[發(fā)明專利]腹腔微創(chuàng)外科機(jī)器人虛擬手術(shù)方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810930352.5
• 申請日: 2018-08-15
• 公開（公告）號: CN109009434A
• 公開（公告）日: 2018-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張峰峰;吳昊;陳軍;孫立寧
• 申請（專利權(quán)）人: 蘇州大學(xué)張家港工業(yè)技術(shù)研究院;蘇州大學(xué)
• 主分類號: A61B34/10
• 分類號: A61B34/10
• 代理公司: 蘇州市中南偉業(yè)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 32257
• 代理人: 馮瑞;楊慧林

1.一種腹腔微創(chuàng)外科機(jī)器人虛擬手術(shù)方法，它包括以下步驟：

a.搭建虛擬手術(shù)仿真平臺，包括設(shè)計具有平行四邊形遠(yuǎn)心定位機(jī)構(gòu)的機(jī)器人模型，對機(jī)器人模型進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，求解遠(yuǎn)心定位機(jī)構(gòu)正運(yùn)動學(xué)和逆運(yùn)動學(xué)，通過力反饋設(shè)備對虛擬機(jī)器人的操作控制；

b.建立手術(shù)對象的物理模型，利用軸向包圍盒算法作為手術(shù)器械與手術(shù)對象之間的碰撞檢測算法，進(jìn)行力平衡計算，實(shí)現(xiàn)手術(shù)對象按壓變形和夾持變形的仿真操作和力覺交互；

c.建立手術(shù)對象的網(wǎng)格模型，利用軸向包圍盒算法作為手術(shù)刀具與手術(shù)對象的碰撞檢測算法，并在進(jìn)行碰撞檢測時采用臨近三角面片有序搜索方法，通過建立三角面片切割搜索樹進(jìn)行搜索，實(shí)現(xiàn)手術(shù)對象的切割仿真；

d.利用彈簧模型建立縫合線，進(jìn)行線模型的運(yùn)動仿真，采用模擬受力的方法實(shí)現(xiàn)碰撞響應(yīng)，通過模擬打結(jié)過程中的拉伸力、排斥力和曲度力，實(shí)現(xiàn)了縫合線的打結(jié)模擬過程；

