支持力反馈的肝脏外科虚拟手术仿真系统

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基于PHANTOM的虚拟手术系统的研究

何健鲍苏苏潘家辉，，
（．南师范大学计算机学院，东广州５０３；．南师范大学南海校区计算机工程系，１华广１６１２华广东佛山５８２）２２５
摘要：对虚拟手术系统中虚拟手术器械的建模、物理模型、撞检测、割等关键技术进行研究，用Ｓｎａｌ司开发碰切利ｅｓｂｅ公
Ｋｅｒｙｗｏｄｓ：ｉｔａｕｇｒｙｔｍ；ｃｌｉｉｎｄｅｅｔｏｖｒｕｌｓｒｅｙｓｓｅｏｌｓｏｔｃｉｎ；ｆｒｅｆｅｂｃｏｃｅｄａｋ；ｖｉｕａｎｔｕｅｔｔｒｌｉｓｒｍｎ
０引言
虚拟手术系统是如今数字医学领域研究的前沿课题。人们可以运用虚拟现实等技术实现复杂的医学影像数据的三维可视化，并对可视化的数据进行实
ＨＥＪａｉｎ，ＢｕＳ，Ｐｉ— ｕＡＯＳ —ＵＡＮＪａｈｉ
（．ｏｌｅｏｏｕｅ，ｏｔＣｉａＮｒｌｎｖｒｉ，ｕｎｚｏ１６，ｈｎ；１ＣＬｇｆｍｐｔｒＳｕｈｏｉｓｙＧａｇｈｕ５０３ＣｉｅＣｈｎｍａＵｅｔ１ａ２ＤｐｒｅｔｆｏｐｔｒａｈｉａｐｓＳｕｈｎｏａＵｉｒｉ，ｏｈｎ５８２，ｈｎ）．ｅａｔｎｍｕｅ，ＮｎａＣｍｕ，ｏｔＣｉａＮｒｌｎｅｓｙＦｓａ２２５ＣｉａｍｏＣｈｍｖｔ
Ａｂｔａｃ：ｉａｅｅｅｒｈｓｔｅｋｙｔｃｎｏｏｉｓｉｉｔａｕｇｒｙｔｍ，ｓｃｓｔｅｍｏｅｓｏｉｔｌｉｔｕｎｓ，ｐｈｓｃｓｒｔＴｈｓｐｐｒｒｓａｃｅｈｅｅｈｌｇｅｎａｖｒｕｌｓｒｅｙｓｓｅｕｈａｈｄｌｆｖｒｕａｎｓｒｍｅｔｙｉａｌ

【大学】基于VR的虚拟手术仿真

技术原理
通过三维图形生成技术、多传感器交互技术以及高分辨率显示技术等，创造出逼真的三维虚拟环境，使用户仿佛置身于真实世界中。
VR在医疗领域的应用
01
02
03
手术模拟训练
利用VR技术模拟手术场景，供医生进行手术技能训练，提高手术操作熟练度和准确度。
医学影像分析
通过VR技术将医学影像（如CT、MRI）进行三维重建，帮助医生更直观地观察和分析病情。
交互界面布局
设计简洁直观的交互界面，方便用户进行操作和控制。
实时渲染和图像处理技术
高精度渲染
利用GPU加速技术，实现高精度、高帧率的实时渲染。
图像处理
对渲染图像进行色彩校正、对比度增强等处理，提高图像质量。
动态视点调整
根据用户操作和场景变化，动态调整视点位置和角度，提供更真实的视觉体验。
03
虚拟手术仿真的应用场景和优势
手术前的模拟训练
模拟手术环境
通过VR技术，为医生提供高度仿真的手术环境，让他们在真实手术之前进行模拟训练，提高手术操作熟练度。
降低手术风险
通过模拟训练，医生可以熟悉手术流程，减少手术中可能出现的错误，从而降低手术风险。
克服手术器械限制
虚拟手术仿真不受真实手术器械的限制，医生可以在模拟环境中尝试不同的手术技巧和器械使用方法。
总结词
高度仿真、实时交互
详细描述
心血管外科的手术操作要求极高，虚拟手术仿真系统能够提供高度仿真的心脏和血管模型，医生可以在虚拟环境中进行实时交互操作。
虚拟手术仿真在心血管外科的应用
总结词
评估手术方案、预测手术效果
详细描述
通过模拟手术过程，心血管外科医生可以评估不同手术方案的可行性和效果，为实际手术提供科学依据。

基于力／触觉反馈的虚拟血管介入手术系统

立的虚拟的血管中角从
获得手术中的手感，提高手术的成功率．
１１结构和原理．
宋爱国（通信作者），，士，男博教授，士博生导师，主要从事机器人传感与控制的研究．
成功率．
１系统简介
收稿日期２１－８２０１０－６
本文设计并实现了一种基于力／觉反馈的虚拟血管介入手术触
资助项目国家自然科学基金（１７０８６０５６）作者简介陈拓汉，，男硕士生，研究反向为力／觉触
中图分类号Ｔ３１Ｐ９文献标志码Ａ
０引言
血管介人手术是利用现代高科技手段进行的一种微创性治疗方
法，它通过医学影像设备的引导，将特制的导管、导丝等精密器械，从血管引入人体，体内病态进行诊断和局部治疗．具有不开刀、对它创伤小、复快、恢效果好等特点，当前外科医学的发展趋势．是由于该手
术相当复杂，医师需要经过大量的培训才能具备实际手术操作的能
力，因此，于力／觉反馈的虚拟血管介入手术系统为血管手术医基触生提供了一个虚拟的术前训练环境．
一
些研究人员对虚拟的血管介入手术仿真技术进行了相关研
４１５
ＪｕｎｌｏｎｉｇＵｉｒｔｆＩｆｒｔｎＳｉｎｅａｄＴｃｎｌｇＮａｕａｃｅｃｄｔｎ，０１３５４４４８ｏｒａｆＮａｊｎｖｓｙｏｏｍａｉｃｃｎｅｈｏｏｙ：ｔｒｌＳｉｎｅＥｉｏ２１，（）：１－１ｎｅｉｎｏｅｉ

