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具有触觉力反馈外科虚拟手术刀设计与实现
2010年11月1日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:付玉锦,  原 魁,  杜清秀,  宋卫国
    单位:中科院自动化研究所高创中心

    摘要: 本文着眼于培训外科实习医生熟悉并体验使用手术刀进行外科手术的过程,从外科医生做手术时抓持手术刀的实际情况出发,从手术力学分析入手,设计了一种基于手术刀的虚拟外科手术系统。该虚拟外科手术系统专用的仿真手术刀符合外科医生实际操作习惯,具有较好的实用性,其配套软件系统可以提供逼真的三维虚拟场景。在所建立的虚拟手术台上所做的虚拟切割实验表明,该虚拟外科手术系统可以使操作者体验到真实做手术的感觉,完全可用于外科医生的培训当中。

    虚拟外科手术是虚拟现实技术在医学领域中的重要应用,也是近年来的研究热点之一[ 1 4 ] 。借助于虚拟外科手术系统,医务人员可以沉浸于计算机生成的虚拟手术环境内,通过仿真手术器械体验和学习如何进行各种手术,并培养应付各种突发情况的能力。医生可以根据自己的需要重复进行各种必要的操作训练,并可以得到根据专家经验建立的专家手术系统的指导,这大大节约了培训医务人员的费用和时间,从而达到迅速提高学习者的手术技能的目的。

    在众多的手术器械当中,手术刀无疑是应用最为广泛的一种,它几乎是在外科手术操作过程中,在组织或器官上造成切口的唯一工具,而如何正确使用手术刀进行手术也成为外科实习医生必备的训练课程。本文设计了一个基于手术刀的虚拟外科手术系统,它为训练外科实习医生熟练使用手术刀进行外科手术提供了一个方便快捷的途径。

    1.  仿真手术刀设计方案
   
    仿真手术刀的设计主要考虑了设计出的仿真手术刀要在使用方式上与实际的手术刀相一致,使参加训练的医生通过虚拟外科手术系统使用该仿真手术刀时,感觉就如同使用实际的手术刀一样,这样才能更好地达到训练目的。而医生用手术刀在组织或器官上做切口时,通常采用琴弓式或握持式抓持刀柄,如图1所示,这种抓持方式有利于保持刀刃与切开的组织垂直,用力均匀,不偏不斜,一次切开皮肤及筋膜。

图1 常用手术刀抓持方式
图1 常用手术刀抓持方式

    1. 1 手术力学分析

    人的一切活动都是由大脑来控制的,医生做手术当然也不例外。医生在做手术时,假设他采用的是琴弓式方式抓持手术刀,那么手指关节将首先感觉到手术刀传来的力,然后手指将这一信息传递给大脑;与此同时,人的眼睛将其感知到的手术刀的位姿信息也传入大脑。大脑将这两方面信息经过判断和融合,然后发送命令进一步控制手臂和手腕动作,这一过程的工作原理可由图2表示。

图2 医生做手术的反馈控制系统方块图
图2 医生做手术的反馈控制系统方块图

    从上面人体机能活动的分析可以看出,医生在做手术时主要依靠两方面的信息进行操作:即人手的触觉信息和人眼睛的视觉信息。在虚拟手术系统中,视觉信息可以通过营造逼真的虚拟场景来获得,触觉信息就要借助于特定的力反馈装置来获得。医生在做手术时,手臂、手腕和手指(尤其是食指)关节上都会有力的感觉,但是手臂、手腕上的力与手指关节上的力是截然不同的。从作用上分,手臂和手腕上的力是主动的,是驱动整个手臂带动手术刀动作的力,它是利用眼睛来收集反馈信息的,由图1也可以看出这一点。而手指关节上的力是被动的,是手术刀传递给手指关节的,是医生触觉感知最直接的力。一名外科医师技能的熟练程度很大程度上就取决于对此力的把握程度上,也即所谓的“手感”,本文下面所要设计的力反馈装置就是要模拟产生这个力。由于作用的不同也决定了这两个力的支点不同,手臂、手腕上的力是以人的肩膀为支点的,而手指关节上的力是以手腕为支点的,这为仿真手术刀本体的设计提供了力学依据。