e.通過分析縫合線在與手術(shù)對象軟組織交互過程中所涉及到的摩擦力和張力，實(shí)現(xiàn)了手術(shù)對象的縫合模擬過程。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腹腔微創(chuàng)外科機(jī)器人虛擬手術(shù)方法，其特征在于：所述的機(jī)器人模型包括機(jī)架和至少一條機(jī)械臂，每條所述機(jī)械臂包括通過第一滑動關(guān)節(jié)上下移動地連接在所述機(jī)架上的第一滑塊、通過第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與所述第一滑塊相轉(zhuǎn)動連接的第一桿件、通過第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與所述第一桿件相轉(zhuǎn)動連接的第二桿件、通過第三旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與所述第二桿件相轉(zhuǎn)動連接的第三桿件、通過第四旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與所述第三桿件相樞轉(zhuǎn)連接的樞轉(zhuǎn)件、通過第五旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與所述樞轉(zhuǎn)件相轉(zhuǎn)動連接的第一連桿、通過第六旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與所述第一連桿相轉(zhuǎn)動連接的第二連桿、通過第七旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與所述第二連桿相轉(zhuǎn)動連接的第三連桿、通過第二滑動關(guān)節(jié)與所述第三連桿相移動連接的第二滑塊，所述第二滑塊連接手術(shù)器械，所述的第一連桿、第二連桿、第三連桿構(gòu)成平行四邊形機(jī)構(gòu)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腹腔微創(chuàng)外科機(jī)器人虛擬手術(shù)方法，其特征在于：所述步驟a中搭建虛擬手術(shù)仿真平臺，還包括在虛擬手術(shù)環(huán)境中添加至少一個攝像機(jī)，通過鼠標(biāo)操作控制攝像機(jī)的位置和方向，實(shí)現(xiàn)了虛擬手術(shù)環(huán)境的移動旋轉(zhuǎn)；在控制面板上添加控制按鈕實(shí)現(xiàn)了視角的切換以及重置視覺點(diǎn)的位置。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腹腔微創(chuàng)外科機(jī)器人虛擬手術(shù)方法，其特征在于：所述步驟b中，根據(jù)質(zhì)點(diǎn)分布規(guī)律，確定力平衡計算方法，首先判斷質(zhì)點(diǎn)是否滿足受力條件，進(jìn)而計算手術(shù)器械末端到該區(qū)域內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)的距離，然后計算各個質(zhì)點(diǎn)的力，再計算出手術(shù)對象按壓變形過程中的力反饋，實(shí)現(xiàn)手術(shù)對象按壓變形的仿真操作和力覺交互。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腹腔微創(chuàng)外科機(jī)器人虛擬手術(shù)方法，其特征在于：所述步驟b中，采用質(zhì)點(diǎn)彈簧法建立手術(shù)對象的物理模型，當(dāng)夾持工具與手術(shù)對象接觸并處于夾持狀態(tài)時，判斷粘附點(diǎn)是否與夾持工具一起運(yùn)動，如果運(yùn)動，則通過單點(diǎn)力平衡計算方法進(jìn)行計算判斷該粘附點(diǎn)是否達(dá)到力平衡狀態(tài)；當(dāng)該粘附點(diǎn)達(dá)到力平衡狀態(tài)后，再通過單點(diǎn)力平衡計算方法進(jìn)行計算判斷該粘附點(diǎn)周圍的質(zhì)點(diǎn)是否達(dá)到力平衡狀態(tài)；當(dāng)周圍的質(zhì)點(diǎn)都處于各自的單點(diǎn)力平衡狀態(tài)后，再求取這幾個點(diǎn)此時所受的鄰點(diǎn)合力，如果這幾個點(diǎn)都在整體力平衡允許誤差范圍內(nèi)，則認(rèn)為該系統(tǒng)處于力平衡狀態(tài)；然后進(jìn)行力反饋計算，采集夾持工具頂點(diǎn)與手術(shù)對象軟組織表面接觸點(diǎn)的位置信息和夾持工具頂點(diǎn)的實(shí)際位置信息，在手術(shù)對象夾持變形操作仿真時，夾持工具在對仿真模型進(jìn)行夾持操作，粘附點(diǎn)隨夾持工具運(yùn)動，手術(shù)對象模型發(fā)生變形，通過變形前質(zhì)點(diǎn)的位置與變形后質(zhì)點(diǎn)的位置構(gòu)成的矢量，得到彈簧的形變量，根據(jù)設(shè)置的彈簧系數(shù)計算出虛擬力反饋的大小和方向，實(shí)現(xiàn)手術(shù)對象夾持變形的仿真操作和力覺交互。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的腹腔微創(chuàng)外科機(jī)器人虛擬手術(shù)方法，其特征在于：所述的單點(diǎn)力平衡計算方法包括：b1.假設(shè)該點(diǎn)周圍的質(zhì)點(diǎn)固定不動，計算該點(diǎn)受到的鄰點(diǎn)合力，然后求取在該力的作用下，該點(diǎn)移動位移的大小，此時再次計算該粘附點(diǎn)受到的鄰點(diǎn)合力，如果該力的大小在單點(diǎn)力平衡允許的誤差范圍內(nèi)，則認(rèn)為該點(diǎn)達(dá)到了力平衡狀態(tài)；b2.如果不在允許誤差范圍內(nèi)，則還要求取該合力下該點(diǎn)的位移，再將該點(diǎn)沿合力方向移動相應(yīng)位移，并重復(fù)步驟b1，直到該點(diǎn)在某處受到合力的大小在允許誤差范圍內(nèi)，則該點(diǎn)達(dá)到力平衡狀態(tài)。