首页|行业资讯|企业名录|周边产品|数字城市|增强现实|工业仿真|解决方案|虚拟医疗|行业仿真|图形处理|军事战场
资讯首页
行业资讯 >> 专业文献>>正文
虚拟手术中力觉模型建模方法研究
2010年12月13日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:臧爱云, 原魁
    单位:中国科学院自动化研究所高技术创新中

    1  引言

    虚拟手术是虚拟现实技术在医学领域中的重要应用, 虚拟手术系统可以使医务人员沉浸于计算机生成的虚拟手术环境内, 通过虚拟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。因为虚拟手术系统具有很强的灵活性, 用户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, 大大节约培训医务人员的费用和培训时间, 从而迅速提高学习者的手术及其它操作的技能。此外, 虚拟手术系统还可以使医生在进行复杂手术前进行各种必要的手术预演, 提高正确处理各种突发情况的能力, 不但可以降低非熟练人员进行实习手术时的风险, 也可以大大提高手术的成功率。

    虚拟手术系统主要由虚拟人体/ 器官视景生成系统和虚拟手术器械两部分组成, 前者主要完成虚拟人体或虚拟器官的实时生成和显示, 而后者则使用户可以通过带有力反馈和定位功能的虚拟外科手术器械进行各种手术操作练习, 二者缺一不可。虚拟手术中虚拟手术器械接触或切割虚拟人体和器官时,为了使操作者有真实的沉浸感, 所采用的力觉模型根据人体组织不同、切割深度以及切割速度的不同, 控制虚拟手术刀上的力觉反馈装置产生实时相应变化的力, 以达到真实的触觉效果。

    如何建立虚拟环境的真实有效的力觉模型成为虚拟手术技术研究中亟待解决的关键问题。人体的软组织如: 动脉、肌肉、皮肤、肝脏等都是粘弹性体2 , 在力学特征方面有许多相似之处, 它们都有滞后、松弛、蠕变, 各向异性及非线性的应力- 应变关系等特点, 把所有这些因素都综合在一起, 怎样用简单而精确的模型来表达, 是一个迫切的问题。至今还没有活组织本构方程方面的资料, 没有本构关系, 就只能理论和实验的相互参照反复进行分析, 从定性和定量两方面对问题有所理解3 4 。

    理论上常用的力觉建模方法有弹簧- 质点模型和有限元模型两种, 质点弹簧模型和有限元法是根据物理作用来模拟物体变形的主要造型技术。由于前者相对简单, 已被应用到许多领域。然而, 质点弹簧模型牵涉到繁复的刚度矩阵公式化程序, 而且决定动态特性的微分方程系统必须满足一些条件, 以避免在求数值解时失稳。有限元法被应用到一些较准确的变形模型上, 以对软组织的应力- 应变关系作更精密的分析, 如生物力学、手术模拟等。虽然有限元法较为准确, 但涉及大量繁复的计算, 不适合实时的交互应用。这些物理模型的计算较为繁复,不适用于要求高更新率、实时可视化以及触觉式反馈的虚拟手术应用。

    上述常用方法的都是基于理论上的力觉建模,迄今为止还没有一个标准的方法仿真切割过程, 也很少有文献对实际手术刀切割软组织过程中刀刃的真实受力以及对软组织变形进行研究、分析和建模。本文提出一种实时采集在切割过程中手术刀刃对人体组织器官施加的力, 以及手术刀姿态、位置和运动信息, 从能量交换和变形上详细分析切割过程中刀刃上的受力与手术刀的姿态、位置和速度等信息之间的关系。对确定生物材料断裂强度和粘弹性变形应力- 应变关系的方法进行了研究。本文讨论的主要内容分为4 部分: 1 介绍了手术刀力采集装置; 2 软组织切割试验及分析; 3 对力觉建模方法进行了研究; 4 结论。

    2  手术刀力采集设备

    为了实时采集切割过程中手术刀刃上的受力,以及手术刀的位姿和速度信息, 我们研制开发了一种结构紧凑的手术刀力采集设备, 该设备是在真实手术刀上改造获得的, 包括: 手术刀切割子系统,一个数字数据获得子系统和数据处理子系统。数字数据获得子系统把手术刀切割子系统采集到的力、速度、位姿等数据信息存储为文件, 由数据处理子系统来处理。

