虚拟膝关节镜手术交互装置设计及系统研发

论文摘要

内窥镜手术的发展为外科手术带来了革命性的改变,由于内窥镜手术微创的特性,使得越来越多的患者选择内窥镜手术作为主要的治疗手段。随着内窥镜手术社会需求的增大,对熟练操作内窥镜手术医生的需求也与日俱增。然而由于内窥镜手术的特性,培养和训练合格的医生往往存在很大的困难。本文针对膝关节镜手术,基于虚拟现实技术和虚拟显示软件,采用传感器和数据采集卡的方法,建立一套逼真和稳定运行的交互装置系统,模拟膝关节镜手术的操作过程。论文主要从以下几个方面进行分析和研究：(1)对膝关节镜手术的自由度进行深入分析,设计和构建一套用于模拟膝关节镜手术的硬件交互装置。在此基础上进行进一步的需求分析和结构改进,最终开发出一套符合模块化设计思想,并且可以通用于所有内窥镜手术的硬件交互装置。(2)针对数据采集系统进行功能模块分析,结合数据采集速率和精度的要求,确定传感器和数据采集卡的选型,实现数据采集系统硬件模块设计。在硬件模块的基础上,深入分析数据采集卡的软件功能,确定多通道数据采集的软件功能模块。(3)对交互控制进行理论分析,建立数学模型。在模块分析的基础上进行结合于虚拟膝关节镜手术的数据采集系统开发,通过一系列的关键技术研发,最终实现多通道数据采集系统。(4)利用虚拟现实软件,结合编程开发工具,设计出一套虚拟膝关节镜手术系统。此系统用于模拟内窥镜手术操作中,关节腔内的各种组织结构的情况。此系统具有交互式特性,可以引导使用者进行各种操作,并且可以在系统中进行知识的浏览和学习。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• CONTENTS
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景和意义
• 1.2 虚拟医疗与人机交互
• 1.2.1 虚拟医疗
• 1.2.2 人机交互技术
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 1.5 课题来源
• 1.6 本文的章节安排
• 第二章 虚拟膝关节镜手术硬件交互装置设计
• 2.1 膝关节镜手术及要点
• 2.1.1 膝关节镜手术过程
• 2.1.2 手术器械操作要点
• 2.2 适用膝关节镜交互装置结构设计
• 2.2.1 手术器械自由度分析
• 2.2.2 自由度分析设计
• 2.2.3 交互装置总体结构设计
• 2.3 通用型关节镜交互装置结构设计
• 2.3.1 多位置点手术操作
• 2.3.2 四连杆机构
• 2.3.3 通用型交互装置结构方案
• 2.4 交互装置模块化改进
• 2.4.1 开发的目的和意义
• 2.4.2 交互装置模块化结构方案
• 2.5 交互装置数字化样机设计
• 2.5.1 常用仿真动作设计
• 2.5.2 非常规动作设计
• 2.5.3 自动演示仿真动作设计
• 2.6 本章小结
• 第三章 交互装置数据采集模块设计
• 3.1 数据采集模块总体设计
• 3.1.1 数据采集模块需求分析
• 3.1.2 基于交互装置的数据采集模块总体设
• 3.2 基于交互装置的传感器模块设计
• 3.2.1 角位移传感器选型
• 3.2.2 直线位移传感器选型
• 3.3 基于数据采集的硬件模块设计
• 3.3.1 PCI-1711数据采集卡
• 3.3.2 数据采集卡安装与配置
• 3.3.3 数据采集卡信号连接机制
• 3.4 基于数据采集卡的软件模块设计
• 3.4.1 数据采集机制
• 3.4.2 基于DLL驱动的软件编程
• 3.4.3 基于ActiveDAQ的软件编程
• 3.5 本章小结
• 第四章 交互装置数据采集系统开发
• 4.1 交互控制理论可行性研究
• 4.1.1 几何空间的三维变换
• 4.1.2 交互控制数学模型建立
• 4.2 数据采集系统设计
• 4.2.1 数据采集控制面板界面集成
• 4.2.2 多路数据采集控件命各设计
• 4.2.3 数据采集驱动模块
• 4.3 数据采集关键技术研究
• 4.3.1 数据采集转换算法及关键代码
• 4.3.2 硬件控制接口设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 虚拟膝关节镜手术训练系统
• 5.1 系统总体框架概述
• 5.1.1 系统的设计目的
• 5.1.2 系统总体框架
• 5.1.3 系统功能及需求
• 5.2 开发平台简介
• 5.2.1 EON Studio概述
• 5.2.2 EON Studio版本选择
• 5.2.3 EON Studio模型导入
• 5.3 虚拟游离体摘除手术训练系统
• 5.3.1 用户界而设计
• 5.3.2 EON Studio的通信机制
• 5.3.3 软件仿真功能的实现
• 5.3.4 交互控制功能的实现
• 5.4 本章小结
• 总结与展望
• 全文总结
• 展望与设想
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