摘要
心脑血管疾病是人类健康的重大杀手之一。作为微创手术的一种，血管介入手术凭借其创伤小、住院时间短、并发症少等优势，在治疗心脑血管疾病的临床应用中越来越广泛。在该手术过程中，介入医师在二维图像的引导下操作导管导丝等手术器械到达患者血管病灶处进行治疗，这对介入医师的解剖基础和手眼协调能力提出了极高的要求。基于患者、尸体、动物和模型的传统介入手术技能训练方式周期长、费用高、效率低，并且会将训练者暴露在X射线之下，有害身体健康。基于虚拟现实技术的介入手术模拟器提供了一个低风险、无辐射的训练环境，可供介入医师反复练习手术技能和演练手术过程，突破了时间和空间的限制，提高了训练效率。 针对心脑血管介入手术模拟的关键问题，本文的主要研究内容和取得的成果有以下几个方面: (1)本文提出了一种共享中心线模型和基于归一化刚性值的加权材料属性方法，准确、实时、稳定地模拟了导管导丝等多种介入手术器械的协同操作及交互运动。此外，本文提出了一种自适应偏移量反馈算法更新器械中心线在迭代计算过程中的外力变化，将计算效率提高了2个数量级的同时，增加了复杂血管环境下介入器械行为模拟的稳定性。 (2)为了构建高仿真度和沉浸感的介入手术训练环境，本文提出了一种基于位置约束的心脏跳动模拟方法，实现了针对个性化数据的实时心跳模拟。基于心跳的周期性，本文提出了一种时变偏移场方法对心跳模拟结果进行缓存，并通过查询偏移场对器械中心线进行即时视觉偏移的方法实现了介入器械与动态网格模型之间的实时稳定交互模拟。 (3)为了构建真实的医学可视化模拟效果，本文提出一种加权线性厚度累积方法，实现了完全基于网格模型的X光成像实时模拟。在此基础上，本文提出了一种基于网格拓扑邻接信息的区域增长方法生成血液流动图，并采用时变衰减系数和渐进式网格渲染方法模拟荧光镜下的血管造影过程。 (4)本文研发了一套基于虚拟现实技术的心脑血管介入手术模拟系统，用作介入手术技能培训和针对个性化病例的手术预演。实验结果表明该系统可以实时、稳定地模拟常见的心脑血管疾病的介入治疗手术过程，如冠状动脉血管成形术、颅内动脉瘤栓塞术等。用户体验反馈调查结果表明，本系统在心脏跳动模拟、介入器械交互运动模拟和医学可视化模拟方面均获得了较高的正面评价，也体现了本系统在技能培训和术前演练上的应用前景。
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