季如寧

蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215008；蘇州市立醫(yī)院北區(qū) 醫(yī)學(xué)工程部，江蘇 蘇州 215008

支持力反饋的膽囊虛擬手術(shù)機(jī)器人仿真系統(tǒng)研究

季如寧

蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215008；蘇州市立醫(yī)院北區(qū) 醫(yī)學(xué)工程部，江蘇 蘇州 215008

本文利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建了一個(gè)支持力反饋的膽囊虛擬手術(shù)機(jī)器人仿真系統(tǒng)。主要討論了本系統(tǒng)中涉及的軟組織虛擬模型構(gòu)建、碰撞檢測(cè)、力反饋計(jì)算、虛擬機(jī)器人的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)控制、虛擬環(huán)境搭建等關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法。并對(duì)于傳統(tǒng)力反饋計(jì)算中存在的計(jì)算量大導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較差的問(wèn)題，提出了一種新的力反饋計(jì)算方法。通過(guò)在所搭建平臺(tái)上進(jìn)行的膽囊虛擬手術(shù)操作，分析該系統(tǒng)的性能指標(biāo)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)中機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制較為流暢，對(duì)于膽囊的虛擬手術(shù)操作具有較為真實(shí)的力覺(jué)反饋和視覺(jué)反饋，且系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性及實(shí)時(shí)性。

虛擬手術(shù)；機(jī)器人；手術(shù)仿真；膽囊

引言

隨著人類對(duì)智能化生活要求的提高，大大促進(jìn)了機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，而機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展對(duì)微創(chuàng)外科手術(shù)這一人類手術(shù)革命又起著一個(gè)至關(guān)重要的作用。特別是隨著Da Vinci系統(tǒng)[1]和ZEUS系統(tǒng)[2]的面世，全世界開(kāi)始對(duì)微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行深入研究。通過(guò)眾多的實(shí)驗(yàn)研究可以知道[3-4]，微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人具有創(chuàng)口小、失血少、術(shù)后恢復(fù)周期短等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于傳統(tǒng)的手術(shù)培訓(xùn)而言，除了尸體和動(dòng)物以外沒(méi)有更好的操作對(duì)象[5]。但是利用動(dòng)物進(jìn)行手術(shù)訓(xùn)練成本比較高、代價(jià)比較大、周期比較長(zhǎng)且不符合人道主義精神。伴隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到手術(shù)訓(xùn)練中，創(chuàng)建一個(gè)具有三維效果的虛擬環(huán)境，結(jié)合力反饋裝置為外科手術(shù)醫(yī)生提供一個(gè)手術(shù)訓(xùn)練和學(xué)習(xí)的平臺(tái)。針對(duì)性地進(jìn)行虛擬手術(shù)仿真訓(xùn)練，可以幫助實(shí)習(xí)醫(yī)生在短時(shí)間內(nèi)獲得臨床手術(shù)經(jīng)驗(yàn)，減少實(shí)習(xí)醫(yī)生成長(zhǎng)為一名合格醫(yī)生的時(shí)間。虛擬手術(shù)系統(tǒng)還可以幫助醫(yī)生用于術(shù)前規(guī)劃和手術(shù)預(yù)演，以提高臨床手術(shù)的成功率[7]。

在虛擬手術(shù)訓(xùn)練平臺(tái)中，訓(xùn)練者通過(guò)力觸覺(jué)設(shè)備對(duì)虛擬手術(shù)環(huán)境中的人體組織器官進(jìn)行交互操作，能夠獲得較高沉浸感和真實(shí)感，使得訓(xùn)練者有一種真實(shí)手術(shù)操作的感覺(jué)，無(wú)需真正的人體器臟組織，且可以反復(fù)進(jìn)行訓(xùn)練，成本很低。鑒于虛擬手術(shù)訓(xùn)練的這些優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者都對(duì)此技術(shù)展開(kāi)了研究。2001年，西班牙的Meier等[8]開(kāi)發(fā)了一種具有力反饋功能的三維微創(chuàng)手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)；次年，蘇永松等[9]設(shè)計(jì)了一種骨科手術(shù)模擬系統(tǒng)；2003年，斯坦福大學(xué)的研究人員[10]開(kāi)發(fā)了一種血管以及血管縫合的仿真系統(tǒng)；2005年，譚坷等[11]設(shè)計(jì)了一種鼻腔鏡虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)；2010年，Konietschke等[12]基于自行研制的手控器開(kāi)發(fā)了一套微創(chuàng)外科手術(shù)多模式訓(xùn)練平臺(tái)，開(kāi)創(chuàng)了微創(chuàng)手術(shù)訓(xùn)練的新時(shí)代。2012年，東南大學(xué)的宋愛(ài)國(guó)老師的團(tuán)隊(duì)[13]利用Omni作為力反饋交互設(shè)備，開(kāi)展了雙通道力觸覺(jué)交互的虛擬肺手術(shù)仿真系統(tǒng)研究。

