基于vr的血管介入手术医生训练系统的研究

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1、分类号：510.8099密级：天津理工大学研究生学位论文基于VR的血管介入手术医生训练系统的研究（申请工程硕士学位）工程领域：控制工程作者姓名：高越指导教师：郭书祥教授王显明正高工2015年3月 ThesisSubmittedtoTianjinUniversityofTechnologyfortheMaster’sDegreeStudyonaNovelVR-basedDoctorTrainingSystemforVascularInterventionalSurgeryByYueGaoSupervisorShuxiangGuoXianming

2、WangMarch2015 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津理工大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印

3、或扫描等复制手段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：签字日期：年月日年月日 摘要目前，心脑血管疾病已成为严重威胁人类生命健康的常见疾病，微创手术技术是救治该疾病的最及时有效的方法。但是手术的复杂度和风险度都很高，需要医生具有丰富的手术经验和手术技巧。目前能进行血管介入手术的医生相对较少，这就需要采用适合并有效的训练方法对介入手术医生进行术前培训。随着计算机技术的日新月异，虚拟现实（VR）技术已经用于医学领域，本论文针对基

4、于VR的血管介入手术医生训练系统进行了相关研究，并搭建了基础平台，使用者可以以此练习使用血管介入手术辅助系统，进而进行手术技巧技能的训练。本研究利用三维图形接口OpenGL构建了MFC单文档应用程序，实现对三维模型的初步处理，如模型导入并显示、坐标轴显示、视图变换等。并完成了血管介入手术虚拟环境模型的建立，首先利用三维处理软件3DSMAX进行导管和血管的几何建模及视觉效果渲染，为了更加逼真的模拟手术环境，又采用对CT断层扫描文件进行三维重建的方法进行血管模型的建立。本研究采用质点-弹簧模型进行物理建模，并针对运动粒子建立了动力学方程，使物体具

5、有软组织特性，碰撞时能产生软体变形，本研究是利用Bullet物理引擎完成物理建模的。另外，对比发现，沿坐标轴的层次包围盒（AABB）是最适合处理可形变对象的碰撞检测的方法，研究应用此方法判断碰撞是否发生并进一步确定碰撞点，根据碰撞点位置的变化情况进而计算出反馈力的大小。本论文在力反馈的计算模型上进行了改进，通过该模型得到的反馈力不仅包括导管前端的碰撞力，还包括导管与血管壁的摩擦力和血流阻力。在力反馈的实现上，先是应用力觉渲染库OpenHaptics对反馈力完成力觉渲染，采用力触觉交互设备PHANTOMPremium实现与虚拟对象间的双向力觉信

6、息的交互。但是，PHANTOM的操作过程与真实的血管介入手术的操作过程存在一定差异，为了更符合医生手术中的操作习惯，本研究采用了新的主端操作装置，该装置是利用磁流变液（MRF）设计的阻尼器实现力反馈的，以此作为训练系统人机交互的硬件平台，可以让操作者操作真实的导管，提高了系统的真实性和训练效果。针对血管介入手术训练系统进行了相关验证性试验，证实系统能实现高度一致的位置跟踪和准确的力反馈。本研究将现代计算机技术应用于医学领域，完成了整个系统的设计和集成，可以对医生进行血管介入手术基本操作技能的训练。关键词：虚拟现实技术几何建模物理建模碰撞检测力

7、反馈 AbstractNowadays,cardiovascularandcerebrovasculardiseasehasbecomeaseriousthreattohumanlife.Minimallyinvasivesurgerytechnologyisoneofthemosteffectivemethodstotreatthisdiseasetimely.However,theprocedureoftheoperationiscomplexityandhasahighrisk,thissituationrequiresthedocto

8、rtobetrainedenoughbeforeclinicsurgery.Thedoctorswhocanfinishthevascularinterventio