    2.1  手术刀力切割子模块

    手术刀切割子模块的原理如图1 所示, 手术刀外面通过转轴安装一个没有铁磁效应的外套, 安装在外套侧面的三维跟踪装置检测手术刀的位置和姿态信息, 如图2 所示; 加速度计安装在刀柄外套里用来测量手术刀运动速度; 位于刀柄下方的触力传感器检测刀柄施加在其上的压力, 根据杠杆平衡原理FL = f l , 可计算出刀刃上的作用力f 。

    系统中选用的手术刀是常用的一种应用在外科手术中的手术刀, 这种手术刀的刀片是可拆卸的,可方便更换新的刀片。刀片刀刃曲线是一段直线和一个圆弧组合在一起的。用该手术刀切割物体过程中, 一般是刀片刀刃的前端圆弧段与被切割物体接触, 为了简化处理, 假设接触过程中刀刃与被切割物体都是点接触。手术刀切割物体时受到使它绕转轴逆时针旋转的力f , 刀柄旋转微小的角度刀柄后端就会和触力传感器的受力球接触, 受到一个绕转轴顺时针旋转的平衡力F。触力传感器选用的是Honerwell 公司提供的精确、可靠的产品FSL05N2C , 传感器内含有经特殊微切削硅传感芯片, 低功耗、无放大、无补偿的惠斯顿电桥在500g 量程中能够输出恒定的mV 信号, 灵敏度为0112mV/ g。

    切割时手术刀倾斜的角度θ不同, 刀片和切割平面接触的接触点不同, 力臂l 相应变化:

    l = OA 3 cos (θ- α)                            (1)

    由 F 3 L = f 3 ( OA 3 cos (θ- α) )       (2)

    得到刀刃上的切割力为:

   虚拟手术中力觉模型建模方法研究

图1  手术刀力采集设备内部结构示意图
图1  手术刀力采集设备内部结构示意图

1 加速度计  2 触力传感器  3 外套
4 转轴  5 手术刀  6 切平面

    该三维跟踪器是Polhemus 公司的Fast rack 产品,它精度在X , Y和Z 轴向达到0108 cm RMS , 在角度上达到0115°RMS , 该跟踪设备可以通过串口和USB 口把三维的高精度的位置和姿态数据信息传送到计算机, 使用非常方便。所要确定的是刀刃的位置信息, 不是刀柄的, 但是为了不妨碍切割操作跟踪器只能安装在刀柄外套上, 跟踪器给出的是它所在的位姿信息。需要用坐标旋转和坐标平移得到刀刃的位置信息。

    2.2  系统校正

    手术刀在装配上和力臂测量中, 会有一些因素产生误差, 为了使采集到的数据更加准确, 采用一个精度为015 克的电子天平, 来校正手术刀力采集装置。如图2 所示, 手术刀刃与电子天平接触, 产生一个作用力和反作用力, 电子天平显示力的大小为f′, 这个力就是切割物体时刀刃上的切割力。使力f′从小到大变化, 将试验力f′和采集计算得到的力f 进行比较, 发现刀刃上得真实受力f′与计算机根据力矩平衡计算获得的切割力f 变化趋势相同, 但并没有重合, 它们之间的关系, 用式4表示

    f′= a 3 f + b            (4)

图2校正手术刀力采集装置 三维跟踪设备
图2校正手术刀力采集装置 三维跟踪设备

图3  使用手术刀力采集装置进行试验
图3  使用手术刀力采集装置进行试验

    试验确定出a , b , 对系统进行校正。校正后进行试验发现, 该手术刀力采集装置能够准确地采集到刀刃上的受力, 精度能够达到0101 牛顿。由于该力采集装置结构紧凑、重量轻、精度高、不妨碍操作者的动作, 因而可以方便地使用在外科手术或切割试验中, 准确采集到切割过程中刀刃上的受力。

    3  软组织切割试验和分析

    使用上述的手术刀力采集装置进行切割试验,试验采用的是猪身体上的软组织。为了避免试验中所采用软组织性能与活体组织性能变化很大, 从屠宰场刚杀的猪身体上取得样本, 在两个小时内送到实验室, 浸泡在生理盐水里。试验前先把样本切割成1cm 厚、6cm 宽、15cm 长的长条; 固定在固定架上, 两端用夹子加紧, 避免样本移动。试验如图3 所示, 切割时计算机实时采集力、倾斜角度、位置信息。

