关键词:
训练系统
虚拟现实技术
血管形变
质点-弹簧
物理建模
摘要:
心脑血管疾病目前是危害中老年人健康的头号杀手,近些年,心脑血管疾病在我国出现了低龄化趋势。目前该疾病最有效以及后遗症最小的治疗主要是微创血管介入手术这一方法,但是该项技术对血管介入手术医生的要求很高,培养一个合格的血管介入手术医生耗费巨大而且周期很长。传统的培训方式主要有捐献尸体、人体模型、实验动物和病患等方式组成,但是这些方法存在着一些弊端。所以近些年来相关的研究人员将目光逐渐转向了如今已经日渐成熟的虚拟现实技术,希冀能够借助虚拟现实技术在血管介入手术医生的培训上达到突破。本文基于虚拟现实技术对血管介入手术医生训练系统进行了相应的研究。分别针对虚拟介入手术中的血管形变问题、导丝的物理真实性模拟进行研究,并在最后对导管导丝及血管形变进行实验与评估。首先本文针对现阶段现有基于虚拟现实技术的血管介入手术医生训练系统中存在的在训练过程当中血管无法形变的问题,本文基于质点-弹簧模型对虚拟血管模型进行物理建模,首先针对血管所具有的软组织物理特性选取了对应的弹性模量参数,并通过公式将它转换成质点-弹簧模型中的弹性系数,最后通过质点-弹簧模型对血管进行物理建模,在Unity 3D平台中得到具有形变效果的血管模型。然后针对实验室现阶段现有的基于虚拟现实技术的血管介入手术的训练系统中的导丝模型的视觉仿真效果不够逼真的缺点,使用基于位置动力学的cosserat弹性棒理论对导丝进行了真实性的建模。并根据导丝的物理特性,为导丝模型引入距离约束、弯曲约束等约束方法,增强了导丝的物理仿真效果。并且在基于位置动力学算法所具有的模型逼真度不高的特点,在基于位置动力学算法上进行改进,添加了cosserat弹性杆的理论建立了虚拟导丝模型,修改了原有的基于位置动力学算法中的约束方法,增加了虚拟环境当中的导丝运动仿真的真实性。最后本文对整个系统中虚拟环境的血管形变效果以及导丝的物理仿真效果进行实验与评估,实验结果表明在虚拟环境中当血管受到碰撞力的时候,血管会根据碰撞力的大小产生不同的形变效果,研究人员能够在进行训练时得到一个很好的视觉反馈效果。在对于导丝的物理仿真中,通过操作导丝在虚拟血管环境中进行运动,发现添加了cosserat弹性杆模型的导丝运动状态比单纯使用基于位置动力学算法进行建模的导丝的物理效果更好,并且基于位置动力学的cosserat弹性杆物理建模方法建模后的导丝在进行仿真时具有较好的真实性。此外我们还为导丝添加了刚度值变量,针对不同的导丝,操作人员可以修改刚度值改变导丝的刚度,为虚拟医生训练系统的使用添加了较大的灵活性。