《2024年虚拟手术中软组织建模与力反馈算法研究》范文

《虚拟手术中软组织建模与力反馈算法研究》篇一一、引言随着现代医疗技术的不断进步，虚拟手术逐渐成为一种重要的辅助治疗手段。

在虚拟手术中，软组织建模与力反馈算法的研究是提高手术操作真实感和精确度的关键技术。

本文旨在探讨虚拟手术中软组织建模的原理及力反馈算法的研究进展，为未来医疗科技的发展提供理论基础和实践指导。

二、软组织建模技术1. 物理模型基础软组织建模的基础是物理学原理，特别是弹性力学和塑性力学。

通过对软组织材料的力学特性进行数学描述，构建出具有真实感的三维模型。

该模型能够模拟出软组织的形变、弹性和力学行为，为虚拟手术提供准确的组织响应。

2. 建模方法与技术（1）基于几何学的建模方法：利用几何形状描述软组织的形态，通过调整几何参数模拟软组织的形变。

该方法简单易行，但缺乏真实感。

（2）基于物理场的建模方法：通过建立物理场模型，如弹性场或流体场，模拟软组织的力学行为。

该方法能够更真实地反映软组织的形变和力学特性，但计算成本较高。

3. 多模态融合建模为了提高软组织的模拟效果，研究学者们还提出了一种多模态融合的建模方法。

该方法结合了几何学方法和物理场方法，综合考虑了软组织在形变、弹性等方面的多种特性，使模拟结果更加真实。

三、力反馈算法研究力反馈算法是虚拟手术中实现真实感的关键技术之一。

通过力反馈算法，医生在操作虚拟手术器械时能够感受到来自软组织的反作用力，从而提高手术的精确度和安全性。

1. 力反馈算法的原理力反馈算法基于逆动力学原理，通过传感器采集到的力和位移信息，计算并输出反作用力到医生操作端。

该算法能够实时地模拟出软组织的反作用力，使医生在操作时感受到真实的触觉反馈。

2. 算法的优化与改进为了进一步提高力反馈算法的准确性和实时性，研究学者们对算法进行了优化和改进。

例如，采用更先进的传感器技术，提高数据的采集精度；优化算法的运算过程，降低计算成本；以及考虑多种物理因素，如摩擦力、惯性等，使反作用力的计算更加真实。

人工肝支持系统治疗护理课件

人工肝支持系统的适应症与禁忌症
适应症
急性或慢性肝衰竭、药物或毒物中毒、严重胆汁淤积等。
禁忌症
严重出血倾向、严重心肺功能不全、严重感染等。
03
人工肝支持系统治疗护理流程
治疗前准备
评估患者病情
了解患者的肝功能状况、病因、病程及合并症，以便为患者制定个性化的治疗方案。
心理护理
向患者及家属介绍人工肝支持系统的原理、治疗目的、过程及注意事项，减轻患者的焦虑和恐惧。
混合型人工肝
结合非生物型和生物型的特点，提高肝脏替代治疗的效果。
人工肝支持系统的发展历程
01
年代开始探索人工肝支持系统的概念和原理。
实验研究阶段
20世纪70年代开始进行动物实验，验证人工肝支持系统的
可行性和效果。
临床试验阶段
20世纪80年代开始进行临床试验，验证人工肝支持系统在
详细描述
出血的原因可能包括肝素使用不当、导管位置不佳、肝功能差凝血障碍等。对于出血的处理，应立即停止肝素使用，对出血部位进行压迫止血，必要时输注血小板或新鲜血浆，同时密切监测生命体征和出血情况。
感染
总结词
感染也是人工肝支持系统治疗中常见的并发症，可能引发败血症等严重后果。
详细描述
感染的原因可能包括导管插入时的污染、长期留置导管引起的局部感染等。对于感染的处理，应保持导管周围皮肤清洁干燥，定期更换敷料，必要时使用抗生素治疗，同时对感染源进行控制和消毒。
准备治疗用品
根据治疗方案准备所需的仪器、设备和耗材，确保治疗过程的顺利进行。
治疗中护理
生命体征监测
防止并发症
在治疗过程中密切监测患者的生命体征，如心率、血压、呼吸等，以及时发现并处理异常情况。

虚拟手术力反馈装置反馈力内模控制

２ＤｇｔｎｕａｔｒｇＴｃｎｌｇｅｔｒＳａｇａＪｏｎｎｖｒｔ，ｈｎａ０００Ｃｉａ．ｉｉｌＭａｆｕｉｅｈｏｙＣｎｅ，ｈｈｉｉｔｇＵｉｅｓｙＳａｇｉ０３，ｈａｃｎｏｎａｏｉｈ２ｎ
１．上海交通大学仪器科学与工程系，上海２０４０２０２．上海交通大学国家数字化制造技术中心，上海２０３０００
１ＤｅａｔｎｆＩｓｒｍｅｔＳｉｎｅａｄＥｎｉｅｒｇ，ｈｇａｉｏｏｇＵｎｖｒｉＳａｇａ０２０Ｃｈｎ．ｐｒｍｅｔｏｎｔｕｎｃｅｃｎｇｎｅｉＳａｈｉＪａｔｎｉｅｓｙ，ｈｎｎｔｎｈｉ２０４，ｉａ
关键词：虚拟手术；力反馈；内模控制
ＤＯ：０３７／ｉｎ１０ —３１０１４０６文章编号：０２８３（０１２．０００文献标识码：中图分类号：３８０Ｉ１．８．ｓ．２８３．１．．０７ｊｓ０２２１０．３１２１）４０２ —３ＡＲ１．１
１前言
虚拟手术力反馈系统是虚拟现实技术在医学领域中的重要应用。借助于力反馈系统，医生可以在虚拟手术环境中获
现较为困难。在反馈力控制过程中，考虑到操作者驱动力和反馈力共同作用于力反馈装置，以操作者驱动力和反馈力为输入和输
得更好的沉浸感。触觉、力觉感知在手术过程中起着至关重要的作用，但手术医生通过长期经验积累所得到的“ 手感 ” 很难简单地通过语言、文字或者观摩传授给年轻医生。如果虚

