近年来,随着社会经济发展、人民生活方式的改变,心血管疾病的发病人数逐年增加,已成为全球居民疾病死亡构成的主要单位。传统的心脏介入手术是在X-光照射下,医生通过图像引导将介入器械推送至病灶区域。大量的X-射线辐射和长时间的高度集中作业给医生带来了不同程度的神经系统类损伤。因此,用以降低对医生损害的心脏机器人介入手术的相关研究是目前介入手术领域的一大热点。本文提出的机器人介入手术中的安全防护方法,能够对介入过程中的血管等组织进行保护,降低手术风险。现有的针对介入血管的保护多是从硬件上对介入器械进行改进,通过改变导管远端的驱动方式,使远端的操纵性更加灵活、可靠,以减少导管/导丝远端对血管壁造成的损伤。然而,改进后的远端导管结构过于复杂,工艺要求高,且价格昂贵、易损坏等缺点使其很难广泛应用于手术中。本文通过建立血管及导丝运动的几何模型和物理模型,从软件层面上对介入血管进行保护以免遭受导管前端带来的损伤。本文针对心脏机器人介入手术中安全防护的相关技术进行了详细研究并搭建了一个初步的安全防护子系统,该系统能够对心脏机器人介入手术进行基础的安全防护。本文的主要内容包括以下几个方面:首先介绍了CT二维切片图像的三维可视化及目标介入血管分割的相关知识,并详细介绍了图像分割常用的方法。本文采取光线投射算法对CT数据进行体绘制,并基于区域生长的半自动分割方法从胸腹部CT数据中分割出胸主动脉部分的血管。同时,为规划出介入过程中的手术路径,采取基于Voronoi图的几何学方法提取血管中心线,同时利用中心线及血管半径信息,对血管内区域进行动态划分,建立心脏机器人介入手术的初级安全防护模型。然后介绍了电磁导航定位技术及有关导丝几何模型和物理模型的详细内容。为给医生提供导丝在血管中的实际状态,本文在电磁跟踪定位技术获取的离散坐标点的基础上,采取基于Cardinal样条曲线的方法,对导丝前端的位置坐标进行插值,从而构建出前端完整的几何形态。为能够预测导丝在血管内的运动行为,基于基尔霍夫弹性杆理论,建立导丝的物理模型,并对其进行动力学分析。最后介绍了基于碰撞检测的导丝行为预测理论,包括碰撞检测、碰撞响应及血管安全性判断三个部分。本文采取基于K-DOPS层次包围盒的方法对目标对象执行实时的碰撞检测,并结合导丝的动力学方程、碰撞检测结果、惩罚法碰撞响应理论,对血管与导丝之间的安全性作出判断。本文的心脏机器人介入手术中的安全防护使用C++编程语言实现,并采取MVC系统设计模式进行功能界面的开发,该系统易于扩展和维护。为对本文提出的从软件层面上对介入过程中的血管的安全防护方法进行评价,本文利用3D打印技术制作了一个与真实血管完全一致的硅胶模型,并以不同的速度、角度对导丝进行推、拉、扭转等操作,模拟血管介入手术操作。实验结果显示:规划的导航路径及动态划分的血管区域,能够有效的引导导丝的推进过程;实时的碰撞检测及导丝的运动学分析,可计算出导丝在下一时刻的位置及导丝与血管壁之间的作用力,从而实现了对血管壁的精准防护。本文实现的心脏机器人介入手术中的安全防护方法能够有效的对血管壁进行保护,且对比硬件改进的方法,手术成本大大将低,对临床应用具有重要意义。