    由于软组织都具有粘弹性特征, 表现出滞后、松弛和蠕变的性质, 具有各向异性的特点, 而且很多的不确定因素影响, 如温度等, 使得在任何两次切割同一个软组织时, 所采集到的力并不会完全相同。

图4  切割软组织采集到的力
图4  切割软组织采集到的力

图5  切割软组织采集到的刀刃位置
图5  切割软组织采集到的刀刃位置

    图4 所示曲线是一次切割过程中采集数据处理后得到的刀刃上的受力曲线图。图5 所示的是采样得到的刀刃位置数据, 切割速度较快, 平均为2cm/ s , 所以平均力较大, 这和所选用的样本的组织也有关系。从图中可以看出手术刀切割可变形软组织时, 中间切割过程刀刃上的受力并不是一条平滑的曲线, 而是象锯齿波形的曲线。这说明在实际中用锋利工具切割软组织时, 切割力并不是像理论中所描述的那样, 是连续、光滑的曲线, 而是有数个作用力增加和下降的过程组成。

    为了能够详细地描述出这种过程, 本文把手术刀切割可变形软组织简化为三种形式的能量变换:储存在可变形物体里的弹性能量, 切割工具所作的功和物体被切割开来时所需的不可逆转的功。其它因素如摩擦也消耗能量, 本文暂不描述摩擦所产生的影响。切割过程简化为可变形软组织三种形式状态的相互变换: 变形, 裂开和切割, 如图6 所示。

图6  手术刀—软组织交互作用四种状态
图6  手术刀—软组织交互作用四种状态

①接触  ②变形  ③裂开  ④切割变形

    每一种状态都可以被看成两种能量的交换: ⑴在变形过程中, 手术刀所作的功和储存在可变形软组织中的弹性能量相互交换, 这种能量交换是可恢复性的, 当手术刀离开时, 软组织就会恢复到原来的状态; ⑵当软组织变形达到所能承受的边界值时, 会瞬间在手术刀的作用下裂开, 如图6 中所示的从②状态到③状态, 这时因为手术刀并没有运动, 所以所做的功为零; ⑶在切割过程中, 图中所示的④状态, 手术刀所做的功等于用在断裂所消耗的不可逆转的能量和软组织变形所储存的弹性能量, 即作用在样本裂开的功是断裂强度和断裂伸展的共同作用之和。

    从接触变形到裂开的边界值, 随着软组织弹性变形增大, 切割力是一个增长的过程; 当软组织瞬间裂开, 弹性变形变小, 手术刀上的受力会突然下降。这种分析和试验中所获得的力变化曲线非常吻合。这说明本文所采用的力采集方法是有效的、可行的。

    因为生物组织不是一个密度均匀、各向性能相同的材料, 是具有复杂力学性能的材料体。在不同位置, 材料的杨氏模量, 也就是应力和应变之间的关系不同, 因而软组织不同位置断裂强度并不会相同, 软组织断裂开的临界值也不同如图4 中曲线所示的那样。

    4  力觉模型建模方法研究

    生物具有的力学特征如: 应力- 应变关系的非线性、滞后回线的存在、应力松弛、蠕变等等, 实质上是同一物理现象, 即都是生物体材料的粘弹性的表现。因此可以预料, 它们必然有统一性, 可以期望用某种理论和统一的数学关系来表达。要建立一个虚拟手术中基于真实切割数据的软组织力觉模型, 需要解决的两个重要问题是: 确定软组织变形过程中应力- 应变之间的关系, 这与材料的杨氏模量有关; 确定软组织的平均断裂强度。

    4.1 生物材料断裂强度

    要确定生物材料的断裂强度Jc [1 ] , 不像确定刚性材料的断裂强度那么容易, 因为生物材料断裂韧度, 像它的其它性质如弹性模量一样, 会随温度、环境、老化程度、方向等的变化而变化。经过多次试验观察发现, 在组织不同位置, 断裂强度Jc值不相同, 没有变化规律可寻, 如图7 所示, 但断裂强度有Jc 一个变化范围。

图7  切割力相对于刀刃位置典线
刀刃位置(厘米)