    1. 2 仿真手术刀本体的设计

    本文所设计的仿真手术刀,是在实际手术刀的基础上经过改造而得来的,这样设计的目的是为了使其尽可能地符合实际操作习惯。将实际手术刀刀柄在中部偏前处截成两段,如图3所示,其后刀柄5用螺钉6与总支架1固定在一起,而前刀柄16通过转轴17与总支架铰接,这样便使得前刀柄能够绕着转轴17做范围10°左右的旋转。牵引钢丝9的一端通过装夹螺钉10与前刀柄相连,当力反馈装置通过牵引钢丝向上拉起前刀柄的时候,操作者的食指就会感受到从手术刀前刀柄上传来的切割力。

图3 仿真手术刀结构图
图3 仿真手术刀结构图

    1—总支架 2—借力器 3—限位螺钉 4—借力支架 5—手术刀后刀柄
6—总支架与后刀柄固定螺钉(2个) 7—柔性蛇管 8—定位螺帽 9—牵引钢丝
10—装夹螺钉1 1—手术刀片 12—跟踪器用螺钉(2个) 13—三维跟踪器
14—前刀柄复位弹簧 15—弹簧定位螺钉 16—手术刀前刀柄 17—前刀柄旋转轴

    由图3不难看出,该仿真手术刀具有结构简单、约束少、活动灵活,抓持上与真实手术刀相同的优点。但同时它也有一定的缺点,由于整个仿真手术刀没有一个固定的支点,因此它只能提供给手指一个反馈力,而对于手臂的反馈力它却无能为力。但由上面手术力学分析可知,手臂上力的感知恰好是通过视觉来收集反馈信息的,这样就可以通过营造逼真的虚拟场景来弥补这一不足。实验表明,在逼真的虚拟环境配合下,该仿真手术刀确实能够提供给操作者一个接近真实的力觉感知。

    1. 3 三维跟踪的实现

    在虚拟外科手术系统中,为了实现与虚拟人体组织或器官的人机交互,必须能够实时地将虚拟手术器械的空间位置和姿态信息传送给生成虚拟视景的计算机,以便进行计算。要完成这一任务,就要借助于高精度的三维跟踪设备。基于手术刀的虚拟外科手术系统采用的是美国POLHEMUS公司的FAS2TRAK三维跟踪系统。该系统具有体积小、精度高,可以同时给出被跟踪的物体的位置和姿态信息的特点,因此非常适合于虚拟手术器械的位置和姿态跟踪。其位置精度可达0. 8mm,姿态精度可达0. 15°,检测速率120 Hz,跟踪范围2m,完全可以满足虚拟手术当中的要求。图3中13处即为FASTRAK三维跟踪器的安装位置。

    2.  力反馈装置设计方案

    2. 1 力反馈装置机构设计

    在实际做手术过程中,人手从手术刀刀柄上感觉到的力很小,变化也不大,这就要求仿真手术刀前刀柄16所受到的牵引力变化连续、无冲击、实时性能好,为此本文设计了步进电机- 丝杠传动机构的驱动方式来拖动牵引钢丝9。步进电机具有控制简单、灵活,在额定载荷范围内启动和制动均平稳、迅速的优点,丝杠传动机构则进一步降低了振动,同时可提高直线运动精度。图4所示为步进电机驱动机构的实物图。

图4 步进电机驱动机构
图4 步进电机驱动机构

    力反馈装置的工作流程是:系统根据切割力模型[ 5 ]输出反馈力信号给步进电机,步进电机将带动传动丝杠旋转,传动丝杠再带动滑块向左移动,滑块上绑定有牵引钢丝9。显然,当滑块向左移动时,牵引钢丝就会对前刀柄16产生向上的拉力使其抬起,进而将拉力传递给触压在前刀柄上的食指上,这样就会使操作者有一种如同真实做手术的感觉。

    2. 2 力反馈控制模型

    针对上面所设计的力反馈装置,可采用两种力反馈控制策略。一种是基于位置的开环控制策略。这种控制策略依据的是刀尖抬起的高度与食指感受到的切割力成正比这一特点。它的优点是模型直观,控制简单,但控制精度难于保证。另一种是基于反馈力的闭环控制策略。这种控制策略模型相对复杂,而且需要添加拉力传感器(参见图4) ,但由于直接利用反馈力作为控制量,所以控制精度较高。由于手术操作是非常精细的工作,在手术过程中医生的“手感”(即力觉反馈)非常重要,稍有不慎就有可能造成医疗事故。因此,为了能使虚拟外科手术系统更加真实地模拟实际手术过程,也要求仿真手术器械的力觉反馈装置具有较高的精度。为此选用基于反馈力的闭环控制策略对力反馈进行控制,它的控制模型如图5所示。

