面向機(jī)器人輔助腹腔鏡虛擬手術(shù)的碰撞檢測(cè)算法研究.pdf

1、近年來,機(jī)器人輔助虛擬手術(shù)的不斷發(fā)展使其在醫(yī)療領(lǐng)域的重要性日益凸顯。機(jī)器人輔助腹腔鏡虛擬手術(shù)對(duì)醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)方案的設(shè)計(jì)和手術(shù)技能的培訓(xùn)具有重要價(jià)值。在虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)中,碰撞檢測(cè)是進(jìn)行反饋力和軟體變形計(jì)算的前提,對(duì)于提高用戶的沉浸感和系統(tǒng)的逼真度具有重要意義。然而碰撞檢測(cè)算法主要集中于剛體之間的測(cè)試,包含軟組織的碰撞檢測(cè)研究較少,是虛擬手術(shù)系統(tǒng)中的瓶頸問題之一,因此開展對(duì)機(jī)器人輔助腹腔鏡虛擬手術(shù)中碰撞檢測(cè)的研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值

2、。
　　虛擬手術(shù)場(chǎng)景具有手術(shù)器械末端運(yùn)動(dòng)復(fù)雜多變和軟體組織產(chǎn)生形變兩個(gè)特點(diǎn),通過分析經(jīng)典層次包圍盒模型的優(yōu)劣,將機(jī)器人輔助虛擬手術(shù)場(chǎng)景的兩個(gè)特點(diǎn)和固定方向凸包檢測(cè)方法相結(jié)合,提出了基于可變方向凸包的碰撞檢測(cè)算法。根據(jù)空間幾何特征,設(shè)計(jì)單個(gè)可變方向凸包包圍盒的建立方法。從樹的度、構(gòu)造方式和分裂原則三個(gè)方面分別對(duì)包圍盒樹的構(gòu)造進(jìn)行分析,完成了可變方向凸包碰撞檢測(cè)器的構(gòu)建。
　　設(shè)計(jì)虛擬手術(shù)場(chǎng)景中碰撞檢測(cè)的全局策略,通過遞歸方式實(shí)

3、現(xiàn)對(duì)各節(jié)點(diǎn)相交測(cè)試函數(shù)的調(diào)用。分析包圍盒相交的充分必要條件,合理設(shè)計(jì)了兩個(gè)可變方向凸包包圍盒的相交測(cè)試方法,并對(duì)測(cè)試次序進(jìn)行闡述。對(duì)相交葉節(jié)點(diǎn)包含的基元進(jìn)行相交測(cè)試,最終獲得是否相交的結(jié)果。
　　與相交測(cè)試相比,更新包圍盒樹消耗的時(shí)間在碰撞檢測(cè)中占有很大的比重,是重點(diǎn)研究問題。根據(jù)主手運(yùn)動(dòng)參數(shù)和手術(shù)器械結(jié)構(gòu)完成了器械運(yùn)動(dòng)學(xué)的解算,設(shè)計(jì)了對(duì)象運(yùn)動(dòng)后包圍盒樹的更新方法。完成了軟組織物理模型的構(gòu)建,結(jié)合碰撞檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)軟體變形。著重研究

4、了軟體發(fā)生變形后包圍盒樹的更新,對(duì)可變方向凸包算法中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了詳細(xì)分析和闡述。
　　最后,搭建了仿真平臺(tái),設(shè)計(jì)碰撞檢測(cè)信息可視化、軟組織變形交互和可變方向凸包算法與經(jīng)典算法對(duì)比的仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明可以獲取詳細(xì)的碰撞信息,呈現(xiàn)逼真的軟組織變形效果,且提出算法在包圍盒樹的緊密性和碰撞檢測(cè)的快速性方向取得了很好的改進(jìn)效果。
　　本文提出了可變方向凸包碰撞檢測(cè)算法,將碰撞檢測(cè)的理論應(yīng)用于腹腔鏡虛擬手術(shù)系統(tǒng)中肝臟模型和手術(shù)器