基于力_触觉反馈的虚拟血管介入手术系统_陈拓汉

2011 ， 3 （ 5 ）： 414418 学报：自然科学版，
Journal of Nanjing University of Information Science and Technology： Natural Science Edition， 2011 ， 3 （ 5 ）： 414418
0
引言
血管介入手术是利用现代高科技手段进行的一种微创性治疗方它通过医学影像设备的引导，将特制的导管、导丝等精密器械，从法，对体内病态进行诊断和局部治疗．它具有不开刀、创血管引入人体，伤小、恢复快、效果好等特点，是当前外科医学的发展趋势．由于该手术相当复杂，医师需要经过大量的培训才能具备实际手术操作的能，，力因此基于力 / 触觉反馈的虚拟血管介入手术系统为血管手术医生提供了一个虚拟的术前训练环境．一些研究人员对虚拟的血管介入手术仿真技术进行了相关研［12 ］［3 ］、弹簧质点模型究．目前在建模方面常用的方法有：有限元模型［4 ］和多体动力学模型．有限元模型是形变建模最真实的方法，但有限很难用于实时仿真．弹簧质点模型是实时模拟的元法计算复杂度高，常用方法，它为节点分配一定的质量，用弹簧连接质点，其仿真模型容易建立，可获得实时的模拟结果，但精确性和稳定性往往不能令人满意．多体动力学模型是一种合适的模拟技术，但它常用于模拟由若不太适合血管的模拟仿真．此外，还可干部件及节点组成的机器人， CT （ CTA ），以运用虚拟主动漫游技术对血管造影数据进行分割获得较为精确的血管的三维几何结构，但这又需要高昂的设备费用． — —Novint 本文利用 3DS MAX 建模和通用型力 / 触觉交互设备— Falcon 力 / 触觉再现装置设计了一种基于力 / 触觉反馈的虚拟血管介，它具有交互性、可重复性、无损伤性等优点，力触觉反馈效果良好，可以为医师提供血管介入手术术前训练，提高手术的入手术系统成功率．

一种胆道虚拟手术仿真系统

ｏｈｅｓｍｕａｉｎｓｔｍ．Ｔｈｅｕｔｄｅｎｓｒｔｓｉｓａｉｉｏｓｐ￣ｔｅｓｍｕｌｔｎｒｉｉｇａｄｐｒｖｄｅｈｔｂｌｙａｄｒ — ｆｔｉｌｔｙｓｅｏｅｒｓｌｍｏｔａｅｔｂｌｔｔｕｐｏｈｉａｉｔａｎｎｎｏｉｓｔｅｓａｉｉｎｅｙｏｔａ．ｉｎｆｒｅｆｅｂｃ１ｔｍｅｉｏｃｅｄａｋ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｒｕｌｓｇｒｉａｕｒｅｙ；ｂｉａｙｔａｔｓｒｅｙ；ｃｌｉｉｎｄｔｃｉｎ；ｆｒｅ￣ｅａｋｔｌｒｒｃｕｇｒｉｏｌｓｏｅｅｔｏｏｃｄｂｃ
ｆｒｅｆｅｂｃ．Ｂｈｉｕｌｕｇｒｆｈｌｃｓｏｏｏａｃｌｓｒｍｏｅｏｃｅｄａｋｙｔｅｖｒａｒｅｏｏｅｙｔｔｍｙｆｒｌｕｕｅｖｄ，ｉａａｙｅｈｐｌａｉｎａｄｔｅｐｒｏａｃｔｓｙｃｃｔｎｌｚｄｔｅａｐｉｔｎｈｅｆｒｎｅｃｏｍ
ＰＮＪａｈｉＡｉ－ｕ．ＢｕＳＡＯＳ — Ｕ
（．ｅｔｆＣｍｕｅ，ＮｎａａｐｓｏｔＣｉａＮｒａｎｖｒｔ，ｏｈｎＧａｇｏｇ５８２，Ｃｉ２ＣｌｇＣｍｕｒＳｕ１Ｄｐ．ｏｏｐｔｒａｈｉｍｕ，ＳｕｈｈｎｏｍｌＵｉｓｙＦｓａｕｎｄｎ２２５ｈｎＣｅｉａ；．ｏｅｅｏｏｐｔ，ｏｔｌｆｅｈＣｉｏｍｌＵｉｒｔ，Ｇａｇｈｕ５０３，Ｃｉ）ｈｎＮｒａｎｖｓｙｕｎｚｏ１６１ｈｎａｅｉａ．

骨科手术仿真模拟训练系统的构建研究

现代电子技术Modern Electronics TechniqueJun.2023Vol.46No.122023年6月15日第46卷第12期0引言虚拟现实技术通常是通过计算机的模拟，将现实世界的真实场景模拟到虚拟环境中，并且可以提供给用户多种交互方式，这样就会给使用者一种等同于真实环境的沉浸式体验[1]。

现阶段虚拟现实技术已在自动驾驶、VR 影视、虚拟游戏、医疗等领域取得了广泛的应用[2⁃3]。

而虚拟手术则是将虚拟现实中的物体碰撞检测、姿态传感、3D 物体旋转、虚拟场景构建等相关理论技术引入到医学领域[4⁃5]。

现有的医学临床实践培训相对比较依赖尸体、模型、动物等，而且成本高、风险系数大。

而虚拟现实技术的出现给这一医学问题提供了解决方法，在减少手术成本、提高培训效率、降低可行性风险方面，虚拟交互手术比传统临床培训更具优势[4⁃5]。

国内外目前针对虚拟现实系统的开发在医学各个领域也取得了很多成效[6⁃7]。

在智能仿真医学方面，研究人员将计算机技术与医学进一步融合拓展，市面上已经有很多成熟的产品投入使用[8]。

肖文君等人设计了医学图像观察系统，为医师在医学中的诊断提供了支持[9]。

为了能够增强使用者的沉浸感和体验感，虚拟过程复现医生在使用手术器械对人体器官进行触碰、感知、操作等情景，虚拟手术仿真系统具有提供实时力反馈的能力[10]。

王穗源等人探讨研究了数字化虚拟技术在胫骨DOI ：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2023.12.024引用格式：弭博岩，王鹏龙，王萌，等.骨科手术仿真模拟训练系统的构建研究[J].现代电子技术，2023，46（12）：141⁃145.骨科手术仿真模拟训练系统的构建研究弭博岩，王鹏龙，王萌，郑奋（海军军医大学计算机与仿真技术教研室，上海200000）摘要：针对现阶段骨科手术培训实践性弱、手术风险系数大、耗材成本高的缺点，文中提出一种将虚拟现实技术与骨科手术相结合的骨科手术训练系统。