图5 反馈力控制模型
图5 反馈力控制模型

    3.  配套软件系统的设计

    3. 1 系统的组成

    虚拟外科手术系统配套软件的组成原理如图6所示,它不仅要完成虚拟场景绘制的任务,而且还要完成仿真手术刀力反馈装置的控制任务。其控制实现流程如下:三维跟踪装置将检测到的仿真手术刀位姿信息传递给系统,一方面,系统利用这些信息对虚拟手术刀和虚拟人体组织进行碰撞检测和变形处理,最后把它们在三维场景中实时绘制出来;另一方面,系统将这些信息传递给切割力模型,由模型判断实际所需反馈力的大小,再将其连同力反馈装置所采集到的反馈力信息一同传递给PID 控制器,由P ID控制器发送指令给力反馈装置,决定下一时刻反馈力的大小。

图6 软件系统原理图
图6 软件系统原理图

    3. 2 三维虚拟场景的搭建

    作为一个完整的虚拟现实系统,光有仿真手术刀及配套力反馈装置所提供的触觉感知还是远远不够的,要想获得足够的“沉浸感”,视觉上营造逼真的三维虚拟场景必不可少,本文所开发的虚拟手术配套软件系统完成了这项工作,它可以在配置较高档次的个人电脑中流畅的运行,它的界面图如图7所示。

    3. 2. 1 虚拟人体组织的生成

    虚拟人体组织在计算机中通常是由三维点云数据来描述的,这些点云数据可由CT、MR I或三维激光扫描仪来获得,图7中所示的虚拟人体组织便是利用FastScan三维激光扫描仪所获得的一块人体腹部表面组织。首先将该腹部表面的扫描数据存储成MAT格式,然后在VC环境下调用MATLAB接口函数将其读取到系统当中。所获得的数据包含表面各个点的坐标和法向量,以及网格划分信息,利用这些信息可直接调用OpenGL 函数产生三角形面片,进而生成虚拟人体组织。

具有触觉力反馈功能的外科虚拟手术刀实现研究
图7 软件系统界面图

    3. 2. 2 碰撞检测的实现

    虚拟场景中两个或两个以上物体的碰撞检测是虚拟现实系统中经常遇到的一类问题。目前,碰撞检测中最常用的方法是使用层次包围盒[ 6 ] ,其基本思想是用体积略大而几何形状简单的物体(包围盒)来近似描述复杂的几何物体,进而通过构造树状层次结构来逐步逼近对象的几何模型,这样在进行相交测试时只需对包围盒重叠部分进行计算即可。常用的包围盒有AABB (Axis Aligned Bounding Box)包围盒、球包围盒、OBB (Oriented Bounding Box)包围盒三种。AABB包围盒与被包围对象的紧密性较差,但算法简单,利于缩短计算时间; OBB包围盒与被包围对象的紧密性较好,但算法相对复杂,计算时间稍长;球包围盒介于两者之间。本文在对这三种包围盒在使用中的优缺点进行分析之后,确定采用AABB、OBB相结合的形式来完成碰撞检测,即首先利用AABB进行粗略检测,如果不相交,则检测结束,如果相交,则再利用OBB 进行精确检测以最终断定是否相交,这样即兼顾了碰撞检测的实时性又不至降低检测精度。

    3. 2. 3 虚拟人体组织的变形处理

    虚拟人体组织的变形处理首先要解决的是变形的实时性问题,本文提出了一种基于边界元法的组织变形处理方法。边界元法是一种有突出优点的数值计算方法,与有限元法、有限差分法这一类域法相比,边界元法只需对边界进行剖分,例如二维问题只需对包围它的曲线、三维问题对包围它的曲面进行剖分,降低了维数,从而使输入数据大幅度减少,缩短了计算时间。又由于它是直接对边界进行剖分,所以边界上各点的位移计算误差较小。虚拟组织的变形视觉上即指表面的变形,显然更适合利用边界元法来处理。另外,边界元法还能较好地处理应力集中区域的问题,求解精度高,这也是它胜于有限元法得天独厚的优点[ 7 ] 。手术刀切割软组织时,也可以看作任意时刻只有手术刀刀锋一点与软组织表面接触,手术刀周围的软组织为应力集中区域,在这种情况下也适合利用边界元法对软组织变形进行计算。

