微创介入血管手术(MIVS)是借助于介入导管和导丝通过血管管腔到达体内病变部位,然后实施诊断和治疗的一种新兴医疗技术。介入手术的传统训练方法主要以尸体、人体模型、动物和病人为主,但它们都存在一定的局限性,导致医生的训练机会较少,从而使得培养周期较长。根据这种现状,本文将计算机技术和现代医学技术相结合,设计了一套脑血管介入手术虚拟训练系统,为介入医生的培养提供了一个方便且低成本的训练平台。我们实验室在现有系统的基础上,提出若干改进措施,以期提升系统的实时性、准确性,具体研究内容如下:(1)改进虚拟环境在血管三维建模方面,采用了改进Marching Cubes算法,以此合并相关点,在保证性能的前提下简化了血管的三维数学模型。(2)碰撞检测方法的改进提出了基于运动对象局部场景截取的碰撞检测、基于空间分解和包围盒层次的混合碰撞检测的改进办法。改进系统最终选择以空降分解-包围盒混合碰撞检测法,该方法能有效地缩短碰撞检测时间,从而更好地实现系统的实时性。同时通过采用CPU-GPU混合计算方法改善程序架构。(3)力学分析及力反馈设计本文对导管在血管中行进过程中受到的接触力进行了分析,将接触力划分为三类:导管前端与血管间的碰撞力,导管体与血管间的摩擦力,导管体与血液间的粘滞力。同时根据这三种力设计了基于Phantom触觉设备的导管控制和力反馈功能。经实验表明,本虚拟训练系统能较好地使用Phantom控制导管模型完成推送、拉回和旋转等介入手术的基本操作,并且能检测出导管模型与血管模型之间发生的碰撞,同时将碰撞力反馈给操作者。因此,本系统能模拟介入手术的插管操作并具有很好的训练效果,能帮助医生快速掌握介入手术操作技巧,并能进行术前模拟,以提高介入手术的安全性。