《2024年虚拟手术中软组织建模与力反馈算法研究》范文

《虚拟手术中软组织建模与力反馈算法研究》篇一一、引言随着计算机技术的飞速发展，虚拟手术仿真系统在医学、生物工程等领域的应用越来越广泛。

其中，软组织建模与力反馈算法作为虚拟手术仿真的核心技术，对于提高手术仿真系统的真实感和操作体验具有重要意义。

本文旨在研究虚拟手术中软组织建模与力反馈算法，为提高虚拟手术仿真的效果提供理论支持和技术手段。

二、软组织建模技术研究1. 建模方法概述软组织建模是虚拟手术仿真的基础，其关键在于准确描述软组织的物理特性和生物力学行为。

目前，常用的软组织建模方法包括基于物理的建模方法和基于医学图像的建模方法。

基于物理的建模方法通过构建数学模型来描述软组织的力学特性，如弹性、塑性等；而基于医学图像的建模方法则通过医学影像数据来构建软组织的三维模型。

2. 模型精度与计算效率的平衡在软组织建模过程中，模型精度和计算效率是一对重要的矛盾。

为了提高仿真系统的真实感，需要构建高精度的软组织模型，但这往往会导致计算量大幅增加，影响仿真系统的实时性。

因此，需要在保证一定精度的基础上，通过优化算法和减少计算量来提高仿真系统的计算效率。

三、力反馈算法研究1. 力反馈算法的基本原理力反馈算法是虚拟手术仿真系统中的重要组成部分，它通过模拟手术操作过程中手术器械与软组织之间的相互作用力，将操作信息实时反馈给操作者。

力反馈算法的基本原理包括力学分析、传感器信号处理和力反馈控制等环节。

2. 算法的优化与改进为了提高力反馈算法的准确性和实时性，需要对算法进行优化和改进。

一方面，可以通过引入更先进的力学模型和传感器技术来提高算法的准确性；另一方面，可以通过优化算法结构和减少计算量来提高算法的实时性。

此外，还需要考虑算法的鲁棒性和适应性，以适应不同手术操作和不同患者的情况。

四、实验与分析为了验证软组织建模与力反馈算法的有效性，我们进行了大量的实验和分析。

首先，我们构建了高精度的软组织模型，并通过医学影像数据进行了验证。

支持力反馈的虚拟手术仿真系统

动和转动，从而控制虚拟手术中的刀具；同时力学反
馈设备还能将虚拟手术中生成的触觉信息通过手柄反馈给操作者；这样，操作者就可以实时感受手术过
ｓｉｇｎ；ｖｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙ ’ ；ｏｂｊｅｃｔｍｏｄｅｌｉｎｇ
支持力反馈的虚拟手术仿系统
郭琦，郑津津
（中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，安徽合肥２３００２７）
ＦｏｒｃｅＦｅｅｄｂａｃｋＡｓｓｉｓｔｅｄＶｉｒｔｕａｌＳｕｒｇｅｒｙＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ
个系统的核心设备。同时，介绍了虚拟手术仿真系
统的结构设计、构建模型、变形计算和程序流程等。结果表明，系统触觉反馈平稳、模拟效果比较逼真，在一定程度上能够满足虚拟手术对实时性和逼真性
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｆｏｒｃｅｆｅｅｄｂａｃｋａｓｓｉｓｔｅｄｖｉｒｔｕａｌｓｕｒｇｅｒｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｄｅｖｅｌ — ｏｐｅｄ，ｂａｓｅｄｏｎａＰＨＡＮＴＯＭＰｒｅｍｉｕｍｆｏｒｃｅｆｅｅｄ— ｂａｃｋｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｓｙｓｔｅｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅ — ｓｉｇｎ，ｍｏｄｅｌｂｕｉｌｄｉｎｇ，ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｇｒａｍｆｌｏｗａｒｅａｌｓｏｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅｒｅ — ｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｓｍｏｏｔｈｔａｃｔｉｌｅｆｅｅｄｂａｃｋａｎｄｒｅａｌｉｓｔｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｏｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓａｂｏｕｔｒｅａｌ一１ｔｉｍｅａｎｄｒｅａｌｉｓｔｉｃｏｆｖｉｒｔｕａｌｓｕｒｇｅｒｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｕｒｇｅｒｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｐｌａｔｆｏｒｍｄｅ —

