[发明专利]用于手术机器人的基于力反馈的手术切割训练系统及方法

权利要求书

1.用于手术机器人的基于力反馈的手术切割训练系统，其特征在于包括以下模块：

3d虚拟环境及3d手术器械模型构建模块，3d虚拟软组织模型构建模块，模型读取与 定位模块，切割工具与模型碰撞检测模块，力反馈模块，分类切割模块；

(1)所述3d虚拟环境及3d手术器械模型构建模块，用于构建手术切割训练系统的 3d虚拟环境和3d手术器械模型；

(2)所述3d虚拟软组织模型构建模块，用于构建手术切割训练系统中的3d虚拟软组 织模型；

3d虚拟软组织模型构建模块是根据Kelvin模型和弹簧模型而建立的具有应力应变、蠕 变和应力松弛粘弹性特性的3d虚拟软组织模型；

(3)所述模型读取与定位模块，用于加载3d虚拟环境、3d手术器械模型、3d虚拟软 组织模型以及设置3d手术器械模型、3d虚拟软组织模型的大小、位置和渲染模式；

(4)所述切割工具与模型碰撞检测模块，用于3d手术器械模型和3d虚拟软组织模型 的碰撞检测，确定碰撞位置和时间；为后续3d虚拟软组织模型的挤压和切割操作提供检测 数据；

(5)所述力反馈模块，用于实现力触觉，完成力反馈操作；

力反馈模块通过接口连接手术切割训练系统中的3d手术器械模型，建立3d手术器械 模型与手术机器人进行切割的真实手术器械的映射关系，并将真实手术器械切割的状态通 过力反馈数据加载在手术切割训练系统中，3d手术器械模型在手术切割训练系统中的运动 对应手术机器人真实切割过程中真实手术器械的6个自由度方向，即3d手术器械模型在手 术切割训练系统中的运动与真实手术器械在真实切割过程中的运动状态相同；

(6)所述分类切割模块，用于实现3d虚拟软组织模型的面切割和体切割；

分类切割模块根据3d虚拟环境及3d手术器械模型构建模块、3d虚拟软组织模型构建 模块、模型读取与定位模块、切割工具与模型碰撞检测模块以及力反馈模块中的数据，对 3d虚拟软组织模型的进行切割。

2.根据权利要求1所述用于手术机器人的基于力反馈的手术切割训练系统，其特征在 于所述3d虚拟环境及3d手术器械模型构建模块包括3d手术器械模型构建子模块和3d虚 拟环境构建子模块；

3d手术器械模型构建子模块，用于构建3d手术器械模型；3d手术器械模型构建子模 块是根据真实手术器械形状的大小，利用3dmax构建模型及网格划分方法建立3d手术器 械模型；

3d虚拟环境构建子模块，用于构建手术切割训练系统的3d虚拟环境，包括水平面设 置、光照、背景、视觉方位；3d虚拟环境构建子模块利用VC++和OpenGL技术构建手术 切割训练系统的3d虚拟环境。

3.根据权利要求2所述用于手术机器人的基于力反馈的手术切割训练系统，其特征在 于3d虚拟软组织模型构建模块中所述3d虚拟软组织模型是利用层次型填充球结构，依据 软组织轮廓排列小球位置，根据不同位置设置不同小球半径大小；小球之间采用粘弹性结 构相连，使得3d虚拟软组织模型具有和真实软组织粘弹性类似表现特征。

4.根据权利要求3所述用于手术机器人的基于力反馈的手术切割训练系统，其特征在 于所述切割工具与模型碰撞检测模块的检测过程如下：

切割工具与模型碰撞检测模块利用循环遍历3d手术器械模型的刀尖和3d虚拟软组织 模型表面填充球之间的距离，当两者距离小于某一个阈值k，则表示两者有碰撞，记录碰 撞位置到数组；根据切割方向，记录碰撞起点和终点坐标至一个数组，为后续3d虚拟软组 织模型切割操作提供数据。