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微创手术机器人虚拟安全屏障在线建模与控制

郭晓君  
【摘要】: 微创手术时,医生操作的对象往往是比较微小的组织和器官,手术任务被限制在一个较小的工作空间。由于触觉信息的缺失和感知通道的模糊,很容易误伤到这些细小组织。因此在介入式手术时,基于遥操作技术的微创手术机器人,对人体重要器官或组织在线建立虚拟安全屏障并进行实时控制,以避免在手术过程中由于医生的疲劳操作和误操作等因素对人体重要健康组织造成伤害,从而使医生能够把注意力主要集中在解决手术过程中的关键技术问题上。这样外科医生在进行手术时安全系数将极大提高。 本文在分析研究国内外微创手术机器人系统、虚拟传感器技术以及虚拟手术关键技术等相关技术文献资料的基础上,对本课题进行了深入研究。 建立了视觉系统的内镜图像数字化模块,利用遥操作手术机器人系统隐含的数据信息和从内镜得到的放大的图像信息,对人体重要器官位置坐标进行在线标定,并在人体重要器官表面采集一系列特征点来描述器官的外部轮廓,建立了动态局部的虚拟安全屏障几何模型。对现有的碰撞检测算法分析,提出采用简化的Lin-Canny算法和包围球层次相结合的方法检测手术过程中发生的碰撞,能满足实时检测的要求。建立了基于弹簧阻尼模型的虚拟传感器,进行虚拟手术环境中手术器械和人体器官组织的触觉信息检测,实现了手术器械与人体器官模型的触觉和力觉交互以及手术过程中的力觉导航。 搭建了基于遥操作技术的微创手术机器人实验研究平台,对所研究的理论和算法进行了实验验证,探讨并验证了虚拟安全屏障模型和控制算法的科学性、有效性及该项技术的实用性。 微创手术机器人虚拟安全屏障技术为机器人微创手术的安全可靠性提供重要的技术保障,使微创手术这门技术更容易被更多的医生掌握。此项技术不但可以用于机器人微创手术,而且可以用于其它的机器人手术,甚至用于传统的开放式手术,随着研究的进一步深入和成熟,具有非常好的应用前景。


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