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虚拟手术系统的开发和利用不但可以节约培训医务人员的成本和时间,而且也可以降低非熟练人员进行实习手术时的风险,对提高中国的医学教育水平和整体医疗水平具有重要意义.在虚拟手术系统中,人机接触交互技术起着非常重要的作用.虚拟手术器械是虚拟手术系统的人机接触交互接口,是其重要组成部分,也是当前制约虚拟外科手术发展和普及的瓶颈问题之一.该文深入研究了虚拟外科手术中的人机接触交互技术,并对虚拟手术器械的工作原理和实现方法,以及生物软组织的物理模型建模方法进行了探讨和研究.该论文的主要创新工作总结如下:为了建立一种基于真实切割中刀刃上切割力信息的生物组织物理模型,该文研制开发了一种能够实时采集切割过程中手术刀刃上的真实受力,以及手术刀的位置、姿态和速度信息的手术刀信息采集设备.该设备是在真实手术刀上安装各种传感器而获得的,具有结构紧凑、性能好、方便使用等特点.用电子天平校正了手术刀力采集设备,试验结果证明该设备能够准确采集到切割时刀刃上的真实受力、高精度的位置和姿态信息.该文提出了一种基于切割过程中刀刃上的真实受力和软组织变形的生物组织物理模型建模方法.该文分析了生物体组织切割中滞后、松驰、蠕变,各向异性等特性.从能量守恒和状态转换角度,对真实切割力变化曲线进行了详细分析.研究了确定生物体材料断裂强度,和粘弹性变形时的应力-应变关系的方法.基于真实切割采集到的切割力和变形数据构建了肝脏和皮肤组织的物理模型.该文研制开发出了基于真实手术器械形状的新型虚拟手术刀和虚拟手术剪.这两种虚拟手术器械具有力反馈和精确定位功能.在虚拟手术中,当检测到虚拟手术器械接触到虚拟人体或虚拟器官时,力反馈装置就会对用户手部施加一个大小可控的作用力,使用户有真实的触碰感觉.力反馈是基于比例电磁铁执行元件,钢丝绳-弹簧管传动方式的装置.在运行过程中,系统对反馈力进行闭环控制,刷新频率可以达到1000Hz.这两种虚拟手术器械在虚拟手术操作方式上和真实手术的感觉一样,符合实用要求,具有良好的效果.该文还对磁跟踪技术进行了研究,并在此基础上,研制开发出一种基于磁传感器和加速度计,结构简单、低成本、高精度的姿态跟踪系统.该姿态跟踪装置可以应用在虚拟手术系统中,为系统提供可靠的高精度三自由度姿态信息.