CN101441831A - 基于力反馈的虚拟手术仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于力反馈的虚拟手术仿真系统，属虚拟手术仿真系统。本发明包括单自由度机械手、控制电路和电源，其中单自由度机械手包括机械臂、力矩电机、位置传感器、力传感器、电机支撑盘、底盘，控制电路包括信号调理电路、数据采集卡、碰撞检测模块、软组织形变计算模块、显示模块、反馈力计算模块、单片机及其外围电路和电机驱动电路。本发明利用各种传感器信息反馈，通过人机交互设备，建立和理解操作者和任务交互的环境模型，提供直观友好的人机界面，手术精确性和可靠性高，患者和系统安全；实时显示手术过程，减少了手术失误。

Description

基于力反馈的虚拟手术仿真系统

技术领域

本发明涉及一种虚拟手术仿真系统，尤其涉及一种基于力反馈的虚拟手术仿真系统。

背景技术

在传统的外科手术中，一方面医生要经过足够长时间的训练才能熟练掌握，另一方面，在通常情况下，靠尸体练习的方法，不仅价格昂贵，而且由于尸体和活体存在较大的差别，进行手术训练的效果也不是很好。而在虚拟手术仿真系统中，医务人员可以沉浸于计算机生成的虚拟手术环境内，通过虚拟手术仿真器体验和学习如何进行各种手术，并培养应付各种突发情况的能力。医生可以根据自己的需要重复进行各种必要的操作训练，并可以得到根据专家经验建立的专家手术系统的指导，这样大大节约了培训医务人员的费用和培训时间，从而达到迅速提高学习者的手术技能的目的；采用手术仿真系统可以加强手术操作训练，使得医生培训的时间大为缩短，并能大大降低训练费用；使得手术过程变得更加安全与快捷。

由于缺乏专用的虚拟手术仿真器，人们不得不利用现有的用于虚拟现实系统的力反馈装置作为虚拟手术仿真器使用。目前应用较多的是美国Sensible公司的PHANTOM以及3DImmersion公司的CyberForce。虽然PHANTOM和CyberForce等力反馈装置可以作为虚拟手术仿真器使用，但是由于这些设备价格昂贵，而且在外形和操作方式上都与实际的手术器械差别很大，因而难以满足虚拟外科手术系统的需要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的缺陷提出一种基于力反馈的虚拟手术仿真系统。

本发明基于力反馈的虚拟手术仿真系统，包括单自由度机械手、控制电路和电源，其中单自由度机械手包括机械臂、力矩电机、位置传感器、力传感器、电机支撑盘、底盘，控制电路包括信号调理电路、数据采集卡、碰撞检测模块、软组织形变计算模块、显示模块、反馈力计算模块、单片机及其外围电路和电机驱动电路；其中力矩电机固定于电机支撑盘的上、下支撑盘之间，位置传感器装设于力矩电机的转轴下部，电机支撑盘的下支撑盘与底盘固定，电机支撑盘的上支撑盘与机械臂的一端固定，力传感器固定于机械臂的另一端；位置传感器的输出端、力传感器的输出端分别与信号调理电路的输入端连接，信号调理电路的输出端依次串联数据采集卡、碰撞检测模块后分别与软组织形变计算模块的输入端、反馈力计算模块的输入端连接，软组织形变计算模块的输出端分别接显示模块的输入端、反馈力计算模块的输入端，反馈力计算模块的输出端依次串接单片机及其外围电路、电机驱动电路后与力矩电机的输入端连接；电源分别与单自由度机械手、控制电路电连接。