图7  切割力相对于刀刃位置典线

    由于计算机采集到的数据都是离散的, 用采集到的手术刀上的作用力和切割位移来计算手术刀在切割过程中所做的功, 如下式所示:

虚拟手术中力觉模型建模方法研究

    式中f ( n) 和x n 分别n 3 T 为时刻采集到的刀刃上的作用力, 以及刀刃切割点所在的位置, T为采样周期。

    假设组织的平均断裂强度为Jc , 裂缝的面积是a ( s) , 则组织断裂消耗的能量为

    Ws = Jca ( s)                           (6)

    因为材料样本被切成厚度为1cm 的长条, 可以认为切割近似如图8 所示的那样, 手术刀刃切割点位移是从a →b →c →d :

    a) a →b 是力增加的过程, 此时只有粘弹性变形, 力没有达到断裂强度;

    b) 在b 点, 切割力达到断裂强度, 样本被切开裂缝;

    c) b →c 裂缝扩展过程;

    d) 到c 点, 手术刀停止切割, 样本弹性变形消失, 裂缝顶点恢复到d 点。

    abcd 包围的斜线阴影部分是样本裂开所需的手术刀做的不可恢复性的功; 横线阴影部分是手术刀做的可恢复性的功, 即是转化为样本材料弹性能量U 的功, 如图8 所示横线阴影部分。当手术刀离开时, 弹性能量消失。当切割的裂缝长度为l ,深度为x 时, 有下式

    Ws = Jcl x                   (7)

    储存在组织里的弹性能量U 并不是一个不变的值, 而是在切割过程变化的值, 因为切割工具非常锋利, 弹性变形不会太大, 所以弹性能量U 也不太大。假设组织裂开时, 采样点为C , 则储存在组织内最大的弹性能量U 为图8 所示的横线阴影部分, 可用下式计算

    虚拟手术中力觉模型建模方法研究

图8  切割所作的功
图8  切割所作的功

    组织裂缝扩展所需的能量和储存在生物体组织内的粘弹性能量, 所以有

    Ws = Wc - U            (9)

    因此, 可得到一个断裂强度J c 平均值

    虚拟手术中力觉模型建模方法研究

    因此, 可得到一个断裂强度J c 平均值

    如图7 所示, 当切割时手术刀运动速度较快,速度为V = 2 m m/ s , 环境温度为22°, 皮肤组织的断裂强度Jc 变化范围为016 ~ 018kJ / ㎡ 。由式(10) 计算得到Jc 平均值为01687 kJ / ㎡ 。

    4.2 应力- 应变关系

    在本文研究中, 把切割过程分为两段来分析:

    第一段是切割工具与生物组织接触, 只有粘弹性变形, 生物组织没有被切割开; 第二段是生物组织被切开裂缝, 在切割工具的作用下, 裂缝扩展过程。这两段的分界点是切割力第一次达到组织的断裂强度, 瞬间裂开时刻。

图9  皮肤组织应为vs 变形典线
位置(厘米)

图9  皮肤组织应为vs 变形典线

    由图9 分别是肝脏和皮肤组织在切割过程中的应力- 应变曲线。因为生物组织是粘弹性体, 所以应力应该是变形u 变化量和速度v 的函数。假设t 时刻, 变形为u1 , 速度为v1 , 则应力为F1

    F1 = g ( u1 , v1)                                (11)

    因为采样得到的数据是离散的, 采样周期为T 。在k T 采样周期时间内, 组织变形的改变量Δuk 为

    Δuk = uk - uk - 1                               (12)

    切割时, 手持切割工具进行运动, 由于T 很小, 速度可近似为

    vkBΔ uk/ T                               (13)

    则Fk = g ( uk , Δuk/ T)                               (14)

    Fk = t ( uk , ( uk - uk - 1) / T)                               (15)

    即是Fk 变形uk 、变形改变量Δuk 和切割采样时间T 的函数。因为采样时间是一个常数, 所以也可以说Fk 是变形uk 和uk - 1的函数。

    Fk = g ( uk , uk - 1)                               (16)

    上式中, Fk 、uk 和uk - 1数据通过系统采样已经得到, 要确定符合该等式的函数, 就得到了应力- 应变关系。因为在0 ñ t < n T 时间内, 力是一个连续变化的过程。在任一时刻的应力, 由图9 所示的的应力- 应变曲线可以推断出, 这个函数可能是一个带有微分的, 高阶方程。还需进一步研究讨论确定这个关系。