虛擬手術(shù)仿真訓(xùn)練對(duì)于真實(shí)感和沉浸感有著較高的要求，這對(duì)訓(xùn)練系統(tǒng)中軟組織器官的真實(shí)性、變形的實(shí)時(shí)性以及變形的逼真程度等都提出了更高的要求。本研究構(gòu)建了一種具有力反饋手感的膽囊虛擬機(jī)器人手術(shù)仿真訓(xùn)練平臺(tái)，從提高圖像的流暢度、變形的逼真程度、力觸覺(jué)手感出發(fā)，針對(duì)膽囊微創(chuàng)手術(shù)的操作，詳細(xì)闡述了該仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的組成及構(gòu)建方法，并針對(duì)傳統(tǒng)碰撞力計(jì)算中存在的計(jì)算量較大，影響系統(tǒng)響應(yīng)實(shí)時(shí)性的問(wèn)題，提出了一種改進(jìn)方法。

1 仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

虛擬手術(shù)系統(tǒng)的組成可以分為硬件模塊及軟件模塊，硬件模塊主要由交互設(shè)備、主機(jī)、顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤等組成；軟件模塊主要由仿真環(huán)境和各個(gè)功能模塊（視窗變換、手術(shù)器械去抖、運(yùn)動(dòng)縮放和限位、漫游、碰撞檢測(cè)、力反饋計(jì)算等）組成。仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。

圖1 仿真系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

其中，力反饋器（交互設(shè)備）作為虛擬仿真系統(tǒng)的重要組成部分，是主要的控制信息輸入源，它能夠?qū)⒂脩舻男袨樾畔⑥D(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)，通過(guò)仿真環(huán)境生成機(jī)輸入到虛擬手術(shù)環(huán)境中，控制虛擬手術(shù)器械進(jìn)行作業(yè)任務(wù)，完成各個(gè)虛擬手術(shù)的仿真。虛擬手術(shù)器械的運(yùn)動(dòng)信息將通過(guò)顯示器反饋給用戶，人體組織器官對(duì)虛擬手術(shù)器械的反饋力通過(guò)力反饋裝置的操作手柄反饋給操作者。本系統(tǒng)選用Force Dimension公司的Omega 7.0七自由度觸覺(jué)反饋裝置作為交互設(shè)備（下文稱“主手”），見(jiàn)圖2。其主要性能參數(shù)如下：工作空間為160 mm×160 mm×130 mm，線性分辨率為0.006 mm，角分辨率0.28 deg，可持續(xù)施加力12.0 N，力反饋x、y、z，剛度為14.5 N/mm，自由度為7。

2 仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

仿真系統(tǒng)中力反饋設(shè)備選擇Omega 7.0，計(jì)算機(jī)配置為i7-6820HQ CPU、16 G內(nèi)存及NVIDIA Quadro M2000M顯卡。系統(tǒng)軟件通過(guò)VC 2010結(jié)合CHAI 3D進(jìn)行開(kāi)發(fā)。CHAI 3D是一個(gè)用于電腦觸覺(jué)形象化和交互式實(shí)時(shí)仿真的免費(fèi)C++庫(kù)，基于其開(kāi)發(fā)的程序可移植性好，只需要?jiǎng)?chuàng)建相應(yīng)的接口，程序就可以運(yùn)行。CHAI 3D能支持3自由度、6自由度、7自由度等多種力覺(jué)設(shè)備，同時(shí)它還提供了碰撞檢測(cè)模塊、文件操作模塊、虛擬器械模塊等多個(gè)功能模塊，囊括了常用的虛擬現(xiàn)實(shí)所需的方法。

