仿真手术刀的设计主要考虑在使用方式上要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，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。

    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；同时人的眼睛将其感知到的手术刀的位姿信息也传人大脑。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。从这些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。从怍用上分，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，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。

    仿真手术刀的结构
    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，其后刀柄与总支架固定在一起，而前刀柄与总支架铰接，这样便使得前刀柄能够绕着转轴作100左右的旋转。牵引钢丝的一端通过装夹螺钉与前刀柄相连，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。

    该仿真手术刀具有结构简单、约束少、活动灵活，手持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，因此它只能提烘给手指一个反馈力。但从上述手术力学分析可知，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反馈触觉。

    三维定位跟踪
    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FASTRAK三维跟踪系统。它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0.150，检测速率120HZ，跟踪范围2m，完全可以满足虚拟手术当中的要求。

    力反馈装置的选型
    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一丝杠传动机构的驱动方式来拖动牵引钢丝。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。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。

    力反馈控制横型
    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，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匮疗事故。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。

    平台软件系统的设计
    1系统的组成
虚拟外科手术系统配套软件的组成原理，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。

    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，它可以在配置较高档次的个人电脑中流畅的运行。

    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、MRI或三维激光扫描仪来获得，一般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OpenGL函数产生三角形面片，进而生成虚拟人体组织。

    2.2砬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，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。

    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，我们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，边界元法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‘2。纠。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倮证。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。

    虚拟手术系统整体设计
    为了检测虚拟外科手术系统硬件和配套软件的性能，构建了一个虚拟”手术台”，并在此基础上进行相关虚拟手术实验。将一平板液晶显示器正面朝上放置在托架上，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。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，就可体验到真实做手术的感觉。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展现较为逼真的三维虚拟场景。

    利用仿真手术刀进行虚拟外科手术系统的解决方案，并构建了一个虚拟手术台，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，无论在视觉上还是枉力觉上，都能够给操作者逼真地做手术的感觉。

    作者：李珊珊、罗伟