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吴冬梅等：骨科虚拟手术仿真系统研究

骨科虚拟手术仿真系统研究①

吴冬梅②杜志江孙立宁贾志恒

(哈尔滨工业大学机器人研究所哈尔滨150001)

摘要基于软件平台JAVA3D和VTl(开发出了正骨机器人虚拟手术仿真系统。论述了
仿真系统体系结构和主要功能；分析了虚拟手术仿真目标的实现策略；给出了主从操作和
并联主手监控实验的仿真结果。结果表明，该仿真系统结构合理可靠，构建的虚拟环境和
仿真算法可逼真地演示机器人系统的手术过程。
关键词虚拟手术，虚拟环境，碰撞检测，三维重建

系统的开发整体上遵循基于面向对象的设计思
0引言想，采用层次化、模块化的设计方法，从而使系统在
保持功能实现的前提下，达到结构的合理化。研究
近1O年来，医疗机器人研究已成为国际上机器开发的主要内容包括虚拟环境建模(虚拟场景几何
人研究领域的热点。医疗机器人是多学科研究和发建模、机器人运动学建模)、三维重建技术、碰撞检测
展的成果，它包括应用在诊断、治疗、康复、护理和功技术、人机交互技术、通讯接口技术等。
能辅助等诸多医学领域的机器人。其中大部分研究
是对外科手术机器人和用于康复及护理的机器人的
研究_l。在临床上，为了避免直接使用人为制定的
手术策略进行手术所带来的巨大风险，目前采取的
最好解决方法就是运用虚拟现实技术，建立一套虚
拟仿真系统。虚拟仿真系统基于三维医疗模型_2．
对外科手术进行规划和虚拟操作，最后实现多机器
人的辅助定位和操作。开展这方面的研究将在精确
定位手术、最d,gJ伤手术、提高手术质量等方面带来

一系列的技术变革。目前，对于医疗仿真的研究多
数集中于如何利用患者的医学影像(CT／MRI图像或
锥束投影图像)进行人体组织器官的建模、手术过程
中手术器械与组织器官的碰撞检测以及组织受力变
图1虚拟仿真系统总体结构图
形的模拟等。本文针对我们研制出的正骨手术机器
人系统，设计了正骨手术机器人虚拟仿真系统，该系
统在实际手术操作前，可将控制信号输入到虚拟仿1．2系统主要仿真功能
真系统中，检测手术规划是否合理；手术过程中可实操作人员可通过键盘、鼠标与虚拟仿真系统进
时检测组件之间的相对位置，避免干涉现象的发生。行菜单式人机交互，按着系统设计的三种操作模式

——离线仿真模式、主从操作模式和监控模式，系统
1虚拟手术仿真系统的构造具有以下几个功能：
离线仿真模式中，操作者根据不同的正骨手术
1．1系统总体结构任务，进行不同的手术规划设计，在虚拟环境中预演
正骨机器人虚拟手术仿真系统建立在几何模型以验证其可行性。这种操作方式对新接触机器人手
和物理模型的基础上，系统总体结构图如图1所示。术系统的医生，是一个很好的训练方式和对正骨手

①863计划(2004AA421~o3o)资助项目。
②女，l髭8。年生，博士，讲师；研究方向：医疗机器人与计算机辅助外科；联系人，E-mail：[e-mail]
(收稿Ft期：2005—10—10)

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高技术通讯2006年9月第16卷第9期

术任务的规划仿真。通过这种手术培训和手术规划迹控制(CP)方式，需要制定全部路径，这又需要存
功能，操作者与虚拟环境之间不断交互，发现不足，储大量的目标坐标点。本系统采用了模拟CP控
纠正错误，操作者可以获得真实的操作体验。这对制，就是在A点和B点之间通过插补过程，确定C，
于选择最佳手术路径、减小手术损伤、减少对临近组D，E，⋯等多个途中目标点，再按顺序进行PTP控
织损害、提高定位精度、执行复杂外科手术和提高手制这种方法的优点在于不仅保证了机器人运动的
术成功率等具有十分重要的意义精度和平稳性，还使机器人识别路径的工作简单，节
主从操作模式中，操作者以计算机屏幕上的虚省计算机的存储空间。图2为导航机器人末端轨
拟物体作为操纵对象，其控制命令有两个传输通道：i，亦、

一方面实时地传递给虚拟环境中的虚拟机器人，控
制其运动；另一方面经通信模块传递给真实环境中
的手术机器人，控制真实机器人的运动?在这种遥
操作虚拟手术仿真功能中，若虚拟机器人手术系统
等效于实际机器人系统，则操作者实时地操纵虚拟
机器人同虚拟环境相互作用就等效于操作者延时地
操作从动机器人同真实环境相互作用，虚拟环境可
起到预测显示的作用。这个功能使在手术室中的外
科医生能实时地获得远程专家的交互式会诊，甚至
图2导航机器人末端和C型臂中心点轨迹
通过遥操作手术器械，使专家的技能发挥不受空间
距离的限制。

监控模式中，虚拟系统接收正骨机器人系统的2．2碰撞检测
位姿信号、视频信号和传感器力信号。虚拟仿真系虚拟手术仿真系统的目标是提供给用户身临其
统将运动控制信息及其他从真实系统得到的反馈信
境的沉浸感和完善的交互能力，这就要求系统必须
息动态地作