导管介入手术中虚拟现实技术与主从控制研究

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1、中图分类号：TP242论文编号：102870515-S103学科分类号：080202硕士学位论文导管介入手术中虚拟现实技术与主从控制研究研究生姓名郭云鹏学科、专业机械电子工程研究方向智能机器人指导教师陈柏教授南京航空航天大学研究生院机电学院二О一五年三月INanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofMechanicalandElectricalEngineeringResearchonVirtualRealityandMaster-slaveControlwithinCat

2、heterInterventionalSurgeryAThesisinMechanicalandElectricalEngineeringbyGuoYunpengAdvisedbyProf.ChenBaiSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2015II南京航空航天大学硕士学位论文承诺书本人声明所呈交的博/硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研

3、究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：III导管介入手术中的虚拟现实技术与主从控制研究本学位论文的主要研究内容受以下基金项目资助国家自然科学基金资助项目项目批准号：51075209江苏省自然科学基金资助项目项目批准号：BK2012798江苏省产学研联合创新资金--前瞻性联合研究项目项目批准号：BY2012011,BK2013003-10南京市科委

4、产学研计划项目批准号：201204014上海市科委科技计划项目项目批准号：124119a3900上海交大医工交叉项目项目批准号：YG2011MS08IV南京航空航天大学硕士学位论文摘要相对于传统手术，微创介入手术具有治疗快，创伤小，成本低等优点，因此被广泛应用到心血管等疾病的诊断与治疗当中。然而，当前的介入手术操作存在着操作难度高，控制方式单一，反馈信息缺失以及手术训练成本高、效果差等问题，针对这些不足，本文对导管介入手术中的虚拟现实技术和主从控制技术进行了深入的研究和分析。本文设计了一套含力/触觉反馈的主从控制导管介入手术系统，系统由虚拟手术子系统和主从控制子系统组成

5、。虚拟系统中通过加入力/触觉反馈使操作者在进行手术训练以及实际手术中能够具有更好的临场感，主从控制的实现方式使得医生能够从具有强辐射的手术场所解放出来，降低了手术操作的技术门槛。为了实现虚拟系统中力/触觉反馈与形变效果，本文分别从柔性体建模，碰撞检测以及力反馈实现三个方面进行分析。通过分析人体软组织的生物材料特性，本文将软组织器官的物理模型简化为粘弹性模型，在分析和总结了弹簧-质点模型，有限元模型以及边界元模型等常用的物理模型建模方法之后，本文提出了一种基于弹簧-质点模型的骨架球弹簧模型，用于对虚拟软组织器官的物理模型构建；通过总结和对比经典包围盒算法，球包围盒、AAB

6、B包围盒、OBB包围盒以及K-DOPs包围盒的各自特征和适用范围，本文设计了一种基于球包围盒且适用于骨架球弹簧物理模型的碰撞检测算法；根据骨架球弹簧模型，建立了虚拟反馈力的计算模型，并推导出了虚拟血管的形变计算公式。在主从控制的实现中，本文针对主动导管的绳驱动单元结构分析了其运动学，分别采用空间点对点的映射模型和增量式映射模型建立了主从映射关系，为了减弱由于不可避免的人手抖动带来的主从控制精度的降低，本文设计了一款基于加权的递推均值数字滤波器对人手抖动进行消除。基于理论分析，本文借助Falcon作为虚拟力反馈的触觉设备以及主从控制的主手，PMAC卡作为运动控制卡，在Vi

7、sualC++平台上以及OpenGL和Chai3D函数库的辅助下，组建了系统样机并进行实验，实验结果说明了虚拟反馈的逼真性以及主从控制的有效性。关键词：导管介入手术，虚拟现实，力反馈，主从控制，抖动消除V导管介入手术中的虚拟现实技术与主从控制研究ABSTRACTComparedtothetraditionalsurgery,minimallyinvasivesurgeryhasadvantagessuchasfasttreatment,lesstraumaandlowcost,whichmakesitbroadlyusedinthedia