 5.5 本章小结64-65
• 结论与展望65-67
• 全文总结65-66
• 研究展望66-67
• 参考文献67-72
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文72-74
• 致谢74

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 付玉锦,原魁,杜清秀;基于手术刀的虚拟外科手术系统仿真器[J];计算机工程与应用;2005年19期

2 孙志涛;陈中元;张耀军;;绳牵引机构在力觉人机交互中的应用[J];机械技术史及机械设计;2008年00期

3 李佳佳;齐元胜;王晓华;张斌;;基于虚拟现实的力反馈设备的研究与应用[J];机械科学与技术;2011年07期

4 夏文栋;陈嘉锦;;一种基于USB的无线触摸鼠标板的设计与实现[J];嘉应学院学报;2010年05期

5 谭珂,郭光友,王勇军,吴鹏;虚拟现实技术在医学手术仿真训练中的应用[J];军医进修学院学报;2002年01期

6 赵沁平;;虚拟现实综述[J];中国科学（F辑:信息科学）;2009年01期

7 姜俊杰,张玉茹,王党校;力反馈装置控制及伺服频率分析[J];微计算机信息;2005年12期

8 宋亚冲;赖芸;杨扬;赵志球;谢叻;;五维力反馈虚拟手术装置的优化设计[J];中国组织工程研究与临床康复;2009年26期

9 谢叻;张艳;张天宇;李国杰;戴培东;肖波;顾瑾;王亚铭;;虚拟手术中的力学变形和力觉感知[J];医用生物力学;2006年03期

10 谭珂;潘新华;高原;;医学虚拟仿真教学环境的构建[J];中国医学教育技术;2012年05期

中国重要会议论文全文数据库 前1条

1 韩双景;何汉武;李晋芳;雷钧;何宇磊;;交互式虚拟膝关节镜手术中半月板修复术的研究与实现[A];第十五届全国图象图形学学术会议论文集[C];2010年

中国硕士学位论文全文数据库 前5条

1 韩双景;虚拟膝关节镜系统中半月板手术训练的关键技术[D];广东工业大学;2011年

2 杨扬;基于虚拟手术的力反馈机制研究[D];上海交通大学;2009年

3 何宇磊;虚拟膝关节镜手术交互装置设计及系统研发[D];广东工业大学;2012年

4 雷钧;基于医学图像的膝关节前交叉韧带重建手术的仿真[D];广东工业大学;2012年

5 冯媛;基于力反馈的虚拟膝关节手术系统关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2012年

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本文编号：1013659