基于VR的血管介入手术医生训练系统的研究

摘要

目前，心脑血管疾病已成为严重威胁人类生命健康的常见疾病，微创手术技术是救治该疾病的最及时有效的方法。但是手术的复杂度和风险度都很高，需要医生具有丰富的手术经验和手术技巧。目前能进行血管介入手术的医生相对较少，这就需要采用适合并有效的训练方法对介入手术医生进行术前培训。随着计算机技术的日新月异，虚拟现实（VR）技术已经用于医学领域，本论文针对基于 VR的血管介入手术医生训练系统进行了相关研究，并搭建了基础平台，使用者可以以此练习使用血管介入手术辅助系统，进而进行手术技巧技能的训练。
　　本研究利用三维图形接口OpenGL构建了MFC单文档应用程序，实现对三维模型的初步处理，如模型导入并显示、坐标轴显示、视图变换等。并完成了血管介入手术虚拟环境模型的建立，首先利用三维处理软件3DS MAX进行导管和血管的几何建模及视觉效果渲染，为了更加逼真的模拟手术环境，又采用对CT断层扫描文件进行三维重建的方法进行血管模型的建立。本研究采用质点-弹簧模型进行物理建模，并针对运动粒子建立了动力学方程，使物体具有软组织特性，碰撞时能产生软体变形，本研究是利用Bullet物理引擎完成物理建模的。另外，对比发现，沿坐标轴的层次包围盒（AABB）是最适合处理可形变对象的碰撞检测的方法，研究应用此方法判断碰撞是否发生并进一步确定碰撞点，根据碰撞点位置的变化情况进而计算出反馈力的大小。
　　本论文在力反馈的计算模型上进行了改进，通过该模型得到的反馈力不仅包括导管前端的碰撞力，还包括导管与血管壁的摩擦力和血流阻力。在力反馈的实现上，先是应用力觉渲染库 OpenHaptics对反馈力完成力觉渲染，采用力触觉交互设备 PHANTOM Premium实现与虚拟对象间的双向力觉信息的交互。但是，PHANTOM的操作过程与真实的血管介入手术的操作过程存在一定差异，为了更符合医生手术中的操作习惯，本研究采用了新的主端操作装置，该装置是利用磁流变液（MRF）设计的阻尼器实现力反馈的，以此作为训练系统人机交互的硬件平台，可以让操作者操作真实的导管，提高了系统的真实性和训练效果。
　　针对血管介入手术训练系统进行了相关验证性试验，证实系统能实现高度一致的位置跟踪和准确的力反馈。本研究将现代计算机技术应用于医学领域，完成了整个系统的设计和集成，可以对医生进行血管介入手术基本操作技能的训练。

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第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2基于VR的手术训练系统的国内外研究现状

1.3存在问题

1.4本文研究内容

1.5本章小结

第二章 基于VR的血管介入手术训练系统的设计

2.1基于VR的血管介入手术训练系统模块化设计

2.2基于VR的血管介入手术训练系统的构成

2.3本章小结

第三章 血管介入手术训练系统虚拟模型的建立

3.1人体软组织几何模型的研究

3.2人体软组织物理模型的建立

3.3本章小结

第四章 碰撞检测及力反馈的实现

4.1碰撞检测算法的研究

4.2力反馈的计算模型

4.3人机交互的实现

4.4本章小结

第五章 系统的可行性分析及实验验证

5.1位置的跟踪性验证

5.2力反馈的实现

5.3系统评价

5.4本章小结

第六章 总结及展望

6.1全文总结

6.2展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