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力反馈

虚拟手术系统

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（图1），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。
扩展阅读和参考文献
[1] 顾赘周.虚拟手术中软组织模型形变技术研究[D].哈尔滨工程大学硕士学位论文,2011: 1-2.
[2] 赵成龙. 虚拟手术中软组织建模与力反馈算法研究. 燕山大学硕士学位论文，2013
[3] 刘笑宇. 角膜移植缝合作业的力学建模与仿真. 北京航空航天大学硕士学位论文，2008
[4] Wang P, Becker A A, Jones I A, et al.Virtual reality simulation of surgery with haptic feedback based on the boundary element method.Computers and Structures, 2007, 85(7-8): 331-339.
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