虚拟微创血管介入手术培训系统关键技术研究

During the vascur interventional surgery (VIS), the improper manipulation of guidewire may lead to vascular injury and rupture. Therefore, the skills of manipulating guidewire can decide the VIS success or not. Nowadays, there are high training costs, the poor authenticity and radiation injury in the VIS training. This proposed project integrates the virtual reality into VIS training, the carotid artery in the brain is regarded as application goal. It focuses on two important scientific problems: soft vascular tissue modeling and simulation interactive force under the bend and deformation. This proposed project will research that soft vascular tissue and guidewire modeling based on geometrical and material property, the simulation interactive force between the guidewire and blood vessel, simulation algorithm of guidewire motion under the simulation interactive force. The project presents the modeling method of vascular tissue integrating the finite element model and mass-spring model, the simulation interactive force calculation under the bend and deformation and guidewrie motion algorithm based on simulation interactive force. The integrated theory and technology system can be formed with animal experiments, it can also provides new theories and methods for the other virtual surgery training.

在血管介入手术中，对导丝的不当操控会引起血管组织损伤、破裂等不良后果。 因此，医生操控导丝的技能是血管介入手术质量和成功与否的关键。目前，血管介入手术培训领域存在训练成本高、真实性差和辐射损伤等问题，本项目将虚拟现实技术引入血管介入手术培训领域，以脑部颈动脉血管介入为应用目标，围绕柔性血管组织建模和弯曲和变形条件下的仿真交互力计算两大关键科学问题，重点开展柔性血管组织和基于几何和材料属性的导丝建模、导丝-血管间仿真交互力作用机理和导丝运动仿真算法研究，提出融合有限元模型和质点-弹簧模型的柔性血管组织建模方法、弯曲和变形条件下的仿真交互力计算方法和基于仿真交互力的导丝运动轨迹算法。结合动物实验形成较为完善的虚拟血管介入手术理论和技术体系，为虚拟手术培训领域提供新理论和新方法。

针对目前血管介入手术培训领域存在的训练成本高、真实性差和辐射损伤等问题，本项目将虚拟现实技术引入血管介入手术培训领域，围绕柔性血管组织建模和弯曲和变形条件下的仿真交互力计算两大关键科学问题,重点开展柔性血管组织和基于几何和材料属性的导丝建模、导丝-血管间仿真交互力作用机理和导丝运动仿真算法研究，开发出血管介入手术培训系统用于训练血管介入手术医生的操作技能。此外，本项目以中科院自动化所开发的血管介入手术机器人为实验平台，对上述提出的建模方法、仿真交互力和运动仿真算法进行实验验证。.本项目完成如下研究目标：1）提出一种柔性血管组织建模方法；2）提出一种弯曲和变形情况下的仿真交互力计算方法；3）建立反映血管内壁形状的仿真交互力约束模型；4）提出基于仿真交互力的导丝运动轨迹算法；5）在国际主流期刊和重要学术会议上，发表5 篇论文（其中SCI收录3篇，EI收录2篇），申报国家发明专利1项（专利处于公开阶段）。.本研究的科学意义为：1）本项目应用前景广阔，社会效益明显。本项目对于缩短血管介入手术医生的培养周期、降低训练成本和手术风险具有重要意义。.2）本项目在柔性血管组织建模、导丝-血管间仿真交互力作用机理和导丝运动仿真算法等方面的研究成果可应用于众多虚拟手术领域，对于相关领域的研究具有一定的推进作用。.3）本项目瞄准微创外科手术培训的前沿开展工作，对于提升我国虚拟现实技术在手术培训方面的应用水平、促进血管介入手术在临床手术中的应用具有重要意义。