【摘 要】
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随着虚拟现实技术的发展,基于虚拟现实技术的血管介入手术医生训练系统解决了传统的训练过程中缺少真实感和与活体训练环境差别大的问题。针对血管介入手术危险性高以及新手医生技法不熟练而无法准确按照数字减影机(DSA)显示的路图来递送导管的问题,本文设计了一种基于轨迹预测和实时局部路径规划的血管介入手术医生训练系统。该系统能提高医生修正导管路径的能力,还能对导管尖端的轨迹预测和预警,提高手术安全性。首先,针
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随着虚拟现实技术的发展,基于虚拟现实技术的血管介入手术医生训练系统解决了传统的训练过程中缺少真实感和与活体训练环境差别大的问题。针对血管介入手术危险性高以及新手医生技法不熟练而无法准确按照数字减影机(DSA)显示的路图来递送导管的问题,本文设计了一种基于轨迹预测和实时局部路径规划的血管介入手术医生训练系统。该系统能提高医生修正导管路径的能力,还能对导管尖端的轨迹预测和预警,提高手术安全性。首先,针对新手医生技法不熟练,刺破血管风险较大的问题,本文提出了一种基于卡尔曼滤波算法的预测导管尖端轨迹的方法,该方法可以提前对医生的错误操作进行预警,并且当预测到的轨迹异常时,会提前开始局部路径规划,保证了局部路径规划的实时性。该方法提高了医生的危险意识和手术的安全性。然后,手术过程中当导管的路径偏离了DSA的路径图时,新手医生缺乏修正导管路径的能力。为了有效地避免这个弊端,本文提出了一种基于导管的动态局部路径规划方法,该方法用到了改良的快速探索随机树(Rapidly-exploring Random Trees,RRT)算法。系统可以实时检测导管尖端的预测轨迹,当预测的轨迹发生异常时,可以迅速规划出局部路径,辅助新手医生修正导管的运动轨迹,使导管按照已经规划好的全局路径进行递送,大大提高了新手医生修正导管轨迹的能力,并且增强了医生训练系统的训练效果。最后,本论文进行了导管尖端的轨迹预测实验和导管的局部路径规划实验分别来验证轨迹预测的准确性和局部路径规划的训练效果。首先,进行了导管尖端轨迹预测实验,并且将预测轨迹与实际轨迹进行对比,预测位置和实际位置的最大误差不超过0.5mm。其次,为了验证局部路径规划的训练效果,进行无局部路径规划和有局部路径规划的对比实验,将实验分为两部分,其中一部分为无局部路径规划实验的10组实验,另一部分为有局部路径规划的10组实验,其中无局部路径规划的平均全程碰撞次数为10.125次,平均全程耗时为126.25s,有局部路径规划的平均全程碰撞次数为1次,平均全程耗时为99.3s。综上所述,本文提出的导管尖端轨迹预测功能和实时局部路径规划功能提高了医生训练的成功率,并且还大大提高了训练系统的训练效果。
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