[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于手术机器人的手术切割训练系统，尤其涉及基于力反馈的手术切 割训练系统。

背景技术

机器人辅助微创外科手术技术是近年来医疗机器人领域的研究热点之一。和传统的外 科手术相比，患者手术时切口面小、恢复更快。同时还能缓解医生在长时间手术中的疲劳 感，提高手术的稳定性和精确性。然而在医生操作机器人辅助完成真实微创手术过程中， 对医生的技能提出了很高的要求，医生在进行微创手术前要经过很长时间的反复训练才能 达到熟练的程度。而利用尸体或者动物的传统手术训练方式存在的局限给医护人员的手术 培训及微创手术的发展带来了许多不便，随着计算机技术的快速发展，开发有效的虚拟手 术训练系统成为当前重要研究点。软组织切割是虚拟手术模拟中一项十分重要的操作，切 割速率及好坏对虚拟手术具有重大影响。虚拟手术中切割操作的主要任务是在满足切割条 件下的模型拓扑结构的改变，主要考虑实时性、逼真性和鲁棒性三个因素。

通常最常见的虚拟软组织模型采用的是质点弹簧模型或者有限元模型。质点弹簧模型 结构简单，在操作过程中容易出现模型振荡，不符合正常软组织结构。有限元模型结构精 度高但实时性较差。最常见的软组织切割模型是基于离散网格的方法来建立的。离散网格 方法的缺点是数值模拟不稳定，在切割网格部位容易出现齿状网格。因此提出了有限元模 型，但在模型精度较高时，有限元模型细分多面体数量大，在操作过程中，实时性难以保 证。近年来，利用无网格方法建立模型已成为一个新的研究点。利用无网格法分析或者建 立虚拟软组织模型大致可分为两种类型。第一种是基于无网格的数值理论方程分析来分析 和模拟软组织操作特性。另外一种是基于无网格方法建立软组织可操作模型，但准确来说， 无网格方法其实只是模型内部结构的一种体现。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的机器人手术切割训练系统中有限元模型结构实时性 较差的问题。

用于手术机器人的基于力反馈的手术切割训练系统，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；

3d虚拟环境及3d手术器械模型构建模块是手术切割训练系统的基本模块，完成了手 术切割训练系统的环境搭建，为操作用户提供一个立体三维训练环境，提高系统训练时的 逼真度，实现整个系统视觉功能；其中环境中虚拟手术器械可以根据主手设备，设置多个 自由度，能够完成对环境中物体的移动、夹持和转动等功能，和手术操作一致；

(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、 蠕变和应力松弛等粘弹性特性的3d虚拟软组织模型；和当前已有模型比较，具有操作速 度快，表现为粘弹性的优点；

(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；模 型读取与定位模块是在VC++编程环境中，从外部加载3ds文件，为手术切割训练系统创 建3d模块；加载3ds文件的过程，包括读取模型路径，加载后模型大小和位置的设置， 颜色和形状的设置等；

(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；

力反馈模块采用瑞士公司Omega主手力反馈设备；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(前后、左右、上下、前后旋转、左右旋转、夹持)，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；