發(fā)布時間：2020-05-21 03:46

【摘要】：隨著經(jīng)濟(jì)、社會的不斷發(fā)展,人們的生活方式發(fā)生了巨大變化,心腦血管疾病的發(fā)病率和死亡率逐年增高,已經(jīng)成為危害人類健康的頭號殺手,針對心腦血管疾病的治療方法很多,血管介入手術(shù)則為最有效的方法,因此對血管介入手術(shù)的研究也就成為了重要的研究課題。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,虛擬仿真技術(shù)的革新,虛擬血管介入手術(shù)訓(xùn)練已經(jīng)成為培訓(xùn)醫(yī)師的一種有效方法,有著低成本、無損傷性、可重復(fù)性和可指定性的巨大優(yōu)勢。虛擬血管介入手術(shù)系統(tǒng)關(guān)鍵在于虛擬介入手術(shù)導(dǎo)絲的建模以及導(dǎo)絲與血管之間的碰撞檢測,目前的導(dǎo)絲建模方法均為離散,也沒有提出針對導(dǎo)絲這種細(xì)而長的柔性體的建模方法,所以針對導(dǎo)絲的建模以及碰撞檢測方法就有著重要的研究意義與實際價值。針對現(xiàn)有問題,本文的主要研究內(nèi)容包括以下三點:第一,提出基于力矩關(guān)系的連續(xù)導(dǎo)絲模型,提高了導(dǎo)絲的物理建模精度。傳統(tǒng)的虛擬手術(shù)介入導(dǎo)絲模型均為離散的模型,導(dǎo)絲彎曲的物理性質(zhì)并不能完全體現(xiàn)。本文提出了基于力矩關(guān)系的連續(xù)絲模型,該模型可以準(zhǔn)確的仿真真實導(dǎo)絲的走勢和形態(tài),并且通過與真實導(dǎo)絲對比,單位長度誤差6.21微米,并且滿足精度與實時性要求。第二,提出基于距離檢測的條形碰撞檢測方法,保證了導(dǎo)絲碰撞檢測的實時性。對于虛擬血管介入手術(shù)系統(tǒng)中導(dǎo)絲的碰撞檢測,提出了適合細(xì)而長的柔性物體碰撞檢測的方法,并且為導(dǎo)絲添加了條形碰撞檢測方法,較好的檢測了虛擬導(dǎo)絲與血管曲面的碰撞檢測。第三,實現(xiàn)虛擬介入手術(shù)系統(tǒng)的仿真。利用OSG平臺實現(xiàn)對介入手術(shù)過程的仿真,并且完成對導(dǎo)絲的推送,拉回等操作。應(yīng)用3D打印技術(shù),打印出真實病例的血管模型,利用真實的導(dǎo)絲和血管模型與仿真系統(tǒng)進(jìn)行了對比,并且進(jìn)行了相似度分析,進(jìn)而驗證了虛擬介入手術(shù)系統(tǒng)的相似度。
【圖文】：

對其堵塞位置實施擴(kuò)張或疏通的一種診治方法，介入手術(shù)現(xiàn)場如圖1-1 所示。圖 1-1 介入手術(shù)現(xiàn)場1.3 國內(nèi)外現(xiàn)狀1.3.1 虛擬現(xiàn)實手術(shù)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀虛擬血管穿刺介入治療仿真與培訓(xùn)系統(tǒng)的目的是提供給受訓(xùn)者逼真的手術(shù)仿真環(huán)境、實時有效的視覺反饋和準(zhǔn)確的觸力反饋，克服傳統(tǒng)培訓(xùn)中的培訓(xùn)方式不足，提高介入醫(yī)生的學(xué)習(xí)效率[14-15]。歐美等國，在當(dāng)代醫(yī)學(xué)層面，因為逐漸增多的企業(yè)與科研機構(gòu)為 VR 技術(shù)的使用提供了大量資金，同時也實施了大量的探究與摸索，致使歐美等國的虛擬手術(shù)程序水準(zhǔn)遠(yuǎn)超出我國。法國 INRIA 研究機構(gòu)[16]設(shè)計出用來仿真肝臟切除術(shù)的培訓(xùn)程序，此程序利用各種技術(shù)，非常真實的把人類身體的軟組織體現(xiàn)于 VR 場景里，，同時經(jīng)由一些反饋力的裝置來模擬切割過程，進(jìn)而實現(xiàn)外科手術(shù)的各類標(biāo)準(zhǔn)。瑞典 Mentice 企業(yè)[17]則于2006-2009 年之時，設(shè)計了一系列血管中介入治療模擬程序 Mentice VIST，此程序選擇了和臨床介入治?

2.1.2 有限元模型有限元方法是一種很常見的建模方法，該方法是利用求偏微分方程近似解的一種數(shù)值方法，它通過變分方法，使得誤差函數(shù)達(dá)到最小值并且產(chǎn)生穩(wěn)定解。它的中心思想是將仿真對象離散，把真實物體看作有限數(shù)量個簡易的離散單元的構(gòu)成體，真實物體的物理特性利用對離散單元解析獲得，繼而獲取在精確度要求內(nèi)的近似答案，從而代替對真實物體的解析。在導(dǎo)絲建模方面也有有限元的應(yīng)用。根據(jù)導(dǎo)絲實際物理特性，選用三維梁單元作為離散單元。由三維梁單元有關(guān)原理，得到的單元剛度矩則是于部分坐標(biāo)系中得來的，而在獲取整體剛度矩陣時，一定要把其轉(zhuǎn)變成世界坐標(biāo)系中的剛度矩陣。為獲得導(dǎo)絲整體，應(yīng)當(dāng)把許多梁單元連通，利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，繼而獲取整體平衡函數(shù)關(guān)系。從導(dǎo)絲的角度來講，通常存在一百余個單元，構(gòu)建的總體剛度矩陣在獲取解時難度較大，一般都是將關(guān)注點放在于怎樣快速獲得平衡方程的解，如 2-4 所示為在腦血管中的仿真效果。
【學(xué)位授予單位】：河北大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：R54;R743;TP391.9

【參考文獻(xiàn)】

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