圖2 Omega 7.0參考圖

2.1 幾何建模

2.1.1 虛擬手術(shù)機(jī)器人及器械建模

手術(shù)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)由3部分組成，機(jī)械臂、微器械以及機(jī)器人底座。由于在虛擬仿真的過(guò)程中需要實(shí)時(shí)地更新顯示機(jī)械臂各個(gè)部件的位姿，所以在建立各個(gè)部件的幾何模型時(shí)，即要保證各個(gè)桿件的尺寸，又要合理設(shè)置各桿件的局部坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)桿件在世界坐標(biāo)系下的位姿。

為了減小仿真程序的計(jì)算量，在建立機(jī)器人各個(gè)桿件的幾何模型時(shí)，將各個(gè)桿件的局部坐標(biāo)設(shè)置在各個(gè)桿件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)處。Solidworks中建立的虛擬機(jī)器人模型，見(jiàn)圖3。虛擬手術(shù)機(jī)器人本體共7個(gè)關(guān)節(jié)自由度，其中1～3關(guān)節(jié)為無(wú)驅(qū)動(dòng)控制關(guān)節(jié)，4～7關(guān)節(jié)為可驅(qū)動(dòng)控制關(guān)節(jié)，見(jiàn)圖4。

圖3 機(jī)械臂自由度分布

圖4 驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)分布

針對(duì)膽囊手術(shù)過(guò)程中對(duì)膽囊進(jìn)行的按壓、夾持及切割等操作，設(shè)計(jì)了虛擬操作器械，見(jiàn)圖5。

圖5 虛擬手術(shù)器械

2.1.2 膽囊及其附屬管路建模

本系統(tǒng)中采用3DMax三維建模軟件進(jìn)行膽囊虛擬模型的繪制（圖6a）。將繪制的模型導(dǎo)出格式為.3DS的文件，然后將文件導(dǎo)入到Deep Exploration中，對(duì)膽囊模型貼圖渲染（圖6b），并將渲染后的模型再次保存為.3DS格式文件，在搭建虛擬環(huán)境的時(shí)候讀入此文件。

圖6 膽囊虛擬模型

2.2 物理模型

建立基于物理特性和生理特性的軟組織模型并對(duì)人體的組織器官形變過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)、逼真地模擬是整個(gè)手術(shù)仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵。目前常用的物理建模有有限元法、邊界元法、長(zhǎng)單元法和質(zhì)量－彈簧模型等方法。

由于真實(shí)的膽囊具有粘彈性，為保證虛擬仿真的可行性和實(shí)時(shí)性，這里暫且可以忽略其粘性特性。綜合考慮虛擬手術(shù)仿真的實(shí)時(shí)性和真實(shí)性，本文選用質(zhì)量-彈簧模型對(duì)軟組織進(jìn)行物理建模。利用此方法建立的模型較為簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，適當(dāng)控制模型中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，可以同時(shí)滿足仿真精度和仿真實(shí)時(shí)性的要求。

這種建模方法的主要思想是將仿真對(duì)象離散為若干個(gè)質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)與質(zhì)點(diǎn)之間用符合線性彈性模型要求的彈簧連接，整個(gè)模型的質(zhì)量集中在質(zhì)點(diǎn)上，整個(gè)系統(tǒng)總趨向零能量，膽囊及其附屬管路的簡(jiǎn)化物理模型，見(jiàn)圖7。

圖7 膽囊的質(zhì)量-彈簧模型

軟組織的變形實(shí)質(zhì)上就是質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，而每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)都遵守牛頓第二定律。