基于力反馈的虚拟手术器械的设计与研究

3、力反馈技术实现方法
3、力反馈技术实现方法
力反馈技术实现方法包括触觉渲染、力建模和力反馈装置的设计与实现等步骤。
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一、研究背景和意义
虚拟手术力反馈人机交互控制系统是一种新型的手术培训方法，它通过模拟手术过程中的力和运动反馈，使用户能够在安全的环境下进行手术训练，提高手术技能和操作准确性。此外，虚拟手术力反馈人机交互控制系统还可以用于手术辅助，为医生提供更加精准的手术导航和决策支持，提高手术效率和病人满意度。
虚拟手术器械的设计
2、器械的自由度：为了满足手术过程中的各种操作需求，虚拟手术器械通常需要具有多个自由度。这可以通过采用先进的计算机图形学技术和物理引擎来实现。
虚拟手术器械的设计
3、力反馈机制：在虚拟手术中，操作者需要对虚拟物体进行牵引、切割、缝合等操作，因此需要设计相应的力反馈机制，以模拟这些操作手感。例如，可以通过采用弹性力学模型或有限元方法来模拟组织的物理属性，并通过物理引擎将这种属性传递给操作者。
3、人机交互界面设计
3、人机交互界面设计
虚拟手术力反馈人机交互控制系统的交互界面包括图形用户界面（GUI）和声音用户界面（AUD）两部分。GUI用于显示虚拟手术场景、机械臂姿态和操作步骤等信息；AUD用于接收用户的语音输入并转化为系统可执行的命令。
四、虚拟手术力反馈人机交互控制系统的实现方法
二、相关技术综述
二、相关技术综述
虚拟手术力反馈人机交互控制系统涉及到多种技术，包括机械臂控制、医疗影像处理、力反馈技术、语音识别技术等。
1、机械臂控制
1、机械臂控制
机械臂是虚拟手术力反馈人机交互控制系统的重要组成部分，其控制精度和稳定性直接影响到整个系统的性能。机械臂控制技术主要包括运动规划、姿态控制、路径规划等，其目的是实现精确的机械臂定位和姿态调整，以满足手术过程中的各种需求。

虚拟和增强现实技术在肝脏外科中的应用

虚拟和增强现实技术在肝脏外科中的应用摘要：肝切除术复杂度高，危险性大，随着数字医学技术的迅速发展，基于薄层CT或MR数据的个性化肝脏、肿瘤及内管道三维重建，使肝脏外科医生能直观、清晰、多维度地显示肝脏病灶位置及其与内脉管的空间毗邻关系，并进行精确的术前规划。

然而，术前3D图像和实际手术过程仍存在着空间和时间上的分离，导致术者手眼不协调，无法达到术中三维图像实时导航。

近年来，虚拟和增强现实技术的发展为减少3D模型和实际操作空间之间的不确定性提供了新的方法，在肝脏外科术前规划、术中引导、外科教育、医患沟通等多个方面都逐渐展示了明显优势和广阔前景。

关键词：虚拟现实技术；增强现实技术；三维重建；肝脏外科手术导航；1引言原发性肝癌是危及我国人民健康的重大疾病，目前以肝癌切除术为代表的外科治疗仍是原发性肝癌的首选治疗方法。

以往，术者需要通过想象将患者术前的二维CT或MR等断层影像信息转化为三维立体图像，而医学图像处理技术的进步使得二维影像资料可以直接准确地重建成肝脏三维立体模型；同时术中显示技术的应用，可以实现三维重建模型术中指导。

但是，将术前3D医学图像无缝衔接到实际手术过程当中是十分困难的，现阶段依然存在着空间和时间上的分离，这就导致了同步性不足，从而引起术者的手眼不协调。

近年来，虚拟和增强现实技术的应用为减少三维重建模型和实际操作空间之间的不确定性提供了新的方法，在肝脏外科术前规划、术中引导、外科教育、医患沟通等多个方面都有明显优势和广阔前景。

本文将探讨虚拟和增强现实技术在肝脏外科应用的可行性、临床影响及发展趋势。

2VR/AR技术在肝脏外科中的应用2.1肝脏手术规划及术中引导2.1.1术前规划通过三维可视化软件，可对高质量肝脏肿瘤CT或MR图像数据进行三维重建。

在三维可视化软件中，可充分了解肝脏脉管走行和变异情况，以及其与肝脏肿瘤的空间关系。

通过三维可视化技术获取的3D图像模型，可根据需要进行肝脏、肿瘤与脉管的自由组合和适当透明化，进行放大、缩小、旋转，可多角度、全方位观察并分析肝脏脉管分型，了解其与肝脏肿瘤的空间关系，进行测量肝肿瘤与相关脉管的距离。

虚拟肝脏手术中实时动态渗血效果模拟

虚拟肝脏手术中实时动态渗血效果模拟作者：施鹏熊岳山徐凯谭珂潘新华来源：《计算机应用》2013年第10期摘要：在实际的手术中，伤口内的渗血伴随着切割过程而频繁出现。

但在以往的研究中，多数集中于血液在皮肤或脏器表面的流动，而对伤口内的动态渗血过程模拟研究较少。

为此，根据动态渗血模拟对真实性与实时性的要求，提出了一种结合力反馈机制的渗血模拟仿真模型。

该模型结合了流体模拟中的拉格朗日粒子法，并针对肝脏切割过程中的渗血这一特定过程对传统拉格朗日方法进行了简化，实验结果表明，其能够很好地满足动态渗血模拟对真实性和实时性的需求。

关键词：虚拟手术；渗血模拟；元球；实时性0 引言流血特效的模拟一直是虚拟手术中的一个重要组成部分。

在肝脏切除手术中，由于涉及到肝实质的切割，切口上的渗血伴随着每一刀的切割而频繁出现。

为了使渗血不成为整个手术系统的性能瓶颈，必须使用实时性能好同时又能逼真呈现渗血过程的模型。

现有的模拟血液流动的方法主要有两类，一类是基于网格的欧拉方法，另一类是基于粒子的拉格朗日方法。

在欧拉方法中，Rianto等[1]结合立方插值拟质点（Cubic Interpolation Propagation，CIP）的方法来模拟血液流动，该方法可以使用较为稀疏的网格对流体进行精确的模拟，然而当网格出现大的变形时会造成网格扭曲而导致精度降低。

Osher等[2]提出来的层次集方法（Level Set Method， LSM）方法容易实现，而且能够自适应的处理网格的拓扑变换，但是这种方法不能保证体积不变，而且当曲率变化较大时，计算量急剧增加。

并且求解纳维-斯托克斯（NavierStokes，NS）方程也使得欧拉方法很难达到实时性的要求。

拉格朗日方法的主要特点是用一定数量的粒子集合来表示流体的运动，这使得流体的运动表示比欧拉方法简单。

近几年来，光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics， SPH）方法成为拉格朗日方法中模拟血液流动的主流。

