机器人辅助骨科虚拟手术系统研究

论文摘要

近几年来,骨科手术机器人技术已经成为国际研究热点之一,然而,由于其操作对象是复杂的人体,对医生与手术机器人的交互技术提出了更高的要求,这是目前制约骨科手术机器人研究和发展的瓶颈问题。随着虚拟现实和虚拟增强技术的提高,机器人辅助骨科虚拟手术技术成为解决这一难题的有效途径之一。论文结合国家863计划项目和国家自然科学基金项目,针对机器人辅助骨科手术中的人机交互问题,通过虚拟现实技术、遥操作技术和现代医学图像理论,对机器人辅助骨科虚拟手术仿真中的虚拟环境图形建模、人体腿部三维形态学建模、人体腿部生物力学模型和软组织变形等关键技术进行研究,建立了机器人辅助骨科虚拟手术系统。在虚拟环境图形建模方面,首先研究了几何模型的表示方法,并针对课题实际情况和应用需求,研究了建模方案,选择了基于Pro/E建模和Java3D编程的机器人交互式图形仿真方法,建立了机器人三维几何模型和交互式虚拟场景。对导航机器人、C型臂及复位机器人分别进行了运动学建模研究。进行了碰撞检测分析研究,采用词法分析器原理,提取模型表面的近似多面体信息,用球模型表达实体,并对各种碰撞检测算法进行分析,结合八叉树算法和模型的球表达法,建立了虚拟环境下的图形碰撞检测模块。在人体腿部的三维形态学建模方面,详细讨论了基于医学CT图像的人体腿部生物组织三维几何重建问题。对CT图像进行了预处理研究,应用改进的MC重建算法、渐进网格简化算法,完成了获取医学体数据、抽取等值面、简化网格等几个方面的工作,实现了基于CT图像的人体股骨、胫骨、腿部肌肉、皮肤等组织的集合建模和共组。在人体腿部的生物力学建模方面,在给出线性弹性模型、非线性弹性模型描述生物组织变形特性理论模型的基础上,提出了建立多结构、多层次、多种材料并存的物理建模方法,完成了人体腿部各生物组织的有限元模型的建模。基于骨骼、肌肉、皮肤等组织的生物力学特性,在对外力做功、重力做功、生物组织边界条件分析的基础上,建立了生物组织运动的静态平衡方程和动态平衡方程,为生物组织变形的计算提供了理论方法。针对肌肉解剖形体复杂,难以精确建模的问题,提出了一种基于形态解剖学的新型肌肉建模方法,既考虑了肌腱的生物力学特性,又体现了肌纤维的微观解剖结构。对建立的人体腿部有限元模型进行了仿真验证,将计算后的有限元仿真数据与通过人体标本实验获得的力位数据相比较,二者的吻合性证明了建立的人体腿部有限元模型的可信性。最后,以腿部生物力学建模仿真的实现为应用实例,阐述了虚拟手术开发环境、控制界面及手术系统几种操作模式,并对虚拟系统根据功能进行了模块化分,对系统的机器人性能进行了测试研究。为了提高虚拟手术仿真系统进行实际作业的能力,提出了以BP神经网络模型来代替有限元模型,实现实时的生物力学响应。结合已有的机器人辅助接骨系统,构建了虚拟手术主从控制系统实验平台,利用并联主手输入运动信息,提供力反馈,而虚拟手术平台则负责提供视觉和计算对抗牵引力的大小,最后分别进行了力反馈实验和虚拟骨折复位手术实验。实验结果证明了基于生物信息的虚拟手术仿真系统的有效性和可用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 虚拟手术简介及其应用意义
• 1.2 虚拟手术系统发展概述及研究背景
• 1.2.1 虚拟手术系统的发展概况
• 1.2.2 人体形态学三维重建的国内外研究现状
• 1.2.3 人体生物力学建模国内外研究现状
• 1.3 虚拟手术系统构成
• 1.3.1 虚拟手术系统硬件组成
• 1.3.2 虚拟手术系统软件功能模块
• 1.4 虚拟手术研究存在问题
• 1.5 课题研究背景
• 1.6 论文主要研究内容
• 第2章 机器人辅助骨科手术虚拟环境的图形建模
• 2.1 引言
• 2.2 几何模型的表示方法
• 2.3 3D几何建模
• 2.3.1 建模方案选择
• 2.3.2 虚拟场景的生成
• 2.4 虚拟环境的运动学建模
• 2.4.1 导航机器人的运动学模型
• 2.4.2 C型臂的运动学模型
• 2.4.3 复位机器人的运动学模型
• 2.5 运动仿真中的碰撞检测
• 2.5.1 物体表达模型
• 2.5.2 机器人模型的八叉树层次球状模型构造
• 2.5.3 碰撞检测原理及算法实现
• 2.6 本章小结
• 第3章 人体腿部的三维形态学建模
• 3.1 引言
• 3.2 人体腿部的解剖结构
• 3.3 人体腿部形态学模型的重建流程
• 3.4 CT图像预处理
• 3.4.1 图像对比度增强
• 3.4.2 图像组织分割
• 3.4.3 图像填充
• 3.5 基于改进MC算法的人体腿部三维形态学建模
• 3.5.1 三维体素模型与等值面定义
• 3.5.2 MC算法原理及步骤
• 3.5.3 MC算法存在的问题及改进
• 3.5.4 基于改进的MC算法的结果及分析
• 3.6 腿部三维模型的网格简化算法研究
• 3.6.1 网格简化算法原理
• 3.6.2 网格简化算法结果
• 3.7 本章小结
• 第4章 人体腿部的生物力学建模
• 4.1 引言
• 4.2 骨骼组织的有限元模型
• 4.2.1 三维线弹性物理模型
• 4.2.2 线弹性模型的有限元计算
• 4.2.3 腿部骨骼组织的有限元模型
• 4.3 肌肉及其它软组织的有限元模型
• 4.3.1 非线性弹性物理模型
• 4.3.2 非线性弹性模型的有限元分析
• 4.3.3 肌肉及其它软组织的有限元模型
• 4.4 生物组织的有限元分析
• 4.4.1 材料变形的平衡等式
• 4.4.2 准静态模型的有限元分析
• 4.4.3 动态模型的有限元分析
• 4.5 人体腿部有限元模型的仿真及验证
• 4.5.1 有限元模型的材料属性及边界载荷条件
• 4.5.2 仿真结果及验证分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 虚拟手术主从控制实验系统建立及仿真实验
• 5.1 引言
• 5.2 虚拟操作环境框架结构
• 5.2.1 系统开发环境及控制界面
• 5.2.2 系统功能模块划分
• 5.2.3 虚拟手术环境的几种操作模式
• 5.3 虚拟手术系统机器人性能测试研究
• 5.3.1 主从操作实验
• 5.3.2 并联主手监控实验
• 5.4 虚拟手术系统模拟手术操作的实验研究
• 5.4.1 基于BP神经网络组织变形仿真的分析与设计实现
• 5.4.2 主从控制实验系统的建立及力反馈实验
• 5.4.3 骨折模拟复位实验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1
• 攻读学位期间发表的学术论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历