本发明基于力反馈的虚拟手术仿真系统，(1)实现了力觉反馈：采用基于力和位置反馈的传感和结构，利用直流力矩电机产生与人手的交互作用力和实现运动控制，力和位置等信息可以传送给操作者，使操作者具有实时力觉，从而使得医生具有临场感，本发明不但可以针对肝脏插针，也可以应用到其它软组织插针动作仿真训练上。(2)在碰撞检测模块采用AABB包围盒方法，可以实现快速地碰撞检测。(3)采用基于四面体模型：在手术仿真中用有限元数值方法计算产生满足真实感和实时性要求的插针和形变效果；实现手术器械与软组织的相互作用及人体软组织器官在手术器械插针、碰撞等条件下变形。虚拟外科手术仿真系统可以使医务工作者沉浸于虚拟的场景内，体验并学习如何应付各种临床手术的实际情况，可以通过视、触觉感知甚至听觉学习各种手术经验和实例对年轻医生特别是小医院、边远地区医院的医生进行培训，这对提高医学教育与训练的效率和质量以及改善我国医学手术水平发展不平衡的现状有着非常重大的意义。

附图说明

图1是本发明系统框图；

图2是本发明单自由度机械手机械臂结构示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示。本发明基于力反馈的虚拟手术仿真系统，包括单自由度机械手、控制电路和电源，其中单自由度机械手包括机械臂1、力矩电机2、位置传感器3、力传感器4、电机支撑盘5、底盘6，控制电路包括信号调理电路7、数据采集卡8、碰撞检测模块9、软组织形变计算模块10、显示模块11、反馈力计算模块12、单片机及其外围电路13和电机驱动电路14；其中力矩电机2固定于电机支撑盘5的上、下支撑盘之间，位置传感器3装设于力矩电机2的转轴下部，电机支撑盘5的下支撑盘与底盘6固定，电机支撑盘5的上支撑盘与机械臂1的一端固定，力传感器4固定于机械臂1的另一端；位置传感器3的输出端、力传感器4的输出端分别与信号调理电路7的输入端连接，信号调理电路7的输出端依次串联数据采集卡8、碰撞检测模块9后分别与软组织形变计算模块10的输入端、反馈力计算模块12的输入端连接，软组织形变计算模块10的输出端分别接显示模块11的输入端、反馈力计算模块12的输入端，反馈力计算模块12的输出端依次串接单片机及其外围电路13、电机驱动电路14后与力矩电机2的输入端连接；电源分别与单自由度机械手、控制电路电连接。

当进行手术仿真时，外科医生抓单自由度力反馈机械手提供一个新的坐标位置时，通过数据采集卡8采集位置信息传输到碰撞检测模块9，碰撞检测模块9会检测出手术器械和可变形体是否发生了碰撞及碰撞位置坐标；然后将位置信息提交给反馈力计算模块12和软组织形变计算模块10；反馈力计算模块12将计算出的力依次经过单片机及其外围电路13、电机驱动电路14传输到力矩电机2以驱动单自由度力反馈机械手；软组织形变计算模块10将变形体重绘并显示到显示设备11上，以实现手术插针动作仿真。

Claims (1)

1.一种基于力反馈的虚拟手术仿真系统，其特征在于包括单自由度机械手、控制电路和电源，其中单自由度机械手包括机械臂(1)、力矩电机(2)、位置传感器(3)、力传感器(4)、电机支撑盘(5)、底盘(6)，控制电路包括信号调理电路(7)、数据采集卡(8)、碰撞检测模块(9)、软组织形变计算模块(10)、显示模块(11)、反馈力计算模块(12)、单片机及其外围电路(13)和电机驱动电路(14)；其中力矩电机(2)固定于电机支撑盘(5)的上、下支撑盘之间，位置传感器(3)装设于力矩电机(2)的转轴下部，电机支撑盘(5)的下支撑盘与底盘(6)固定，电机支撑盘(5)的上支撑盘与机械臂(1)的一端固定，力传感器(4)固定于机械臂(1)的另一端；位置传感器(3)的输出端、力传感器(4)的输出端分别与信号调理电路(7)的输入端连接，信号调理电路(7)的输出端依次串联数据采集卡(8)、碰撞检测模块(9)后分别与软组织形变计算模块(10)的输入端、反馈力计算模块(12)的输入端连接，软组织形变计算模块(10)的输出端分别接显示模块(11)的输入端、反馈力计算模块(12)的输入端，反馈力计算模块(12)的输出端依次串接单片机及其外围电路(13)、电机驱动电路(14)后与力矩电机(2)的输入端连接；电源分别与单自由度机械手、控制电路电连接。

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