基于力反馈的机器人微创手术仿真系统技术方案

基于力反馈的机器人微创手术仿真系统，涉及一种计算机虚拟仿真系统。本发明专利技术针对机器人微创手术的研究现状以及现有仿真技术存在的问题和不足而设计。本发明专利技术中的数据库模块用于存储医学影像原始数据、机器人微创手术器械模型数据和运动约束信息；图像处理模块用于将数据库模块中的影像数据转换成三维体数据；物理建模模块用于根据三维体数据构建几何模型；力反馈模块用于根据几何模型以及力反馈感知设备输出的参数计算出反馈力的大小和方向，并输出反馈力数据给力反馈感知设备，进而使操作者通过该力反馈感知设备感受到力；图形渲染模块用于根据力反馈模块发送的碰撞信息和数据库模块所发送的机器人运动信息获得渲染后的图像信息并输出。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种计算机虚拟仿真系统，特别涉及一种基于力反馈的机器人微创手术仿真系统。
技术介绍
近年来，da Vinci等微创手术机器人系统逐渐应用于临床，它将传统医疗器械与信息技术、机器人技术相结合，使外科诊断与治疗达到了微创化、微型化、智能化。微创手术机器人与传统手术相比具有显著优势首先机器人改善医生的工作模式，规范手术操作，提高手术质量，对微创手术发展与普及具有重要推动作用；另外，机器人没有人类的疲惫感和生理限制、不受外界刺激，工作幅度可以设计的很小，执行操作的精度高、操作灵活，延伸了医生手、眼的操作能力，消除了人手的固有颤抖，延长了外科医生的职业寿命。机器人本身不怕受射线辐射。这些优点使得机器人成为医生的最好助手。然而，微创手术机器人也有其需要克服的隐患。与传统手术相比，机器人手术中， 操作者无法直接观察手术部位，医生的手眼协调困难，手术器械的活动范围也不像传统手术，手术需要在非常小的空间里完全依靠窥镜来判断病灶，并操作各种复杂的手术器械来切除病灶和缝合伤口，因此，精确度难以提高，双手轻微抖动之类的人为因素也无法排除， 这也为医生提出了更高的要求。不经过训练，外科医生很难胜任这种新型的手术方式。但是，传统的训练和培训，除了使用尸体和动物外，没有更好的训练和模拟手段。运用动物进行培训，一方面，动物的解剖结构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，而人的尸体又是不能多次使用的。如果将微创手术机器人的特点与虚拟手术技术相结合，研发出一套机器人微创手术仿真系统，则可以解决上述问题。该项技术从医学图像数据出发，在计算机中模拟出人体器官模型，创造虚拟医学环境和虚拟手术机器人，并模拟机器人辅助的微创手术过程。需要综合应用了医学、计算机图形学、生物力学、机械力学、材料学等多门学科。随着微创手术机器人技术的不断发展和临床应用的日益广泛，未来需要大量的医生接受微创手术机器人手术技术的训练。因此，基于微创手术机器人的虚拟手术系统已经成为一个新颖而迫切的研究方向。目前，类似系统十分少见，东京慈惠会医科大学和香港中文大学基于达芬奇手术机器人做了一些这方面的工作，取得了一定的研究成果，但是研发出的系统仍然很不成熟， 而国内基于手术机器人的手术仿真尚未广泛开展，总之国内外的这方面研究还处于起步阶段，往往存在机器人动作模拟失真、软组织变形失真、缺乏力反馈或者力反馈失真等问题。
技术实现思路
本专利技术针对机器人微创手术的研究现状，针对其目前存在的问题和不足，设计一种可以反复进行的基于力反馈的机器人微创手术仿真系统。本专利技术所述的基于力反馈的机器人微创手术仿真系统由力反馈感知设备、力反馈模块、数据库模块、图像处理模块、物理建模模块和图形渲染模块构成，力反馈模块输出控制信号给力反馈感知设备，所述力反馈感知设备输出力反馈信号给力反馈模块，力反馈模块输出碰撞信号给图形渲染模块，图像处理模块从数据库模块中读取影像数据，所述图像处理模块输出三维重建信息给物理建模模块，所述物理建模模块输出物理模型信息给力反馈模块，所述力反馈模块从数据库模块中读取运动约束信息；所述图型渲染模块也从数据库模块中读取运动约束信息；所述数据库模块用于存储医学影像原始数据、机器人微创手术器械模型数据和运动约束信息；所述图像处理模块，用于读取数据库模块中的影像数据，并将读取的影像数据转换成三维体数据；所述物理建模模块，用于读取图像处理模块的三维体数据，并根据所述三维体数据构建几何模型；所述力反馈模块，用于根据物理建模模块构建的几何模型以及力反馈感知设备输出的参数计算出反馈力的大小和方向，并对这些反馈力进行控制和补偿之后输出到力反馈感知设备，进而使操作者通过该力反馈感知设备感受到力；所述图形渲染模块，用于根据力反馈模块发送的碰撞信息和数据库模块所发送的机器人运动信息获得渲染后的图像信息，并实现视频信息的输出。