● 摘要
在传统的血管介入手术过程中，医生要时刻观察DSA (Digital Subtraction Angiography)成像系统，会受到X射线的辐射。为了解决这个问题，主从式血管介入机器人进入临床辅助医生进行手术。由于医生直接操作机器人而不接触导管，使得医生缺失了与导管的力交互信息，由此带来了很大的手术风险。因此，需求开发一套与机器人系统匹配的软件培训系统，该系统能够实时仿真导管与血管的相对位置，并且将二者的接触力传递给医生，从而加强了机器人系统的实用性。
本文在课题组自主研发的主从血管介入手术机器人系统基础上，实现了基于CHAI3D的虚拟现实手术培训软件系统。CHAI3D是集成了计算机触觉，视觉互动和实时仿真的C++类库的开源包。本文基于CHAI3D实现了虚拟空间的建立、虚拟物体间的碰撞检测以及碰撞响应等关键技术，并在此基础上提出了论文的结构。
在血管介入手术过程，血管基本不发生形变，导管随着血管的形状而改变。因此，本文将血管建模为刚体，采用弹簧-质量球模型将导管建模为柔性体。通过对二者的碰撞检测，实时仿真导管在血管行进过程中的变形，最后通过主从血管介入机器人同时控制实际导管在血管模型中的运动以及虚拟导管在虚拟血管中的运动的实验来验证建模方法的准确性和实时性。
针对临床上使用主从血管介入机器人缺失力交互信息的问题，本文根据实时碰撞检测以及牛顿运动定律和胡克定律，提出一种力反馈算法。首先建立虚拟血管的层次包围盒，将组成血管的各个图元通过一定的规则划分到这些包围盒内部，然后遍历导管每一个质量球与包围盒的碰撞情况，若发生碰撞，则进一步检测该质量球与包围盒内部面片的碰撞情况，然后对发生碰撞的质量球进行受力分析，运用运动学力学定律，推导出导管末端受到的轴向合力，将该合力传递给医生操作的介入机器人，使其间接地感受到与导管的力交互信息。在实验过程中，通过采集光导纤维传感器和压电传感器测量的导管与血管接触力的数据，校正了力反馈算法中定义的各个物理参数，并重复进行多组校正实验，验证力反馈算法的准确性。
本文继承了传统介入手术成熟的经验，在主从式血管介入手术机器人系统基础上，开发出的软件培训系统，进一步提高了整个系统的有效性和安全性，加强了系统的推广与应用。