基于导管路径规划的血管介入手术医生训练系统研究

发布时间：2020-06-05 03:55

【摘要】：目前,心脑血管疾病已经成为危害人类健康的头号杀手,微创介入手术是其主要的治疗方法,但是传统的介入手术治疗又存在着医生手术操作时暴露在辐射环境下和完成一次手术的操作时间长等问题,因此基于虚拟现实(VR)技术的血管介入手术医生训练系统的研究变得越来越重要。本论文通过对基于VR的血管介入手术医生训练系统的研究设计了一种新型的基于导管路径规划的血管介入手术医生训练系统。本研究分别对虚拟环境中的血管模型的三维重建、导管在运动过程中的合理的路径规划以及系统的人机交互功能的实现进行了研究,并对导管的路径规划效果和力反馈的有效性进行了验证实验。首先,在现有的血管模型的三维重建方法中,由于医学图像的数据量庞大,在模型创建的过程中可能会导致数据和信息的缺失,影响血管模型的质量,进而影响虚拟环境的真实度,为解决这一问题,本文提出了一种新型的血管模型的三维重建方法,提高了血管模型的质量和虚拟环境的真实度。本论文基于Mimics17.0平台并使用C++语言以及开放的图形处理开发包ActiViz.NE和图形渲染工具包OpenGL编写了处理脑血管CTA(Computed Tomography Angiography)数据的三维重建软件,实现了脑血管CT(Computed Tomography)图像的三维重建,所得的血管模型在物理特性、生物特性方面更加接近真实的血管,提高了虚拟环境的真实度,进而提高了系统的训练效果。其次,针对现有的血管介入手术医生训练系统中训练者在进行导管操作时具有盲目性,系统缺乏合理的路径规划的问题,本论文提出了一种新型的导管路径规划算法。首先通过将虚拟环境中的三维模型转换为按颜色值定义的场景投影矩阵,然后在算法3的作用下首先通过算法1处理获得绕障包围路线,并以此为依据获得初始的避开障碍的路径,然后通过算法2对获得的初始路径优化,实现导管的路径规划,其中算法3的作用是使医生在进行手术的模拟训练时保护血管不被导管刺破。通过对血管介入手术医生训练系统的导管进行路径规划,减少了训练者完成一次完整手术模拟操作的时间,提高了系统的训练效果。再次,本论文将上述的算法以C#的形式集成在虚拟环境Unity 3D中,并将其赋给虚拟环境中的导管模型,实现导管的路径规划,然后采用TCP/IP协议,并在应用程序之间通过套接字(Socket)实现数据传输从而实现了训练系统的人机交互。最后,本论文进行了基于导管路径规划的血管介入手术医生训练系统的相关验证实验。首先进行了导管路径规划效果的验证实验,得到了真实路径和规划路径的对应点的误差曲线,分析曲线得到,真实路径和规划路对应点的最大误差为0.35mm,平均误差为0.25mm,由于最大误差与血管的半径0.3cm相比较小,所以满足系统的要求。其次,为了验证训练系统的力反馈有效性,进行了力反馈验证实验,得到了虚拟环境的力反馈曲线,当血管的最大形变量为0.3mm时,最大的反馈力为0.1069N,系统能够实时并准确的实现力反馈,具有较好的稳定性。
【图文】：

医生,手术治疗,疾病,导管

只要患上这种疾病，就意味着病人的生命离害人类健康的疾病[1]，同时也意味着对这种疾病治血管疾病的手段主要有两种：药物治疗和开放性手间长，药物的治疗效果不稳定，而后者伤口的创伤手术治疗过程中可能会导致病人的直接死亡。手术实施过程是：首先，医生将导丝慢慢沿着病中，医生借助连续的 X 光拍照确定导丝在血管中的丝到达介入手术病人的病灶部位后，医生会将介入丝缓慢地送入血管，直到导管被送入到病人的病变的沿着导管拉出。最后，医生沿着导管释放支架去物去溶解血栓。图 1-1 是血管介入手术操作图。将比较，可以发现前者具有手术治疗后的恢复时间很术治疗后的恢复效果更好，并且手术治疗后对人体，实施血管介入手术操作的医生需要具备很专业医生来说，，需要进行大量的手术模拟操作才能获得手术的进一步广泛应用变得很困难[2]。

基于导管路径规划的血管介入手术医生训练系统研究

ANGIOMentor系列
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH777;TP391.9

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