[发明专利]腹腔微创外科机器人虚拟手术方法

说明书

本发明公开了一种腹腔微创外科机器人虚拟手术方法，它包括以下步骤：a.搭建虚拟手术仿真平台，包括设计具有平行四边形远心定位机构的机器人模型，通过力反馈设备对虚拟机器人的操作控制；b.建立手术对象的物理模型，进行力平衡计算，实现手术对象按压变形和夹持变形的仿真操作和力觉交互；c.建立手术对象的网格模型，手术对象切割仿真；d.利用弹簧模型建立缝合线，缝合线打结模拟；e.通过分析缝合线在与软组织交互过程中所涉及到的摩擦力和张力，实现了手术对象的缝合模拟过程。本发明腹腔微创外科机器人虚拟手术方法，能够对手术进行全程模拟仿真，精确度高，实时性强。

技术领域

本发明涉及一种腹腔微创外科机器人虚拟手术方法。

背景技术

虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统。它以计算机技术为核心，结合多种相关技术，生成一个在视觉、听觉以及触觉等高度近视的交互式环境，给使用者提供一种身临其境的感觉，可以没有限制的观察三维空间内的事物。

虚拟手术是虚拟现实技术在医学领域的一个典型应用。它作为一种新的研究方向，是一种集生物力学、机械学、医学、机器人等诸多学科为一体的新型研究领域。虚拟手术是从医学影像数据出发，在计算机中建立一个虚拟手术环境，然后构建人体组织模型，并利用力触觉交互设备与之进行交互操作的一种手术系统。医生可以利用虚拟手术环境中的信息进行手术规划、手术培训，手术预演以及在实际手术过程中引导手术等。

微创外科手术机器人已经成为医疗机器人领域的研究热点，它把传统医疗器械与信息技术、机器人技术结合在一起，使外科诊断与治疗达到了微创化、微型化、智能化和数字化。与传统手术相比，微创手术机器人具有显著的优势：微创机器人手术能够改善医生的工作模式，让医生在进行手术时更灵巧、更方便、更精准，甚至能让两个不同领域的外科医生同时进行两个相关的手术；另外，即使长时间的手术操作，微创手术机器人也不会像人手那样因为疲惫而颤抖，大大提高了手术质量，延长了外科医生的职业寿命；微创外科机器人手术创口仅在1厘米左右，大大减少了患者的失血量及术后疼痛，且病人复原快，大肠和胃脏的伤口愈合只需五至七天，皮肤的伤口则一两天就好，胆囊在手术后的愈合速度更快。以上优点使得机器人成为医生最好的助手。

尽管如此，当前的外科机器人手术与传统的微创手术相比还是存在一些明显的缺陷。医生不能直接观察手术区域的环境，只能通过内孔镜获取病灶信息，并根据内窥镜反馈的信息，控制手术器械对病灶进行手术操作。与传统微创手术相比，手术器械的活动区域有限，医生只能控制外科手术机器人在很小的区域内进行手术操作，这些都对外科医生提出了更高的要求。因此外科医生若想熟练掌握这种新型的手术方式，必须经过长期的培训，目前除了动物和尸体外，没有更好的训练对象。但是运用动物作为手术训练对象，一方面，动物和人体的解剖结构不同，另一方面也会受到动物保护协会的谴责；而人的尸体又不能重复使用。

虚拟手术系统的研究正是致力于解决这些问题，为特殊的手术操作提供一个理想的训练工具。因此虚拟手术仿真的研究具有十分重要的意义。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明的目的在于提出一种腹腔微创外科机器人虚拟手术方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种技术方案：腹腔微创外科机器人虚拟手术方法，它包括以下步骤：

a.搭建虚拟手术仿真平台，包括设计具有平行四边形远心定位机构的机器人模型，对机器人模型进行运动学分析，求解远心定位机构正运动学和逆运动学，通过力反馈设备对虚拟机器人的操作控制；

b.建立手术对象的物理模型，利用轴向包围盒算法作为手术器械与手术对象之间的碰撞检测算法，进行力平衡计算，实现手术对象按压变形和夹持变形的仿真操作和力觉交互；

c.建立手术对象的网格模型，利用轴向包围盒算法作为手术刀具与手术对象的碰撞检测算法，并在进行碰撞检测时采用临近三角面片有序搜索方法，通过建立三角面片切割搜索树进行搜索，实现手术对象的切割仿真；