力反馈

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近几年研发出来的虚拟手术系统,为医生提供一个虚拟的3D环境以及可交互操作平台,逼真的模拟临床手术的全过程。与传统的手术教学相比,虚拟手术具有无损伤性、可重复性和可指定性等优点。但是,该领域的大部分研究仅限于仿真的可视化阶段,由于缺乏触觉效果,医生在虚拟环境下完成的手术与临床环境差别很大。为了解决上述难题,力反馈概念引入虚拟手术系统,通过对手术器械和软组织等形变过程进行实时数值计算,模拟出软组织的变形情况和器械受力状态,并通过外接的力反馈输出设备,使医生在手术操作中,感知到反馈力的存在,更好的达到临床手术的训练效果。

力反馈

力反馈关注的问题

一般而言,如果手术器械未侵蚀(刺入或切割)皮肤等软组织,它们相互间的作用力可分为两种:手术器械对软组织表面的正压力和对其相对运动产生的切向力(摩擦力)。为了更加真实的模拟出反馈力的效果,必须解决以下两方面的科学难题:1)建立介入器械与软组织作用的力学模型。目前,由于建模简单和计算量小的特点,虚拟手术中力反馈的计算大多采用弹簧阻尼模型,即根据手术器械侵入软组织的深度和速度,计算出末端反馈力的大小。2)设计数值模拟算法,实时模拟软组织的形变情况和器械末端的受力状态。质点弹簧模型是将软组织离散为一组以弹簧相连的质点网格,根据弹簧的弹性系数计算出软组织形变效果。由于质点弹簧模型和有限元模型自身存在的缺点,这两种方法很难应用于虚拟手术反馈力的计算。

 

 

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