所述物理模型信息包括质点位置、弹簧弹性系数和阻尼系数。本专利技术中所述的数据库模块可以由影像数据库、机器人微创手术器械模型库和运动约束单元组成，其中影像数据库，用于存储医学影像原始数据；机器人微创手术器械模型库，用于存储微创手术机器人的部件模型和各种手术器械模型数据；运动约束单元，用于存储机器人微创手术器械模型库中存储的各个部件以及各种手术器械之间的运动学约束联结关系和运动规律。本专利技术中所述的机器人微创手术器械模型库中的模型数据中，为各个运动部件的模型赋予了不同的材质，设置不同的漫反射光。本专利技术中所述的图像处理模块可以由图像预处理单元和三维重建单元组成，其中图像预处理单元，读取数据库模块中的影像数据，并将所述影像数据进行图像预处理之后发送给三维重建单元；三维重建单元，用于采用MC算法将经图像预处理之后获得的数据进行三维重建，获得三维体数据。本专利技术中所述的力反馈模块可以由碰撞检测单元、质点位移变化计算单元、反馈力计算单元和力控制及补偿单元组成，其中碰撞检测单元，用于判断机器人的末端是否和器官发生碰撞，并在发生碰撞的情况下精确定位模型发生碰撞的位置信息，并将该碰撞的位置信息同时发送给图形渲染模块和质点位移变化计算单元；质点位移变化计算单元，用于在接收到碰撞检测单元所发送的碰撞信息时，立即计算碰撞位置的质点的位移变化信息，进而获得器官模型的形变信息，并将所述质点的位移变化信息发送给反馈力计算单元； 反馈力计算单元，用于根据质点位移变化信息计算获得反馈力的信息，并将该反馈力信息发送给力控制及补偿单元；力控制及补偿单元，用于根据力反馈信息获得力补偿信息，发送力控制信息和力补偿信息发送给力反馈感知设备。上述碰撞信息包括碰撞的方向和位置。5本专利技术中所述的图形渲染模块可以由图像渲染单元和视频输出单元组成，其中所述图像渲染单元用于创建视点、设置光照、数据读取、视窗更新、视窗销毁等图像渲染操作； 所述视频输出单元用于将图像渲染单元输出的图像信息转换成视频信息输出。本专利技术所述的基于力反馈的机器人微创手术仿真系统，基于一种微创手术机器人机构，并以真实人体的医学影像数据作为仿真环境的构建依据，具有如下显著优点1、突破了传统微创手术的训练和示教模式，避免使用任何人或者动物的标本，而且可以无限次反复使用。2、仿真系统基于一种微创手术机器人系统，仿真场景可实现机器人运动场景和人体内工作场景之间的切换，亦即可以同时实现传统微创手术仿真和机器人微创手术仿真两种工作模式。手术机器人的运动学特点和机构组成可以灵活改动，可以有效模拟真实机器人的各种运动。3、具有准确力反馈的功能，操作时可以感到与真实手术相当的力，可以有效地增强医生操作的真实感。4、利用先进的医学影像技术和计算机图像处理技术，基于真实人体的医学影像， 利用三维重建等相关技术构建脏器、病灶及整个手术区生理环境。实现了手术视野的数字化、可视化。5、可以利用某种疾病患者的影像数据进行建模，针对某种疾病设计出一种训练和教学系统，有利于外科医生进行手术教学、手术规划和预演，通过反复的训练和演示使外科医生熟悉针对某种疾病的一种机器人微创手术或普通微创手术的全部手术细节。6、软组织器官可视化模型具有人体组织的物理特性，手术器械与之相互作用时可以实现逼真的粘弹性变形。7、系统延时小，可以实现实时仿真。附图说明图1为基于力反馈的机器人微创手本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．