【摘要】：目前,心腦血管疾病已經(jīng)成為危害人類健康的頭號殺手,微創(chuàng)介入手術(shù)是其主要的治療方法,但是傳統(tǒng)的介入手術(shù)治療又存在著醫(yī)生手術(shù)操作時暴露在輻射環(huán)境下和完成一次手術(shù)的操作時間長等問題,因此基于虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)的血管介入手術(shù)醫(yī)生訓(xùn)練系統(tǒng)的研究變得越來越重要。本論文通過對基于VR的血管介入手術(shù)醫(yī)生訓(xùn)練系統(tǒng)的研究設(shè)計了一種新型的基于導(dǎo)管路徑規(guī)劃的血管介入手術(shù)醫(yī)生訓(xùn)練系統(tǒng)。本研究分別對虛擬環(huán)境中的血管模型的三維重建、導(dǎo)管在運動過程中的合理的路徑規(guī)劃以及系統(tǒng)的人機交互功能的實現(xiàn)進行了研究,并對導(dǎo)管的路徑規(guī)劃效果和力反饋的有效性進行了驗證實驗。首先,在現(xiàn)有的血管模型的三維重建方法中,由于醫(yī)學(xué)圖像的數(shù)據(jù)量龐大,在模型創(chuàng)建的過程中可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)和信息的缺失,影響血管模型的質(zhì)量,進而影響虛擬環(huán)境的真實度,為解決這一問題,本文提出了一種新型的血管模型的三維重建方法,提高了血管模型的質(zhì)量和虛擬環(huán)境的真實度。本論文基于Mimics17.0平臺并使用C++語言以及開放的圖形處理開發(fā)包ActiViz.NE和圖形渲染工具包OpenGL編寫了處理腦血管CTA(Computed Tomography Angiography)數(shù)據(jù)的三維重建軟件,實現(xiàn)了腦血管CT(Computed Tomography)圖像的三維重建,所得的血管模型在物理特性、生物特性方面更加接近真實的血管,提高了虛擬環(huán)境的真實度,進而提高了系統(tǒng)的訓(xùn)練效果。其次,針對現(xiàn)有的血管介入手術(shù)醫(yī)生訓(xùn)練系統(tǒng)中訓(xùn)練者在進行導(dǎo)管操作時具有盲目性,系統(tǒng)缺乏合理的路徑規(guī)劃的問題,本論文提出了一種新型的導(dǎo)管路徑規(guī)劃算法。首先通過將虛擬環(huán)境中的三維模型轉(zhuǎn)換為按顏色值定義的場景投影矩陣,然后在算法3的作用下首先通過算法1處理獲得繞障包圍路線,并以此為依據(jù)獲得初始的避開障礙的路徑,然后通過算法2對獲得的初始路徑優(yōu)化,實現(xiàn)導(dǎo)管的路徑規(guī)劃,其中算法3的作用是使醫(yī)生在進行手術(shù)的模擬訓(xùn)練時保護血管不被導(dǎo)管刺破。通過對血管介入手術(shù)醫(yī)生訓(xùn)練系統(tǒng)的導(dǎo)管進行路徑規(guī)劃,減少了訓(xùn)練者完成一次完整手術(shù)模擬操作的時間,提高了系統(tǒng)的訓(xùn)練效果。再次,本論文將上述的算法以C#的形式集成在虛擬環(huán)境Unity 3D中,并將其賦給虛擬環(huán)境中的導(dǎo)管模型,實現(xiàn)導(dǎo)管的路徑規(guī)劃,然后采用TCP/IP協(xié)議,并在應(yīng)用程序之間通過套接字(Socket)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸從而實現(xiàn)了訓(xùn)練系統(tǒng)的人機交互。最后,本論文進行了基于導(dǎo)管路徑規(guī)劃的血管介入手術(shù)醫(yī)生訓(xùn)練系統(tǒng)的相關(guān)驗證實驗。首先進行了導(dǎo)管路徑規(guī)劃效果的驗證實驗,得到了真實路徑和規(guī)劃路徑的對應(yīng)點的誤差曲線,分析曲線得到,真實路徑和規(guī)劃路對應(yīng)點的最大誤差為0.35mm,平均誤差為0.25mm,由于最大誤差與血管的半徑0.3cm相比較小,所以滿足系統(tǒng)的要求。其次,為了驗證訓(xùn)練系統(tǒng)的力反饋有效性,進行了力反饋驗證實驗,得到了虛擬環(huán)境的力反饋曲線,當(dāng)血管的最大形變量為0.3mm時,最大的反饋力為0.1069N,系統(tǒng)能夠?qū)崟r并準確的實現(xiàn)力反饋,具有較好的穩(wěn)定性。
【圖文】：

只要患上這種疾病，就意味著病人的生命離害人類健康的疾病[1]，同時也意味著對這種疾病治血管疾病的手段主要有兩種：藥物治療和開放性手間長，藥物的治療效果不穩(wěn)定，而后者傷口的創(chuàng)傷手術(shù)治療過程中可能會導(dǎo)致病人的直接死亡。手術(shù)實施過程是：首先，醫(yī)生將導(dǎo)絲慢慢沿著病中，醫(yī)生借助連續(xù)的 X 光拍照確定導(dǎo)絲在血管中的絲到達介入手術(shù)病人的病灶部位后，醫(yī)生會將介入絲緩慢地送入血管，直到導(dǎo)管被送入到病人的病變的沿著導(dǎo)管拉出。最后，醫(yī)生沿著導(dǎo)管釋放支架去物去溶解血栓。圖 1-1 是血管介入手術(shù)操作圖。將比較，可以發(fā)現(xiàn)前者具有手術(shù)治療后的恢復(fù)時間很術(shù)治療后的恢復(fù)效果更好，并且手術(shù)治療后對人體，實施血管介入手術(shù)操作的醫(yī)生需要具備很專業(yè)醫(yī)生來說，，需要進行大量的手術(shù)模擬操作才能獲得手術(shù)的進一步廣泛應(yīng)用變得很困難[2]。

ANGIOMentor系列
【學(xué)位授予單位】：天津理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH777;TP391.9

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本文編號：2697465