介入手术导丝建模及介入仿真研究

发布时间：2020-05-21 03:46

【摘要】：随着经济、社会的不断发展,人们的生活方式发生了巨大变化,心脑血管疾病的发病率和死亡率逐年增高,已经成为危害人类健康的头号杀手,针对心脑血管疾病的治疗方法很多,血管介入手术则为最有效的方法,因此对血管介入手术的研究也就成为了重要的研究课题。随着计算机技术的发展,虚拟仿真技术的革新,虚拟血管介入手术训练已经成为培训医师的一种有效方法,有着低成本、无损伤性、可重复性和可指定性的巨大优势。虚拟血管介入手术系统关键在于虚拟介入手术导丝的建模以及导丝与血管之间的碰撞检测,目前的导丝建模方法均为离散,也没有提出针对导丝这种细而长的柔性体的建模方法,所以针对导丝的建模以及碰撞检测方法就有着重要的研究意义与实际价值。针对现有问题,本文的主要研究内容包括以下三点:第一,提出基于力矩关系的连续导丝模型,提高了导丝的物理建模精度。传统的虚拟手术介入导丝模型均为离散的模型,导丝弯曲的物理性质并不能完全体现。本文提出了基于力矩关系的连续丝模型,该模型可以准确的仿真真实导丝的走势和形态,并且通过与真实导丝对比,单位长度误差6.21微米,并且满足精度与实时性要求。第二,提出基于距离检测的条形碰撞检测方法,保证了导丝碰撞检测的实时性。对于虚拟血管介入手术系统中导丝的碰撞检测,提出了适合细而长的柔性物体碰撞检测的方法,并且为导丝添加了条形碰撞检测方法,较好的检测了虚拟导丝与血管曲面的碰撞检测。第三,实现虚拟介入手术系统的仿真。利用OSG平台实现对介入手术过程的仿真,并且完成对导丝的推送,拉回等操作。应用3D打印技术,打印出真实病例的血管模型,利用真实的导丝和血管模型与仿真系统进行了对比,并且进行了相似度分析,进而验证了虚拟介入手术系统的相似度。
【图文】：

欧美,培训程序,手术仿真,国内外现状

对其堵塞位置实施扩张或疏通的一种诊治方法，介入手术现场如图1-1 所示。图 1-1 介入手术现场1.3 国内外现状1.3.1 虚拟现实手术系统研究现状虚拟血管穿刺介入治疗仿真与培训系统的目的是提供给受训者逼真的手术仿真环境、实时有效的视觉反馈和准确的触力反馈，克服传统培训中的培训方式不足，提高介入医生的学习效率[14-15]。欧美等国，在当代医学层面，因为逐渐增多的企业与科研机构为 VR 技术的使用提供了大量资金，同时也实施了大量的探究与摸索，致使欧美等国的虚拟手术程序水准远超出我国。法国 INRIA 研究机构[16]设计出用来仿真肝脏切除术的培训程序，此程序利用各种技术，非常真实的把人类身体的软组织体现于 VR 场景里，，同时经由一些反馈力的装置来模拟切割过程，进而实现外科手术的各类标准。瑞典 Mentice 企业[17]则于2006-2009 年之时，设计了一系列血管中介入治疗模拟程序 Mentice VIST，此程序选择了和临床介入治?

脑血管,仿真效果

2.1.2 有限元模型有限元方法是一种很常见的建模方法，该方法是利用求偏微分方程近似解的一种数值方法，它通过变分方法，使得误差函数达到最小值并且产生稳定解。它的中心思想是将仿真对象离散，把真实物体看作有限数量个简易的离散单元的构成体，真实物体的物理特性利用对离散单元解析获得，继而获取在精确度要求内的近似答案，从而代替对真实物体的解析。在导丝建模方面也有有限元的应用。根据导丝实际物理特性，选用三维梁单元作为离散单元。由三维梁单元有关原理，得到的单元刚度矩则是于部分坐标系中得来的，而在获取整体刚度矩阵时，一定要把其转变成世界坐标系中的刚度矩阵。为获得导丝整体，应当把许多梁单元连通，利用坐标转化，继而获取整体平衡函数关系。从导丝的角度来讲，通常存在一百余个单元，构建的总体刚度矩阵在获取解时难度较大，一般都是将关注点放在于怎样快速获得平衡方程的解，如 2-4 所示为在脑血管中的仿真效果。
【学位授予单位】：河北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R54;R743;TP391.9

【参考文献】