虚拟心血管介入手术系统中的血管和导丝建模方法研究

According to investigation of present vascular and guidewire modeling research in vascular interventional surgery training system, we carry out study on it's key technologies, such as vascular modeling, medical image segmentation and 3D reconstruction, collision detection between catheter and blood vessels, to develop a prototype training system. For the vascular modeling method in the existing literature can not be both real-time and accuracy, in this project, mass-spring model (MSM) is adopted to simulate the vascular deformation. The guidewire is one of the most important surgical instruments in less invasive vascular interventional procedures. In this project, a modeling method based on multi-body dynamics is applied. So the physical characteristics of guidewires during interacte with vessel can be simulated realistically. Besides, this method can promote practical clinical application of virtual minimum invasive vascular interventional training system. The objectives of this project were to promote the intercross and fusion of information science and medicine, accelerate the practical progress of virtual vascular interventional surgery training system, and help to train a large number of medical doctors on vascular interventions.

结合国内外虚拟血管介入手术培训系统中血管和导丝建模的研究现状和国家对相关技术的迫切需求，针对存在的关键科学问题，开展柔性血管建模和介入导丝建模研究。以突破制约我国虚拟现实技术与医疗有机结合的瓶颈为研究目标，深入探讨冠状动脉血管分割、柔性血管建模和介入导丝建模等方面的关键科学问题与技术。针对现有文献中血管建模方法不能兼具实时性和准确性的问题，本项目提出基于质点-弹簧的柔性血管建模方法；导丝是血管介入手术中最重要的手术器械之一，本项目提出基于多刚体动力学的导丝建模方法能够真实地模拟导丝与血管内壁之间的相互作用时的物理特性，该方法的提出有利于虚拟血管介入培训系统的实际临床培训应用。通过开展本项目的研究工作，有利于促进信息科学和医学的交叉融合、推进基于虚拟现实技术的手术培训系统的实用化，为我国迅速培养大批优秀的血管介入手术方面的医务人才。

冠状动脉介入术是用于治疗冠状动脉疾病的安全且高效的手段。然而，由于操作者无法直接观察病灶，以及手术工具的柔性等原因，使其难于学习和掌握。传统教学训练一般在生物性客体或非生物性客体上展开。对于前者，不仅成本高昂，无法重复使用，且饱受公众非议。对于后者，虽成本相对较低，且可重复使用，但缺乏足够的真实性。针对上述问题，并结合国内外虚拟血管介入手术培训系统的研究现状和国家对相关技术的迫切需求，针对虚拟微创血管介入手术培训系统中存在的关键科学问题，本课题开展了相关研究。. 以突破制约我国虚拟现实技术与医疗有机结合的瓶颈为研究目标，深入地研究了如下内容：1）基于CT数据的血管分割与三维重建算法研究；2）柔性介入器械的建模研究；3）高效碰撞检测算法与碰撞响应算法研究；4）人机交互装置研发与力反馈算法研究；5）微创血管介入手术培训系统开发与集成研究。. 具体来说，.1. 针对主动脉的可视化需求，提出了GAC方法。为提高虚拟解剖环境的真实性，针对上述方法进行了改进，获得了心脏的粗略表面模型。该模型能够给使用者提供更为直观的视觉感受，为其判断冠状动脉各分支的相对位置提供参考依据。.2. 针对冠状动脉的可视化需求，提出了基于CURVES的基础方法，获得了冠脉网络主要分支的表面模型。提出了基于管状物增强的CURVES方法，获得了更为完整的冠脉网络，丰富了训练内容。.3. 为提高血管模型在仿真中的交互效率，提出了模型数据的优化方法。利用该方法在不明显破坏几何特征的前提下，尽可能多地精简多边形（精简可达99%）。在所得模型与虚拟导管的交互仿真中，获得大于10fps的显示效果。.4. 针对虚拟血管介入手术培训系统的设计要求，开发完成了新的医学仿真软件包：MS-OSGBullet，并构建了基于该软件包的培训系统。.5. 由于导丝是血管介入手术中最重要的手术器械之一，本项目提出的多体复合弹簧模型能够真实地模拟导丝与血管内壁之间的相互作用时的物理特性。.6. 提出了一种改进的碰撞检测算法，一种新的碰撞响应算法和一种新的触觉力反馈计算法方法。.7. 对虚拟血管介入手术培训系统原型机进行了硬件平台与软件系统的集成。. 该课题中取得的诸多成果有利于虚拟血管介入培训系统的实际临床培训应用。通过开展本项目的研究工作，有利于促进信息科学和医学的交叉融合、推进基于虚拟现实技术的手术培训系统的实用化。