    虽然采用边界元法计算人体组织的变形相对于有限元法效率提高了不少,但是对于一个有着上千个节点的虚拟人体组织来讲,要想在极短的时间内计算出每一个点的位移也是非常困难的,实时变形仍无法得到保证。但注意到手术刀切割软组织过程中,只有离切割点较近的区域发生变形,较远的区域基本不发生变形这一特点,可采用局部边界元法来求解,最大限度地减少参与计算的节点数,从而提高了计算效率,较好地解决了这一问题。

    4.  系统整体设计

    为了检验虚拟外科手术系统硬件和配套软件的性能,本文拟搭建一个虚拟“手术台”(如图8 所示) ,并在此基础上进行相关虚拟手术实验。

图8 实验用虚拟手术台
图8 实验用虚拟手术台

    将一平板液晶显示器正面朝上放置在一托架上,显示器的下方要留有足够的空间以便操作仿真手术刀。这样的布局使显示器正好位于眼睛与手的中间位置。进行虚拟手术操作时,眼睛看到的不是真实的仿真手术刀,而是电脑生成的虚拟手术刀及手术场景。与此同时,仿真手术刀在力反馈装置的协同作用下,提供给操作者力觉上的感知。操作者在视觉和触觉上与虚拟病人的这种交互过程,真实地模拟了实际手术情况,因此通过该虚拟手术台,使虚拟外科手术系统更加接近真实的手术训练环境,操作者站在虚拟手术台前进行手术训练,就可体验到真实做手术的感觉。

    虚拟手术台的主计算机硬件配置情况如表1所示,在其上所做的虚拟切割实验结果表明系统能够在其上流程地运行。实验中,虚拟外科手术系统的仿真手术刀能够提供较为真实的力觉反馈,配套的软件系统可以营造较为逼真的三维虚拟场景,这同时也证明了本文所设计的虚拟手术台的整体设计可行性。

表1 虚拟手术台主计算机配置情况
表1 虚拟手术台主计算机配置情况

    5.  结论

    本文提出了一种基于手术刀的虚拟外科手术系统完整的解决方案,并设计了一个虚拟手术台,为训练外科实习医生熟练使用手术刀提供了一个方便快捷的途径。该虚拟外科手术系统中所使用的仿真手术刀在与三维虚拟场景配合使用情况下,无论在视觉上还是在力觉上,都能够使操作者体验到真实做手术的感觉。

    参考文献

    [ 1 ] Lange T, Indelicato DJ , Rosen JM. virtual reality in sur2gical training [ J ]. SurgOncol Clin N Am, 2000, 9 (1) :61 - 79.

    [ 2 ] Brown J , Montgomery S, Bruyns C, Latombe J , Mont2gomery K, StephanidesM. Real2Time Simulation of De2formable Objects: Tools and App lication [ C ]. In Pro2ceedings of ComputerAnimation 2001.

    [ 3 ] Andries van Dam, Henry Fuchs, Sascha Becker, LoringHolden, Adrian Ilie, Kok2L im Low, AnneMorgan Spal2ter, Ruigang Yang, Greg Welch. Immersive ElectronicBooks for Teaching Surgical Procedures. Pre2ICATCREST Symposium on Telecommunication, Teleimmer2sion, and Telexistence [M ]. The University of Tokyo,Tokyo, JAPAN. 2002.

    [ 4 ] Virtual Surgeon: Open Heart [ EB /OL ]. http: //www.the2underdogs. org/ game. php? id = 3418

    [ 5 ] 臧爱云,原魁. 基于真实切割的虚拟手术中力觉模型建模方法研究[ J ]. 中国体视学与图像分析, 2004,9 (2) : 114 - 119.

    [ 6 ] Xu Chun, Yuan Kui, Du Qingxiu, Fu Yujin. CollisionDetection for a Hap tic Interface [ P ]. R ISSP 2003.

    [ 7 ] 梅春辉,石教英. 基于边界元素法的柔软物体变形模拟[ J ]. 计算机学报, 2003, 26 (12) : 1709 - 1716.

标签:力反馈虚拟手术医学医疗外科
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