式中mi表示質(zhì)點(diǎn)i的質(zhì)量，xi表示i點(diǎn)的位置，它是一個(gè)三維向量，和分別表示xi對(duì)時(shí)間t的一階和二階導(dǎo)數(shù)。公式的右邊表示的是作用在這個(gè)點(diǎn)上的力。第一項(xiàng)表示的是與速度相關(guān)的主力，其中Ci表示的是阻尼系數(shù)，第二項(xiàng)表示的是質(zhì)點(diǎn)i與質(zhì)點(diǎn)j之間連接彈簧作用的力，第三項(xiàng)表示的是作用在質(zhì)點(diǎn)i上的其它外力（如重力和操作者施加的力）的和。

當(dāng)其中某一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在外力的作用下發(fā)生位置變化時(shí)，與其連接的彈簧發(fā)生變化，無(wú)質(zhì)量彈簧將會(huì)伸長(zhǎng)或縮短，其彈性力發(fā)生變化，破壞了原有的力平衡關(guān)系，為形成新的力平衡狀態(tài)，質(zhì)點(diǎn)的位置發(fā)生變化，運(yùn)算形成新的平衡狀態(tài)，組成新的網(wǎng)格，即物理模型發(fā)生形變，進(jìn)而引起幾何模型發(fā)生變形。

2.3 碰撞檢測(cè)

碰撞檢測(cè)是判斷虛擬手術(shù)工具與膽囊模型之間是否發(fā)生了碰撞，并且在發(fā)生碰撞的情況下精確地定位模型發(fā)生碰撞的位置，稱為碰撞點(diǎn)。只有確定了接觸發(fā)生，才有必要給模型實(shí)施變形處理，只有根據(jù)碰撞檢測(cè)的結(jié)果，才能對(duì)模型的變形進(jìn)行精確的計(jì)算。

目前大多數(shù)碰撞檢測(cè)使用的是包圍體層次結(jié)構(gòu)檢測(cè)模型，常用包圍體有軸對(duì)稱包圍盒[14]、方向包圍盒[15]、包圍球[16]、離散有向多面體[17]等。由于AABB具備計(jì)算量較小的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速碰撞檢測(cè)，故本研究采用此方法進(jìn)行碰撞檢測(cè)。

AABB的基本思想是幾何特性簡(jiǎn)單而體積較大的包圍盒來(lái)近似地描述復(fù)雜的幾何對(duì)象，在對(duì)兩個(gè)物體碰撞檢測(cè)時(shí)，應(yīng)先檢查兩者的包圍盒是否發(fā)生了相交，若不相交，則說(shuō)明兩個(gè)包圍盒中的物體并未發(fā)生碰撞；如果相交，則兩個(gè)包圍盒中的物體發(fā)生了碰撞。如果系統(tǒng)要求得到精度更高的檢測(cè)結(jié)果，還需對(duì)物體之間的位置關(guān)系進(jìn)一步計(jì)算，即進(jìn)行碰撞的精確檢測(cè)。因?yàn)榘鼑行螤畋容^簡(jiǎn)單，所以求包圍盒的相交要比求物體的相交容易的多，從而提高了運(yùn)算速度。

2.4 碰撞力計(jì)算

當(dāng)檢測(cè)到虛擬器械與軟組織模型發(fā)生碰撞后，需要確定力反饋的大小和方向，并通過(guò)力反饋器輸出，見(jiàn)圖8。

傳統(tǒng)碰撞力的大小計(jì)算是先求取每個(gè)自由點(diǎn)單獨(dú)的受力情況，此時(shí)假定與之相鄰的自由點(diǎn)固定不動(dòng)，當(dāng)所有自由點(diǎn)的力求解完畢后,再計(jì)算這些自由點(diǎn)的合力。由于這種方法考慮了所有的自由點(diǎn)，導(dǎo)致計(jì)算量變大，在模型復(fù)雜、自由節(jié)點(diǎn)較多的情況下會(huì)大大降低系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。考慮到距離碰撞點(diǎn)較遠(yuǎn)的自由點(diǎn)對(duì)于力反饋的貢獻(xiàn)很小，故本研究提出一種新的力反饋計(jì)算方法。該方法操作如下：首先設(shè)置一個(gè)距離閾值D，遍歷所有質(zhì)點(diǎn)，并計(jì)算該質(zhì)點(diǎn)到碰撞點(diǎn)的距離，若小于該閾值，則記錄此點(diǎn)；然后遍歷所記錄的每個(gè)質(zhì)點(diǎn)，計(jì)算該質(zhì)點(diǎn)手術(shù)器械的距離，進(jìn)而計(jì)算各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的力Fi，然后計(jì)算虛擬器械到相應(yīng)質(zhì)點(diǎn)的距離矢量之和∑Li，最后計(jì)算合力的大小。上述方法操作流程，見(jiàn)圖9。

