[发明专利]带有力反馈的内镜虚拟手术系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种外科手术系统，特别涉及一种外科虚拟手术仿真系统。 

背景技术

虚拟手术是指医生通过计算机建立虚拟环境中进行手术训练和计划。由于一般的影像检查仅能提供二维平面图像。无法进行3D手术仿真，缺少真实感和不可靠性。 

随着虚拟现实技术的发展，在医学领域人们可以利用计算机建立一个虚拟3D环境以及可交互操作平台。但是由于缺乏有效的力反馈，不能将虚拟手术器械进行力反馈手术仿真。 

发明内容

本发明针对现有手术仿真系统，提供一种带有力反馈的内镜虚拟手术系统。 

本发明提供的带有力反馈的内镜虚拟手术系统，包括： 

一用于使用者直接操作的外围设备； 

一与上述外围设备相连意响应用户的操作的界面； 

一显示设备； 

一与上述界面相连的提供虚拟环境的仿真模块；所属仿真模块有进一步包括： 

一用来模拟要手术的组织的模型的手术组织模块； 

一用来便于演示手术过程的图形指示模块； 

一用来模拟手术切割的切割模块；

一交互计算模块；以及 

一模拟器官变形的模块； 

以及 

一使用户与上述虚拟仿真模块交互的力反馈模型模块。 

进一步，所述仿真模块还包括触觉反馈控制模块。 

再进一步，所述仿真模块还包括碰撞处理模块。 

本发明提供的带有力反馈的内镜虚拟手术系统由于采用了支持力反馈的模块，使使用者有了触觉反馈，具有手术的触觉交互，同时通过模拟器官变形的模块，使得整个虚拟手术的虚拟环境更加逼真，更适合外科手术的研究、教学和培训。 

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。 

图1是本发明的外科虚拟手术仿真系统示意图。 

图2是本发明的外科虚拟手术仿真系统的仿真模块示意图。 

图3是本发明的力反馈与操作者的交互示意图。 

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。 

参见图1，本发明提供带有力反馈的内镜虚拟手术系统包括外围设备1、操作界面2、仿真模块3、力反馈模型模块4和显示设备5。外围设备1是使用者输入控制信息的设备如键盘、鼠标等。操作界面2是用户操作的界面。仿真模块4是本发明的系统的核心，下面将要详细描述。力反馈模型模块4是本发明的手术系统的重要部分，是使用者与虚拟的仿真模块系统交互的工具。显示设备5是常用的显示装置。 

参见图2，仿真模块3进一步包括用来模拟要手术的组织的模型的手术组织模块31、用来便于演示手术过程的图形指示模块32、用来模拟手术切割的切割模块34、交互模块35、模拟器官变形的模块33、触觉反馈控制模块36和碰撞处理模块37。触觉反馈控制模块36集成了触觉反馈设备的初始化、复位启动、停止、位置读取、反馈力设置等功能。碰撞处理模块37负责在手术切割操作中检测虚拟手术刀与被切割的软组织的碰撞、维护、修改当前与手术刀相交的单元列表和记录交点信息。切割模块34负责将手术刀扫过的单元分 解为四面体单元。交互计算模块35是用数值方法来求解软组织变形的动力学方程并更新软组织模型的状态。 

参见图3，操作者大脑41命令操作者的手42进行动作，控制力反馈设备的操纵杆43，同时，操纵杆43给力量反馈给操作者的手42，于是操作者的大脑41接收到触觉反馈。 

再参见图2，本发明的虚拟手术仿真系统的仿真模块3在建立模块是分以下步骤： 

1、几何建模 

通过对手术器官的模型进行预处理、分割、三维重建等步骤得到STL三维模型数据。在利用3DMAX的导出功能把模型存储为3DS格式。 

2、运动建模 

该建模时为了确定三维对象在坐标中的位置以及它们在虚拟环境中的运动。 

3、物理建模 

首先，通过质量-弹簧模型对变形器官进行建模。 

其次，通过PHANTOM建立力反馈模型 

最后，通过运动轨迹建立碰撞检测。 

在参见图1、图2、图3，本发明的仿真模块3建立了虚拟的手术仿真环境，通过力反馈模型模块4使得操作者能实际模拟手术环境，在操作界面上实施力反馈仿真手术。 

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。