机器人辅助骨科虚拟手术系统研究

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1、博士学位论文机器人辅助骨科虚拟手术系统研究RESEARCHONVIRTUALROBOT-ASSISTEDORTHOPEDICSURGERYSYSTEM张峰峰哈尔滨工业大学2009年9月国内图书分类号：TP242.6学校代码：10213国际图书分类号:621.586.4密级：公开工学博士学位论文机器人辅助骨科虚拟手术系统研究博士研究生：张峰峰导师：孙立宁教授申请学位：工学博士学科、专业：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2009年9月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP242.6U.D.C.:621.586.4Dissertationfort

2、heDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONVIRTUALROBOT-ASSISTEDORTHOPEDICSURGERYSYSTEMCandidate：ZhangFengfengSupervisor：Prof.SunLiningAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MechatronicsEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEnigneeringDateofDefence：September,2009Degree-Confe

3、rring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要近几年来，骨科手术机器人技术已经成为国际研究热点之一，然而，由于其操作对象是复杂的人体，对医生与手术机器人的交互技术提出了更高的要求，这是目前制约骨科手术机器人研究和发展的瓶颈问题。随着虚拟现实和虚拟增强技术的提高，机器人辅助骨科虚拟手术技术成为解决这一难题的有效途径之一。论文结合国家863计划项目和国家自然科学基金项目，针对机器人辅助骨科手术中的人机交互问题，通过虚拟现实技术、遥操作技术和现代医学图像理论，对机器人辅助骨科虚拟手术仿真中的虚拟环境图形建模、人体腿部三维形态学建模、人体

4、腿部生物力学模型和软组织变形等关键技术进行研究，建立了机器人辅助骨科虚拟手术系统。在虚拟环境图形建模方面，首先研究了几何模型的表示方法，并针对课题实际情况和应用需求，研究了建模方案，选择了基于Pro/E建模和Java3D编程的机器人交互式图形仿真方法，建立了机器人三维几何模型和交互式虚拟场景。对导航机器人、C型臂及复位机器人分别进行了运动学建模研究。进行了碰撞检测分析研究，采用词法分析器原理，提取模型表面的近似多面体信息，用球模型表达实体，并对各种碰撞检测算法进行分析，结合八叉树算法和模型的球表达法，建立了虚拟环境下的图形碰撞检测模块。在人体腿部的三维形态学建模方面，详细讨论了

5、基于医学CT图像的人体腿部生物组织三维几何重建问题。对CT图像进行了预处理研究，应用改进的MC重建算法、渐进网格简化算法，完成了获取医学体数据、抽取等值面、简化网格等几个方面的工作，实现了基于CT图像的人体股骨、胫骨、腿部肌肉、皮肤等组织的集合建模和共组。在人体腿部的生物力学建模方面，在给出线性弹性模型、非线性弹性模型描述生物组织变形特性理论模型的基础上，提出了建立多结构、多层次、多种材料并存的物理建模方法，完成了人体腿部各生物组织的有限元模型的建模。基于骨骼、肌肉、皮肤等组织的生物力学特性，在对外力做功、重力做功、生物组织边界条件分析的基础上，建立了生物组织运动的静态平衡方程

6、和动态平衡方程，为生物组织变形的计算提供了理论方法。针对肌肉解剖形体复杂，难以精确建模的问题，提出了一种基于形态解剖学的新型肌肉建模方法，既考虑了肌腱的生物力学特性，又体现了肌纤维的微观解剖结构。对建立的人体腿部有限元模型进行了仿真验证，将计算后的有限元仿真数据与通过人体标本实验获得的力位数据相比较，二者的吻合性证明了建立的人体腿部有限元模型的可信性。最后，以腿部生物力学建模仿真的实现为应用实例，阐述了虚拟手术开发环境、控制界面及手术系统几种操作模式，并对虚拟系统根据功能进行了模块化分，对系统的机器人性能进行了测试研究。为了提高虚拟手术仿真系统进行实际作业的能力，提出了以BP神

7、经网络模型来代替有限元模型，实现实时的生物力学响应。结合已有的机器人辅助接骨系统，构建了虚拟手术主从控制系统实验平台，利用并联主手输入运动信息，提供力反馈，而虚拟手术平台则负责提供视觉和计算对抗牵引力的大小，最后分别进行了力反馈实验和虚拟骨折复位手术实验。实验结果证明了基于生物信息的虚拟手术仿真系统的有效性和可用性。关键词:虚拟手术；虚拟现实；图形建模；形态学建模；生物力学AbstractInrecentyears,orthopaedicssurgicalrobottechnologyhas