基于自适应精确Cosserat弹性杆的导丝动力学交互研究

The project studies the interation dynamics between guidewire and blood vessels. And basic scientific researches will focus on key technologies of physical modeling of the guidewire, multi-frictional contact between guidewire and blood vessel walls, virtual force feedback and so on. Firstly, we propose a guidewire physical model based on adaptive exact Cosserat elastic rod to control guidewire's bending, twisting and stretching deformation. While a self-collision detection method is also proposed for guidewire model to solve the penetration problem in virtual environment. Secondly, we put forward a continuous collision detection algorithm called "sandwich" and build a multi-frictional contact dynamics model for flexible multibody system based on nonlinear spring-damper model, to deal with the problem of nonlinear dynamics caused by the collision between guidewire and blood vessles. Finally, analysing the guidewire dynamics information, we propose a virtual haptic rendering model based on constraint coupled dynamics scheme to solve the oscillation problem when generating virtual force. The research of this project will further improve the reality and immersion of the simulator of minimally invasive vascular interventions, and achieve the better training effect of operation handfeeling. And it will lay a solid research foundation for simulator development, which has the major significance of research and applications.

本项目以导丝和血管间的动力学交互为研究对象，对导丝的物理建模、导丝和血管壁间的多摩擦接触以及虚拟力反馈等关键技术进行基础科学研究。首先，针对导丝在各种形变下的非线性行为，构建基于自适应精确Cosserat弹性杆的导丝物理模型，实现对导丝的弯曲、扭转和拉伸等形变的控制，同时提出导丝的自碰撞检测方法，解决导丝之间“穿透”的失真现象。然后，在基于“三明治”方法的连续碰撞检测算法的基础上，构建基于非线性等效弹簧阻尼模型的柔性多体系统的多摩擦接触动力学模型，解决导丝和血管间由碰撞接触而引起的非线性动力学特征的问题。最后，分析导丝的动力学信息，提出基于约束耦合动力学的虚拟力触觉渲染模型，解决了虚拟生成力的振荡问题。本课题的研究将在视觉和触觉通道上进一步提升心血管介入手术模拟器的真实感和沉浸感，达到更好的手术手感训练效果，为模拟器的快速发展奠定扎实的研究基础，具有重大的研究和应用意义。

本项目以心血管介入手术器械和血管为研究对象，联合上海大学和英国伯恩茅斯大学的研究团队，针对虚拟心血管介入手术中导丝、血管和血液之间的动力学交互仿真开展技术攻关和系统研发，取得了重要的研究进展和成果，为虚拟心血管介入手术训练模拟器的研发奠定扎实的研究基础，具有重大研究与应用意义。. 围绕导丝的物理建模、导丝和血管的多摩擦接触动力学交互、虚拟力触觉生成等研究内容，课题组经过三年的不懈努力，提出和研发了一系列新技术、新方法和新系统，在视觉和触觉通道上进一步提升虚拟心血管介入手术的真实感和沉浸感，圆满实现了任务书中预定的研究目标。具体的完成情况如下：. (1) 在导丝建模相关研究方面，提出了基于自适应精确Cosserat弹性杆的导丝物理模型、基于稳态流体动力学的3D管状物体的中心线提取、基于位置的方法的气囊物理模型等新方法。. (2) 在多摩擦接触动力学交互相关研究方面，提出了基于柔性多体动力学的导丝和血管多摩擦接触、基于GPU加速的血管造影剂流体扩散模拟、基于SPH的血液-造影剂多相混合流体模型等新方法。. (3) 在虚拟力触觉生成相关研究方面，提出了基于约束耦合动力学的虚拟力触觉渲染算法，设计了一个新的虚拟力触觉注射装置，以及注射过程中对应的虚拟力生成与控制。. (4) 在心血管介入手术模拟器研究方面，整合上述的研究成果，研发了心血管介入手术虚拟仿真训练系统，并在仁济医院的相关业务培训中得到了试应用。. 本项目发表和录用高水平学术论文28篇，其中SCI/EI 收录16篇（含Computer Animation and Virtual Worlds, Computer Methods and Programs in Biomedicine, Journal of Computer Science and Technology, Chinese Journal of Electronics等国际知名期刊），申请国家发明专利5项，软件著作权1项，培养博士生2名，硕士生8名。