圖8 軟組織變形簡(jiǎn)圖

圖9 力反饋計(jì)算方法

在上述操作過(guò)程中，選取合適的閾值，既能大大提高系統(tǒng)力反饋的實(shí)時(shí)性，又能夠保證力反饋的真實(shí)性。

2.5 虛擬手術(shù)場(chǎng)景建模及場(chǎng)景漫游

為了讓操作者對(duì)虛擬手術(shù)中的器械模型有一個(gè)宏觀的認(rèn)識(shí)，了解手術(shù)環(huán)境，熟悉手術(shù)過(guò)程中各不同組成部分的相對(duì)位置關(guān)系，需要進(jìn)行虛擬手術(shù)場(chǎng)景建模，即在虛擬手術(shù)場(chǎng)景中添加手術(shù)機(jī)器人、手術(shù)床、人體及腹腔組織器官等模型。

虛擬場(chǎng)景的建立是基于CHAI3D中封裝的OPENGL完成的。先是建立各虛擬模型的機(jī)械結(jié)構(gòu)，然后用3DMax對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行重建，保存為.3DS格式文件,最后將模型導(dǎo)入到虛擬環(huán)境中。手術(shù)場(chǎng)景建模結(jié)果，見(jiàn)圖10。

為了方便操作者對(duì)手術(shù)環(huán)境進(jìn)行全方位的了解，虛擬系統(tǒng)需要提供多種漫游控制功能：包括了視角的前進(jìn)、后退、左右平移、重置觀察點(diǎn)位置、左右旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)視圖以及視角的上升、下降。本系統(tǒng)通過(guò)在虛擬環(huán)境中添加一個(gè)攝像機(jī)，用來(lái)模擬操作者的觀察點(diǎn)，通過(guò)鼠標(biāo)控制來(lái)改變攝像機(jī)的位置，從而實(shí)現(xiàn)上述漫游功能。

圖10 手術(shù)場(chǎng)景建模

3 仿真系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

按上述方法搭建了機(jī)器人虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)后，本研究在此系統(tǒng)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分為包括機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制仿真及膽囊虛擬手術(shù)操作仿真。

3.1 虛擬場(chǎng)景漫游

場(chǎng)景漫游不同視角觀察得到的場(chǎng)景模型，見(jiàn)圖11。

圖11 不同視角下的虛擬手術(shù)場(chǎng)景漫游

3.2 手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真

本系統(tǒng)中的建立的手術(shù)機(jī)器人具有7個(gè)自由度，前3個(gè)自由度是無(wú)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，用于術(shù)前手動(dòng)調(diào)整臂形。后4個(gè)關(guān)節(jié)是驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，用來(lái)滿足手術(shù)操作仿真的需要。由于物理主手與手術(shù)機(jī)器人末端關(guān)節(jié)并非完全對(duì)應(yīng)，所以本文先利用D-H參數(shù)法對(duì)虛擬手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，然后以主手的位置信息作為機(jī)器人末端位置信息，并通過(guò)逆解求取個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的位姿，然后跟新虛擬模型中機(jī)器人的位姿，從而實(shí)現(xiàn)主手對(duì)虛擬手術(shù)機(jī)器人的控制。

由于在實(shí)時(shí)仿真的過(guò)程中往往存在延時(shí)、抖動(dòng)等現(xiàn)象，因此不僅需要力反饋器在實(shí)時(shí)性上滿足要求，還需要添加去抖、限位、避撞等功能模塊。運(yùn)動(dòng)控制流程圖，見(jiàn)圖12。虛擬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制，見(jiàn)圖13。