仿真手术刀在虚拟外科手术系统中的应用与研究

ｔｉｈｐｔｅｉｄｓｒｃｌｐｒｔｎｓｓｍｃｕｅｅｐｒｔｘｅｅｃａｅｒｅｇｆｇｅｌ，ｅｎｔ－ｈｓｙｏｈｓｅｕｇａｏａｉｔａｓｓｔｅａｏｔｅｐｒｎｅｍｋｓｕｇｒ￣ｅｎａｙｄｆｉｚｉｅｏｙｅｈｏｒｏｉｓｙｉｒｌｉｅ
罗伟，李珊珊１．长江大学附属第一人民医院（湖北荆州，３００４４０）２．湖北省荆州市中心血站（北荆州，３００）湖４４０）
【摘要】目的
设计了一种基于手术刀的虚拟外科手术系统，培训外科实习医生熟悉并体验外科手术的过程。方法符在所建立的虚拟手术台上所做的虚拟切割实验表明，虚拟外科手术系统使该
２ｌｏｔｔｎ，ｂｉｒｖｃｉｇｈｕＣｔｅｔｒｉｇｈｕ，３００Ｈｕｅ）．ＢｏｄＳａｉｏＨｕｅＰｏｉｅＪｎｚｏｉＣｎｅ（Ｊｎｚｏ４４０，ｂｉｎｙ
【ｂｔｃ】ＯｊｃｖＦｃｓｍｌｒｉｄｘｅｅｃｓｈｓｓｌｌｎｒｎｇｓｒｃｅａ．Ａｓａｔｒｂｅｔｅｏｕｅｉｆｉａｗｔａｐｒｎｅｔｕｅｃｐａｉｇａｄｐｒｉｓｓａｉｈｎｅｉｅａｉｔｉｎｕｉｅｌｔ
Ｃ／ｏｌｕｇｏｅａｔａｏｒｔｎｃｓｍｄｓｉｌｔｎｓｒｃｌｐｒｔｎｓｓｍｅｉ —ｐｒｏｅｓａ・Ｏｆｎｔｓｒｅｎｔｃｕｐａｉｕｔｅｉｓａｉｕｇａｅａｉｙｔｓｃａ－ｕｐｓｌ－ＬｒＳｏｈｌｅｏｏｎｇｍｕｏｉｏｏｅｐｌｅ

仿真手术刀在虚拟手术系统中的应用

ｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｉｎｒｇＣｅｎｔｅｒＢｌｏｏｄＳｔａｔｉｏｎｏｆＪｉｎｇｚｈｏｕＣｉｔｙ，ＨｕｂｅｉＰｒｏｖｉｎｃｅ，Ｊｉｎｇｚｈｏｕ４３４ｏ００，Ｃｈｉｎａ；３．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆ
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工作探讨・
２０１３年５月第１Ｏ卷第１３期
仿真手术刀在虚拟手术系统中的应用
罗伟李珊珊丁明跃１．长江大学附属第一医院，湖北荆卅Ｉ４３４０００；２．湖北省荆州市中心血站，湖北荆州３．华中科技大学生命科学院生物医学工程系，湖北武汉４３１０００４３４０００；
ＬＵＯＷｅｉＬＩＳｈａｎｓｈａｎ２ＤＩＮＧＭｉｎｇｙｕｅ
１．ＴｈｅＦｉｒｓｔＡｆｉｆｌｉａｔｅｄＨｏｓｐｉｔａｌｏｆＹａｎｇｔｚｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＨｕｂｅｉＰｒｏｖｉｎｃｅ，Ｊｉｎｇｚｈｏｕ４３４０００，Ｃｈｉｎａ；２．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＢｉｏｍｅｄ —
ｉｎａｃｃｏｒｄａｎｃｅｗｉｔｈｔｈｅｓｕｒｇｅｏｎｏｐｅｒａｔｉｏｎｈａｂｉｔ，ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇａｓｅｔｏｆｖｉｔｕｒａｌｓｕｒｇｅｒｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｐｅｒａｔｉｏｎｔｒａｉｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｏｐｅｒａｔｉｏｎｋｎｉｆｅ．Ｔｈｏｕｇｈｔｈｅｄｅｔａｉｌｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎ，３Ｄｌｏｃａｔｉｏｎｔｒａｃｋｉｎｇ，ｆｏｒｃｅｆｅｅｄｂａｃｋｔｙｐｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ｖｉｔｕｒａｌｓｏｆｔｗａｒｅｓｙｓｔｅｍｉｓｇｅｎｅｒａｔｅｄ，ＳＯａｓｔｏａｃｈｉｅｖｅｒｅｌｉａｓｔｉｃ３Ｄｏｐｅｒａｔｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｃｏｍｐｌｅｔｅａｓｅｉｅｒｓｏｆｓｕｒｇｉｃａｌｏｐｅｒａ — ｔｉｏｎｓｂｙｔｈｅｓｕｐｐｏｔｒｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｐｅｒａｔｉｏｎｋｎｉｆｅ，ａｎｄａｃｈｉｅｖｅａｃｏｍｐｌｅｔｅｖｉｒｔｕｌａｏｐｅｒａｔｉｏｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｇｕａｒａｎｔｅｅｔｈｅｔｅａｃｈｉｎｇｑｕａｌｉｔｙ，ｅｘｔｅｎｄｔｈｅｃｏｎｎｏｔａｔｉｏｎｏｆｅｄｕｃａｔｉｏｎ，ａｎｄａｌｓｏｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｔｈｅｏｙｒｂａｓｉｓｆｏｒａｖａｉｅｒｔｙｏｆｃｏｍｍｏｎｌｙｕｓｅｄ

Freeform系统在虚拟手术中的应用

Freeform系统在虚拟手术中的应用作者：付杨王坤茜徐人平来源：《活力》2012年第14期[摘要]随着虚拟现实技术和现代医学的飞速发展，虚拟手术技术已经成为现代医学中不可缺少的应用技术。