    5  结论

    本文为建立基于真实切割数据的力觉模型, 而研制出一种手术刀力采集装置, 试验证明该力采集装置能够应用在任何生物体软组织切割中, 系统得到的数据精确。该系统结构紧凑, 精度高, 使用方便, 为基于真实切割的虚拟手术中的力觉再现提供了必要条件。

    作者从能量交换和状态变化中分析了切割力的变化曲线, 为软组织切割力觉建模做了充分的工作。提出一种基于真实切割数据的力觉建模方法,对确定生物材料断裂强度, 和粘弹性变形时应力-应变关系的方法进行了研究。为今后进一步建立适合虚拟手术中应用的生物体各种组织力觉模型, 如皮肤、肝脏、肾脏等, 做了充分的准备。

    参考文献

    1 Mahvash M. and Hayward V. Haptic Rendering of Cut2ting: A Fracture Mechanics Approach , Haptics - e , TheElectronic Journal of Haptics Research (www. haptics -e. org) , vol. 2 , 2001.

    2 Kerdok A. E , Soft Tissue Characterization : MechanicalProperty Determination from Biopsies to Whole Organs.Whitaker Foundation Biomedical Research Conference ,2001.

    3 Brouwer I , Ustin J , Bentley L , Sherman A , Dhruv N , andTendick F. Measuring In Vivo Animal Soft Tissue Proper2ties for Haptic Modeling in Surgical Simulation. presentedat Medicine Meets Virtual Reality , 2001.

    4 ChanthasopeephanT , Desai J . P , Alan C , Lau W. Mea2suring Forces in Liver Cutting for Reality - Based HapticDisplay , Proceedings of the 2003 IEEE/ RSJ Intl. Confer2ence on Intelligent Robots and Systems , Las Vegas , 2003 ,3083 - 3088.

标签:手术力觉力反馈医学
上一篇:Win7下OSG开发环境的搭建
下一篇:立体影片Peschke Macroshow9下载
网友评论:虚拟手术中力觉模型建模方法研究
评论
留名: 验证码:
您可能还需要关注一下内容:
·VR技术在前颅底脑膜瘤术前计划中的应用探讨
·三维立体显示技术在医学诊疗中的应用
·虚拟现实技术在蝶骨嵴脑膜瘤术前计划中的应用
·虚拟膝关节镜手术仿真系统的关键技术研究
·经鼻入路显露鞍旁结构的三维可视化研究
·国产“数字虚拟人” 撬开千亿级市场
·虚拟现实于复健医学之运用
·联合入路中经额与经眶颧方向显露海绵窦手术的虚拟现实量化比较
·Impacto:电磁刺激模拟冲击、撞击力反馈
·基于虚拟现实技术的正颌手术模拟预测方法建立
☏ 推荐产品

Ladybug5全景
商家:力方国际

ProJet®
商家:力方国际

ProJet®
商家:视科创新

Premium1.5
商家:视科创新

巴可HDX主动立体投
商家:德浩科视

巴可HDF-W26投
商家:德浩科视

巴可30000流明2
商家:德浩科视

巴可4万流明2K投影
商家:德浩科视
☞ 外设导航
☏ 企业名录
【广州】中科院广州电子技术有限公司
【北京】第二空间(北京)科技有限公司
【北京】幻维世界(北京)网络科技有限公司
【厦门】厦门惠拓动漫科技有限公司
【厦门】厦门幻眼信息科技有限公司
【深圳】深圳南方百捷文化传播有限公司
【北京】北京思源科安信息技术有限公司
【上海】上海殊未信息科技有限公司
【北京】北京赢康科技开发有限公司
【武汉】武汉科码软件有限公司
友情链接 关于本站 咨询策划 行业推广 广告服务 免责声明 网站建设 联系我们 融资计划
北京第三维度科技有限公司 版权所有 京ICP备09001338
2008-2016 Beijing The third dimension Inc. All Rights Reserved.
Tel:010-57255801 Mob:13371637112(24小时)
Email:d3dweb@163.com  QQ:496466882
扫一扫 第三维度
官方微信号