圖12 運(yùn)動(dòng)仿真流程圖

圖13 虛擬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制

3.3 膽囊虛擬手術(shù)仿真

調(diào)整好虛擬機(jī)器人姿態(tài)后，程序進(jìn)入膽囊虛擬操作界面，此界面可切換虛擬器械。針對(duì)膽囊分別設(shè)計(jì)了按壓、夾持及膽囊管切割實(shí)驗(yàn)。為膽囊按壓實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)圖14。位于上述操作狀態(tài)下主手的位置信息，及力反饋在的x、y、z三個(gè)坐標(biāo)軸上的分量，見(jiàn)表2。

圖14 膽囊按壓變形過(guò)程

表2 手術(shù)器械的位置和受力（mm/N）

將虛擬手術(shù)器械切換成夾持器械，對(duì)膽囊體做夾持仿真實(shí)驗(yàn)（圖15a），膽囊體被夾持柱并被拖拽，變形較大。將工具切換到切割器械，對(duì)膽囊管進(jìn)行切割仿真（圖15b），膽囊管被切斷。

為進(jìn)一步優(yōu)化所搭建的仿真系統(tǒng)平臺(tái)，我們挑選某醫(yī)院臨床專業(yè)10名實(shí)習(xí)生和兩名肝膽科室醫(yī)生進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)仿真操作，然后與實(shí)驗(yàn)者們進(jìn)行反饋交流。多數(shù)實(shí)習(xí)生表示，在本系統(tǒng)上進(jìn)行的膽囊仿真操作的過(guò)程中，力觸覺(jué)感覺(jué)平穩(wěn)，圖像較為流暢，無(wú)停頓感，接觸力大小連續(xù)變化，虛擬環(huán)境中的膽囊變形逼真度較高。實(shí)驗(yàn)者也提出一些改善意見(jiàn)：添加切割后后血液的滲出、多器械同時(shí)操作及添加膽囊周圍組織等。

圖15 膽囊?jiàn)A持實(shí)驗(yàn)（a）和膽囊管切割實(shí)驗(yàn)（b）

4 結(jié)論

本文利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建了一個(gè)支持力反饋的膽囊虛擬手術(shù)機(jī)器人仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)虛擬環(huán)境的漫游；借助主手能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬手術(shù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，并且能夠借助所設(shè)計(jì)的虛擬器械，對(duì)膽囊進(jìn)行按壓、夾持及切割的虛擬操作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:虛擬環(huán)境中機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程較為流場(chǎng)，對(duì)于膽囊的虛擬手術(shù)操作反饋逼真度較高。由于虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)較為龐大,若想實(shí)現(xiàn)完全真實(shí)的操作手感及完全復(fù)現(xiàn)更多的手術(shù)操作，還需進(jìn)行更為深入的研究。后續(xù)的研究工作將圍繞不斷提高視覺(jué)和力覺(jué)反饋的真實(shí)度展開(kāi)。

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Research on Supportive Force Feedback of Gallbladder Virtual Surgical Robot Simulation System

JI Runing
School of Mechanical and Electrical Engineering, Soochow University, Soochow Jiangsu 215008, China;Department of Medical Engineering, Suzhou Municipal Hospital North District, Suzhou Jiangsu 215008, China

In this paper, we used virtual reality technology to build a supportive feedback gallbladder virtual surgery robot simulation system. This paper mainly discussed the implementation of key technologies such as soft tissue virtual model construction, collision detection, force feedback calculation, virtual robot design and motion control and virtual environment construction. And a new force feedback calculation method was proposed for the problem that the computational complexity in the traditional force feedback calculation leaded to the poor real-time performance of the system. The performance of the system was analyzed by the gallbladder virtual operation on the platform. The results showed that the motion control of the robot was relatively smooth, and it had more realistic force feedback and visual feedback for the virtual operation of gallbladder, and the system had good stability and real-time nature.

virtual surgery; robot; surgical simulation; gallbladder

TP242

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.12.007

1674-1633(2017)12-0030-05

2017-05-08

作者郵箱：jrn844@126.com

本文編輯 袁雋玲