Freeform系统应用力反馈技术，是独一无二的3D触觉系统。

本文着眼于虚拟手术应用环境及条件，与Freeform系统的3D力反馈系统，2D与3D的模型转化以及输入设备系统等方面对虚拟手术应用的优势来说明Freeform系统在虚拟手术中的重要应用价值。

[关键词]虚拟手术；虚拟现实技术；力反馈技术；Freeform系统在当前国际生物医学工程领域的研究中虚拟手术是前沿课题，在传统的手术中，医生是在自己的大脑中进行术前的手术模拟，以确定手术方案，然后根据其在大脑中形成的三维印象进行手术。

但这种手术方案质量的高低，往往依赖于医生个体的外科临床经验与技能。

如今在临床上，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，运用虚拟现实技术的虚拟手术油然而生。

虚拟手术就是利用各种医学影像数据和虚拟现实技术在计算机中建立一个模拟环境，用计算机代替医生思维可以比较客观、定量的进行手术方案的三维构思，同时医生可以借助虚拟环境中的信息进行手术计划、手术训练、设计手术过程，进刀的部位、角度，来提高手术的成功率。

一、虚拟现实技术虚拟现实技术，就是利用计算机技术产生一个高度逼真，具有视觉、听觉、触觉等感觉的虚拟环境，使置身该环境中的人通过使用各种专用的传感交互设备对虚拟环境中的实体进行相互作用，达到交互考察与控制、融为一体的程度。

虚拟现实系统的功能由两部分组成：一是创建虚拟世界，二是人与虚拟世界之间的人机交互操作。

人类要与虚拟世界进行双向交互，必须借助一定的人机交互设备。

称之为感知设备。

所谓感知设备，是指将虚拟世界各类感知模型转变为人能接受的多通道刺激信号的设备。

包括视、听、触（力）、嗅、味觉等多种通道。

然而，成熟和相对成熟的感知信息的产生和检测技术，仅有视觉、听觉、力觉三种通道。

虚拟手术系统开发软件平台研究

虚拟手术系统开发软件平台研究沙聪雪;沈建新;梁春【摘要】Nowadays,virtual surgery system has been paid more and more attention which is mainly used in surgery training, surgical planning and telesurgery. Virtual surgery is a frontier science with overlapping of multifold advanced technology,so the development of surgery simulation system is difficult. There are a lot of software platforms that can be applied to surgery simulation systems now. They encapsulate the key algorithms of the systems,and can help the developers shorten the time researching new algorithms and new systems, reducing repletion work. Analyze the function and advantage and disadvantage of software platforms in classification,and research the key technologies of developing software platform.%虚拟手术系统用于手术教学训练、手术方案制定、远程手术等方面，它正日益受到人们的关注。

虚拟手术融合多种先进技术，其系统研发难度大。

现如今涌现出大量开发虚拟手术系统可使用的软件平台，它们封装了建立系统所需的一些关键算法，可以促进国内外开发人员对新算法的研究，并提高新的虚拟手术系统的研发效率，减少重复劳动。

虚拟现实题库及部分答案

一、填空题1.虚拟现实的本质特征：Immersion(沉浸) Interaction(交互) Imagination(想象)，其中沉浸是最弱的，是虚拟现实最重要的技术特征。

2.电磁式位置跟踪设备可分为交流电发射器型与直流电发射器型。

3.虚拟对象建模包括：几何建模、图像建模、图像与几何相结合建模、视觉外观设计建模。

4.虚拟环境建模包括：物理建模、行为建模、运动建模、声音建模。

其中分形技术属于物理建模。

5.几何建模的方法包括：多边形；非统一有理B样条；构造立体几何。

6.虚拟现实是一种高端人机接口，包括通过视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉等多种感觉通道的实时模拟和实时交互。

7.一个典型的虚拟现实系统的组成主要由: 头盔显示设备、多传感器组、力反馈装置构成。

8.根据虚拟现实对“沉浸性”程度和交互程度的不同，可把虚拟现实系统划分为四种典型类型，沉浸式、桌面式、增强式、分布式。

9.正是由于人类两眼的视差，使人的大脑能将两眼所得到的细微差别的图像进行融合，从而在大脑中产生有空间感的立体物体视觉。

10.在虚拟现实系统的输入部分，基于自然交互设备主要有力反馈设备、数据手套、三维鼠标。

二、多项选择题（本大题共10小题，每小题2分，共20分）1.以下属于视觉感知设备的有（ABCDEF ）A.头盔显示器B.立体眼镜显示系统C. 洞穴式立体显示系统D.响应工作台立体显示系统E.墙式立体显示系统F. 裸眼立体显示系统2.E）A.充气式触觉反馈装置；B.振动式触觉反馈装置；C.视觉式触觉反馈装置；D.电刺激式触觉反馈装置；E.声波触觉反馈装置F.神经肌肉刺激式触觉反馈装置3.HMD（Head_Mounted_Display）即头盔式显示器，主要组成是（CD）A.显示元件B.光学系统C.触觉元件D.听觉系统4.空间位置跟踪技术有多种，常见的跟踪系统有（ABCDE）A.机械跟踪器B.电磁跟踪器C.超声波跟踪器D.惯性跟踪器E.光学跟踪器5.所谓力反馈，是运用先进的技术手段将虚拟物体的空间无能运动转变成物理设备的机械运动，使用户能够体验到真实的力度感和方向感，从而提供一个崭新的人机交互界面。