基于力反馈的机器人微创手术仿真系统，其特征在于，它由力反馈感知设备（５）、力反馈模块（４）、数据库模块（１）、图像处理模块（２）、物理建模模块（３）和图形渲染模块（６）构成，力反馈模块（４）输出控制信号给力反馈感知设备（５），所述力反馈感知设备（５）输出力反馈信号给力反馈模块（４），力反馈模块（４）输出碰撞信号给图形渲染模块（６），图像处理模块（２）从数据库模块（１）中读取影像数据，所述图像处理模块（２）输出三维重建信息给物理建模模块（３），所述物理建模模块（３）输出物理模型信息给力反馈模块（４），所述力反馈模块（４）从数据库模块（１）中读取运动约束信息；所述图型渲染模块也从数据库模块（１）中读取运动约束信息；所述数据库模块（１）用于存储医学影像原始数据、机器人微创手术器械模型数据和运动约束信息；所述图像处理模块（２），用于读取数据库模块（１）中的影像数据，并将读取的影像数据转换成三维体数据；所述物理建模模块（３），用于读取图像处理模块（２）的三维体数据，并根据所述三维体数据构建几何模型；所述力反馈模块（４），用于根据物理建模模块（３）构建的几何模型以及力反馈感知设备（５）输出的参数计算出反馈力的大小和方向，并对这些反馈力进行控制和补偿之后输出到力反馈感知设备，进而使操作者通过该力反馈感知设备（５）感受到力；所述图形渲染模块（６），用于根据力反馈模块（４）发送的碰撞信息和数据库模块（１）所发送的机器人运动信息获得渲染后的图像信息，并实现视频信息的输出。...

【技术特征摘要】
1.基于力反馈的机器人微创手术仿真系统，其特征在于，它由力反馈感知设备(5)、力反馈模块G)、数据库模块(1)、图像处理模块O)、物理建模模块C3)和图形渲染模块(6) 构成，力反馈模块(4)输出控制信号给力反馈感知设备(5)，所述力反馈感知设备(5)输出力反馈信号给力反馈模块G)，力反馈模块(4)输出碰撞信号给图形渲染模块(6)，图像处理模块( 从数据库模块(1)中读取影像数据，所述图像处理模块( 输出三维重建信息给物理建模模块(3)，所述物理建模模块C3)输出物理模型信息给力反馈模块G)，所述力反馈模块(4)从数据库模块(1)中读取运动约束信息；所述图型渲染模块也从数据库模块 (1)中读取运动约束信息；所述数据库模块(1)用于存储医学影像原始数据、机器人微创手术器械模型数据和运动约束信息；所述图像处理模块0)，用于读取数据库模块(1)中的影像数据，并将读取的影像数据转换成三维体数据；所述物理建模模块(3)，用于读取图像处理模块O)的三维体数据，并根据所述三维体数据构建几何模型；所述力反馈模块G)，用于根据物理建模模块(3)构建的几何模型以及力反馈感知设备(5)输出的参数计算出反馈力的大小和方向，并对这些反馈力进行控制和补偿之后输出到力反馈感知设备，进而使操作者通过该力反馈感知设备(5)感受到力；所述图形渲染模块(6)，用于根据力反馈模块⑷发送的碰撞信息和数据库模块⑴所发送的机器人运动信息获得渲染后的图像信息，并实现视频信息的输出。2.根据权利要求1所述的基于力反馈的机器人微创手术仿真系统，其特征在于，所述物理模型信息包括质点位置、弹簧弹性系数和阻尼系数。3.根据权利要求1所述的基于力反馈的机器人微创手术仿真系统，其特征在于，所述数据库模块(1)由影像数据库(1-1)、机器人微创手术器械模型库(1- 和运动约束单元 (1-3)组成，其中影像数据库(1-1)，用于存储医学影像原始数据；机器人微创手术器械模型库(1-2)，用于存储微创手术机器人的部件模型和各种手术器械模型数据；运动约束单元(1-3)，用于存储机器人微创手术器械模型库(1-2)中存储的各个部件以及各种手术器械之间的运动学约束联结关系和运动规律。4.根据权利要求3所述的基于力反馈的机器人微创手术仿真系统，其特征在于，所述机器人微创手术器械模型库(1- 中的模型数据中，为各个运动部件的模型赋予了不同的材质，设置不同的漫反射光。5.根据权利要求1所述的基...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜志江，吴冬梅，闫志远，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93