采用仿真手术刀的虚拟外科手术关键技术研究

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1、摘要虚拟外科手术是虚拟现实技术在医学领域中的重要应用，也是近年来的研究热点之一。借助于虚拟外科手术系统，医务人员可以沉浸于计算机生成的虚拟手术环境内，通过仿真手术器械体验和学习如何进行各种手术，并培养应付各种突发情况的能力。医生可以根据自己的需要重复进行各种必要的操作训练，并可以得到根据专家经验建立的专家手术系统的指导，这大大节约了培训医务人员的费用和培训时间，从而达到迅速提高学习者的手术技能的目的。虚拟外科手术系统主要由虚拟人体组织(或器官)视景生成系统和仿真手术器械两部分组成，前者主要完成虚拟人体或虚拟器官的实时生成和显示，而后者则使用户可以通过带

2、有力反馈功能的虚拟外科手术器械进行各种手术操作练习，二者缺一不可。在众多的手术器械当中，手术刀无疑是应用最为广泛的一种，它几乎是在外科手术操作过程中，在组织或器官上造成切口的唯一工具，而如何正确的使用手术刀也成为外科实习医生必备的训练课程。本文结合外科手术培训和医学教育的实际需要，深入研究基于手术刀的虚拟外科手术应用中的各种关键技术，并设计了一个基于手术刀的虚拟外科手术系统，具体包括以下主要内容：(1)回顾并展望了虚拟外科手术的发展概况和应用前景，概括了虚拟外科手术的核心技术，阐述了虚拟外科手术的研究意义和应用价值。(2)研制出虚拟外科手术系统专用的仿

3、真手术刀及其力反馈装置。仿真手术刀是在实际手术刀的基础上经过改造得来的，这种设计使仿真手术刀更加符合实际操作习惯。其力反馈装置采用旋转步进电机～丝杠传动机构的驱动方式，具有结构简单、控制灵活、无冲击、实时性能好等优点。(3)实现了反馈力的精确控制。反馈力的大小采用改进的PID算法进行控制，为了提高控制精度，采用遗传算法对系统参数和PID参数进行精确辨识和整定。(4)开发出该虚拟外科手术系统的配套软件。该配套软件不仅完成了仿真手术刀力反馈机构的控制任务，而且完成了虚拟场景的建立任务。尤其是采用仿真手术刀的虚拟外科手术关键技术研究中国科学院自动化研究所博士

4、学位论文在所建立的虚拟场景中，采用了新的切割算法和变形算法，来处理切割时虚拟人体组织的表面变形，给操作者较好的视觉临场感。(5)在实验室中搭建了一个虚拟手术台，完成对该虚拟外科手术系统的整合设计，使该虚拟手术系统更加接近真实的手术训练环境。本文所提出的仿真手术刀及其力反馈装置设计方案，还可应用于仿真手术剪、仿真手术镊等手术仿真器的设计中。本文的研究内容为今后开发具有实用价值的虚拟外科手术系统打下了良好基础。关键词：虚拟外科手术，仿真手术刀，虚拟手术刀，力反馈，遗传算法，边界元法，软组织切割变形。IIAbstTactAbstractvinuals叫笋ry

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