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ｓｒｅｙｓｍｕａｉｎｕｇｒｉｌｔ．ｏ
［ｙｗｏｄｌｖｒｕｌｅｌｙｖｒａｓｒｅｙｆｒｅｅｄａｋｌｅｒｅｙＫｅｒｓｉａａｔ；ｉｕｌｕｇｒ；ｏｃｅｂｃ；ｉｒｕｇｒｔｒｉｔｆｖｓ
ｌ概述
肝脏内部复杂的管道系统及其生理和病理变异决定了肝脏外科手术的难度极高。以往影像检查所提供的多为二维平面图像，无法预先进行３肝脏外科手术仿真，更无法提前Ｄ感受实时的力反馈，这对于复杂的肝脏外科手术具有一定的盲目性和不可靠性。随着虚拟现实技术日趋成熟，虚拟手术在医学领域中正发展成为一个新的研究方向。虚拟手术利用各种医学影像数
ＳｎＡｂｅｌｃ，ｈｉｓｓｅｍａｅｓｆｖｒｕｌｅｌｙｔｃｎｌｇｏｉｅｓｌｎ．ｔｓｙｔｍｋｓｕｅｏｉｔａａｉｅｈｏｏｙｔｍｐｌｍｅｔｔｅｓｒｅｙｐｏｅｕｅｆｌｖｒａｄｔｓｕ．ｅｖｓａｅｄａｋａｄｒｔｅｎｕｇｒｒｃｄｒｓｏｉｅｎｓｅＴｈｉｕｌｅｂｃｎｈｉｆｆｒｅｆｅｂｃｒｒｖｄｄｉｅｌｔ．ｉｉｌｔｏｅｈｏｏｘｌｅｅｓｂｌｔ０ｈｒｃｉａｓｇｆｖｒｕｌｒａｉｅｈｏｏｙｉｏｃｅｄａｋａｅｐｏｉｅｎｒａ—ｉｍｅＴｈｓｓｍｕａｉｎｔｃｎｌｇｙｅｐｏｒｓａｆａｉｅｐａｈｆｒｔｅｐａｔｃｕａｅｏｉａｅｌｙｔｃｎｌｇｎｌｔｔ
第３卷第２期４ｌ
Ｖ１４ｏ．３
Ｎｏ２．Ｊ
计
算
机Hale Waihona Puke 工程２００８年１月１
Ｎｏｅｅ０８ｖｍｂｒ２０
ＣｏｕｅｇｎｅｉｇｍｐｔｒＥｎｉｅｒｎ
・发研究与设计技术・开
文章编号：１０３２（０）－０６－０文献标识码：Ａ０－４８０８１－２－３０－－２２－２
套的ＧＨＴＳＫ软件开发包来搭建。ＯＳＤ
２ＰＡＴＭ力反馈设备．ＨＮＯ１力反馈设备是虚拟手术系统的重要组成部分，也是用户和虚拟手术系统交互的工具。一方面，力反馈设备的操纵杆
是医生操纵的 “ 手术器械” ；另一方面，它能让医生感知物体的细致特征以及物体对于作用力的反抗作用。ＰＡＯ与ＨＮＴＭ用户在交互过程中的反馈机制如图１所示。
行一系列发展 …；班牙Ｍｅｅ等人在２０年研制开发了带西ｉｒ０１有力反馈功能的三维微创手术培训系统；美国斯坦福大学计算机科学学院的研究人员在２００３年开发了软组织缝合的实时仿真系统Ｊ。近年来国内的研究大多集中在对医学图像的三维重建及
肝脏手术过程中有关肝脏及其内部组织的多种手术操作，提供真实的视觉反馈和力反馈，具有良好的实时性。为虚拟现实技术在手术仿真中的实用化探索出一条可行的道路。关健诃：虚拟现实；虚拟手术；力反馈；肝脏外科手术
ＦｏｃｅｂｃｓｓｅｖｒＶｉｔａｕｇｒｉｕａｉｎＳｓｅｒｅＦｅｄａｋＡｓｉｔｄＬｉｅｒｕｌｒｅｙＳｍｌｔｙｔｍＳｏ
中圈分类号ｔ９５３４．Ｎ１
支持力反馈的肝脏外科虚拟手术仿真系统
潘家辉，鲍苏苏，朱志有，廖其光，段秀丽
（华南师范大学计算机学院，广州５０３）２６１
摘
要：介绍一个用于外科手术的肝脏虚拟手术仿真系统。该系统基于ＳｎＡｌ公司的ＰＡＴＭ力反馈设备，利用虚拟现实技术实现ｅｓｂｅＨＮＯ
ＰＮｉ—ｕ，ＡＳ・ｕＺｈ—ｏ，ＩＱ－ｕｎ，ＵＡＸｕｌＡＪａｈｉＢＯｕｓ，ＨＵＺｉｕＬＡＯｉａｇＤＮｉ－ｙｇｉ
（ｃｏｌｆｏｕｅ，ｏｔｈｎｒｌｉｅｓｙＧａｇｈｕ５０３）ＳｈｏｍｐｔｒＳｕｈＣｉａｏＣＮｏｍａＵｎｖｒｉ，ｕｎｚｏ２６ｔ１
据，采用虚拟现实技术在计算机中建立一个虚拟３环境以Ｄ
２仿真系统的组成
虚拟现实系统由交互设备和虚拟环境组成。基于带有力反馈的肝脏虚拟手术系统的特点，选用ＰＡＯ力反馈设ＨＮＴＭ备作为交互设备。虚拟环境则通过ＯｐｎＬ和ＰＡＯ配ｅＧＨＮＴＭ
［ｓａｔｌｅｉｕｌｕｇｒｉｌｉｎｓｓｍｒｕｇｏｓｓｎｒｄｃｄＢａｅｎｆｒｅｆｅｂｃｅｉｅａｄＰＮＴＭｒｄｃｄｂＡｂｔｃ］Ａｖｒｒａｓｒｅｙｓａｏｙｔｆｒｅｎｔｕｅ．ｓｄｏｃｄａｋｄｖｃｍｅＨＡＯｐｏｕｅｙｒｉｖｔｍｕｔｅｏｓｉｉｏｏｅｎ
及可交互操作平台，通过虚拟手术器械仿真模拟手术过程。与传统手术规划相比，虚拟手术具有交互性、无损伤性、可重复性和可定制性等优点。目前国外已有许多研究机构对虚拟现实尤其是在虚拟医学手术仿真方面进行了大量研究和实践。法国ＩＲＡ研究项ＮＩ
目组在２０年开发出一个肝脏切割模拟器，００并在此基础上进