[發明專利]腹腔微創外科機器人虛擬手術方法

在審

• 申請號: 201810930352.5
• 申請日: 2018-08-15
• 公開（公告）號: CN109009434A
• 公開（公告）日: 2018-12-18
• 發明（設計）人: 張峰峰;吳昊;陳軍;孫立寧
• 申請（專利權）人: 蘇州大學張家港工業技術研究院;蘇州大學
• 主分類號: A61B34/10
• 分類號: A61B34/10
• 代理公司: 蘇州市中南偉業知識產權代理事務所(普通合伙) 32257
• 代理人: 馮瑞;楊慧林

本發明公開了一種腹腔微創外科機器人虛擬手術方法，它包括以下步驟：a.搭建虛擬手術仿真平臺，包括設計具有平行四邊形遠心定位機構的機器人模型，通過力反饋設備對虛擬機器人的操作控制；b.建立手術對象的物理模型，進行力平衡計算，實現手術對象按壓變形和夾持變形的仿真操作和力覺交互；c.建立手術對象的網格模型，手術對象切割仿真；d.利用彈簧模型建立縫合線，縫合線打結模擬；e.通過分析縫合線在與軟組織交互過程中所涉及到的摩擦力和張力，實現了手術對象的縫合模擬過程。本發明腹腔微創外科機器人虛擬手術方法，能夠對手術進行全程模擬仿真，精確度高，實時性強。

技術領域

本發明涉及一種腹腔微創外科機器人虛擬手術方法。

背景技術

虛擬現實技術是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統。它以計算機技術為核心，結合多種相關技術，生成一個在視覺、聽覺以及觸覺等高度近視的交互式環境，給使用者提供一種身臨其境的感覺，可以沒有限制的觀察三維空間內的事物。

虛擬手術是虛擬現實技術在醫學領域的一個典型應用。它作為一種新的研究方向，是一種集生物力學、機械學、醫學、機器人等諸多學科為一體的新型研究領域。虛擬手術是從醫學影像數據出發，在計算機中建立一個虛擬手術環境，然后構建人體組織模型，并利用力觸覺交互設備與之進行交互操作的一種手術系統。醫生可以利用虛擬手術環境中的信息進行手術規劃、手術培訓，手術預演以及在實際手術過程中引導手術等。

微創外科手術機器人已經成為醫療機器人領域的研究熱點，它把傳統醫療器械與信息技術、機器人技術結合在一起，使外科診斷與治療達到了微創化、微型化、智能化和數字化。與傳統手術相比，微創手術機器人具有顯著的優勢：微創機器人手術能夠改善醫生的工作模式，讓醫生在進行手術時更靈巧、更方便、更精準，甚至能讓兩個不同領域的外科醫生同時進行兩個相關的手術；另外，即使長時間的手術操作，微創手術機器人也不會像人手那樣因為疲憊而顫抖，大大提高了手術質量，延長了外科醫生的職業壽命；微創外科機器人手術創口僅在1厘米左右，大大減少了患者的失血量及術后疼痛，且病人復原快，大腸和胃臟的傷口愈合只需五至七天，皮膚的傷口則一兩天就好，膽囊在手術后的愈合速度更快。以上優點使得機器人成為醫生最好的助手。

盡管如此，當前的外科機器人手術與傳統的微創手術相比還是存在一些明顯的缺陷。醫生不能直接觀察手術區域的環境，只能通過內孔鏡獲取病灶信息，并根據內窺鏡反饋的信息，控制手術器械對病灶進行手術操作。與傳統微創手術相比，手術器械的活動區域有限，醫生只能控制外科手術機器人在很小的區域內進行手術操作，這些都對外科醫生提出了更高的要求。因此外科醫生若想熟練掌握這種新型的手術方式，必須經過長期的培訓，目前除了動物和尸體外，沒有更好的訓練對象。但是運用動物作為手術訓練對象，一方面，動物和人體的解剖結構不同，另一方面也會受到動物保護協會的譴責；而人的尸體又不能重復使用。

虛擬手術系統的研究正是致力于解決這些問題，為特殊的手術操作提供一個理想的訓練工具。因此虛擬手術仿真的研究具有十分重要的意義。

發明內容

為了解決以上技術問題，本發明的目的在于提出一種腹腔微創外科機器人虛擬手術方法。

為了達到上述目的，本發明提供了一種技術方案：腹腔微創外科機器人虛擬手術方法，它包括以下步驟：

a.搭建虛擬手術仿真平臺，包括設計具有平行四邊形遠心定位機構的機器人模型，對機器人模型進行運動學分析，求解遠心定位機構正運動學和逆運動學，通過力反饋設備對虛擬機器人的操作控制；

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

c.建立手術對象的網格模型，利用軸向包圍盒算法作為手術刀具與手術對象的碰撞檢測算法，并在進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行搜索，實現手術對象的切割仿真；