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虚拟血管介入手术中的手术器械建模与力反馈技术研究
其他题名Surgical Instruments Simulation and Haptic Rendering for a Minimally Invasive Vascular Surgery Training System
魏鹏
学位类型工学硕士
导师侯增广
2014-05-29
学位授予单位中国科学院大学
学位授予地点中国科学院自动化研究所
学位专业控制理论与控制工程
关键词虚拟血管介入手术培训 虚拟血管介入手术培训 有限元分析 力反馈 Vascular Surgery Simulation Flexible Instruments Modeling Finite Element Method Haptic Rendering
摘要心血管疾病是人类的“头号杀手”,长期以来一直威胁着人类的健康。作为治疗心血管疾病的重要手段,微创血管介入手术(MIVS)借助导管技术与医学影像实现了对病变血管的治疗,相对于传统的开放性手术具有痛感轻、创伤小、病人康复时间短等优点。然而血管介入手术的操作难度较大,成为合格的介入手术医生需要大量临床手术的观察学习和基于活体动物的手术练习,不仅培训成本高而且会使受训医生长期暴露于X 射线下。基于虚拟现实技术的手术培训模式通过提供虚拟的手术场景和便捷的人机交互接口,可以帮助医生完成部分培训任务,提高训练效果。虚拟手术培训正以其培训成本低、沉浸感强、不受地点限制等优势在血管介入手术等医学培训领域起着越来越重要的作用。为了给血管介入手术医生提供一个高效、逼真的培训平台,结合国家自然科学基金项目“虚拟心血管介入手术系统中的血管和导丝建模方法研究”(61203318),本论文开展了对血管介入手术培训系统的设计以及相关技术的研究。 本论文的主要研究工作内容与贡献如下: 第一,针对经皮冠脉介入手术设计了一套实物与虚拟模型相结合的血管介入手术培训系统。该培训系统采用医学仿真引擎构建了由人体血管和柔性手术器械组成的手术场景,集成了基于C++语言开发的力反馈交互与视觉交互功能。受训医生可以通过本课题组设计的力反馈操作机构对虚拟场景中的柔性手术器械进行操纵,完成导管推送与导丝推送两个关键手术子过程。 第二,利用有限元方法(FEM)对手术中经常使用的柔性器械导管和导丝进行物理建模。构建的模型参照了真实手术器械的物理参数与几何外形特点,在医学仿真引擎的仿真过程中取得了逼真的物理形变效果以及良好的仿真实时性。 第三,设计了手术器械与血管之间的碰撞检测与碰撞响应算法。碰撞检测算法划分为基于沿坐标轴包围盒(AABB)树相交检测的粗测阶段和基于几何图元相交检测的细测阶段。在碰撞响应部分,建立了手术器械与血管壁之间的弹性力与摩擦力模型,并增加了血液黏滞阻力对手术器械的影响。 第四,设计了一套针对该手术培训系统的触觉渲染方案,建立了手术器械推送过程中的阻力模型,并为确保仿真的稳定性以及受训医生的操作安全性,设计了力反馈设备与阻力模型之间数据的映射关系。 第五,对血管介入手术中的指引导管推送过程和指引导丝推送过程进行了仿真实验和相关数据分析,从仿真相似度、仿真实时性、操作评估指标以及系统功能四个角度论证了该血管介入手术培训系统的有效性。 最后,对本论文的主要工作和成果进行总结,并展望了下一阶段的研究工作。
其他摘要As the No. 1 killer around the world, cardiovascular disease (CVD) has been jeopardizing human health for years. Minimally invasive vascular surgery (MIVS) is an important procedure to cure patients with vascular diseases. During MIVS surgeons insert catheters and other long flexible instruments into the vascular percutaneously and steer them from the outside to reach and treat the lesion target under the guidance of medical imaging modalities. MIVS has the advantages of less pain, smaller physical trauma and shorter hospital stay over conventional open surgery. But in traditional training, novice surgeons need to observe the entire procedure performed by experienced surgeons and take large amounts of practice on animals which keeps trainees under the exposure to fluoroscopy and is rather costly. Virtual reality (VR) based surgery training can help trainees accomplish the training tasks and enhance performance in procedure by providing simulated surgical scenes and interaction devices. VR simulators play an important roll in MIVS training with their advantages of low training expense, total immersion and no exposure to fluoroscopy. This work is supported by the National Natural Science Foundation of China: ``vessel and guide wire modeling in virtual interventional surgery training system'' (Grant: 61203318). This dissertation focuses on some key issues of designing a MIVS training system, such as surgical instruments simulation and haptic rendering. Firstly, a novel MIVS training system is designed for percutaneous coronary intervention (PCI). The training system is composed of simulated surgical scenes, force feedback module and visual interaction module. Based on an open source medical simulation architecture, the designed surgical scenes contain 3D vasculatures derived from real patients and physics-based models of flexible surgical instruments. The trainees can use a haptic device designed by our research group to control the surgical instruments. Two major procedures including the catheter delivery and the guide wire delivery are simulated. Secondly, finite element method (FEM) is applied to simulate catheters and guide wires which are two kinds of commonly used instruments. According to the instruments' real physical parameters and shapes, the simulations of the physics-based models run in real time and show realistic behaviors. Thirdly, efficient collision detection algorithm and collision response algorithm are designed. The collision algori...
馆藏号XWLW2045
其他标识符201128014628017
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ia.ac.cn/handle/173211/7721
专题毕业生_硕士学位论文
推荐引用方式
GB/T 7714
魏鹏. 虚拟血管介入手术中的手术器械建模与力反馈技术研究[D]. 中国科学院自动化研究所. 中国科学院大学,2014.
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