本發明屬于虛擬現實領域，具體涉及一種基于虛擬現實技術的全過程血管介入手術訓練方法和系統。

背景技術：

1、近年來，我國人口老齡化速度加快，加之生活水平提高帶來的油膩飲食等不健康生活習慣，使得心血管疾病風險不斷攀升。當前，血管介入手術作為微創外科療法，可對中重癥心血管疾病患者進行低風險且高效治療。血管介入手術是在醫學影像引導下，借助穿刺針、血管鞘等手術器械將金屬導絲經人體血管推送至病變位置，并開展支架擴張等針對性微創手術治療，相比傳統外科心血管病手術具有顯著優勢。血管介入手術通過對患者進行微創且精準手術操作，有利于幫助患者減輕術中痛感、術后快速恢復，能夠有效降低心血管疾病死亡人數。但心血管本身較為柔軟及脆弱，外科手術極易引發醫療事故，這就使得血管介入手術具有較強的專業性，手術醫師需具有成熟的手術經驗，因此對手術醫師的術前培訓至關重要。但當前血管介入手術訓練仍然存在較多缺陷。其一，手術訓練需要借助x光等醫學影像設備，參訓人員即使穿著防輻射裝備仍存在受輻射風險，對身體造成不可避免的傷害；其二，訓練多采用動物尸體、堅硬血管模型等手術對象，不符合人體血管所表達的生物軟組織特性，使訓練效果存在不足；其三，血管介入手術需較長的培訓周期，訓練材料消耗較大導致成本較高。同時，長時間在輻射環境下訓練，使參訓醫師身體負擔加劇。

2、虛擬現實技術能夠通過計算機對真實情景進行復現，使得操作者在虛擬空間中利用人機交互獲得新型體驗，為各行業提供了技術支持。基于虛擬現實技術的優勢及應用前景，虛擬血管介入手術訓練系統能夠作為醫生向臨床實操過渡的培訓工具，受訓者能夠反復進行針對性學習，從而快速熟悉手術對象及操作過程。在當前血管介入手術訓練的研究中，能夠實現血管與導絲模型形變仿真與碰撞檢測，并較好表達血管與導絲的形變特性。但是，在實際應用上仍存在準確度、實時性與穩定性不高等問題，從而影響訓練者在手術訓練中所獲得的感官反饋有效性與及時性，不能滿足訓練效果。此外，當前的血管介入手術訓練系統未能將虛擬手術環境與交互訓練相融合，缺乏真實感與沉浸感。且對血管介入手術的訓練內容較為單一，缺乏血管介入手術的全過程訓練。

3、鑒于此，本發明提供了一種基于虛擬現實技術的全過程血管介入手術訓練方法和系統，可以提升血管及導絲模型形變仿真的視覺真實感，通過提升形變仿真及碰撞檢測解算效率，可以保證介入訓練交互的實時性與準確性。提供相對豐富且逼真的虛擬手術訓練場景，并與仿真模型相結合實現血管介入手術的全過程訓練，提升訓練內容的豐富性，對于血管介入手術的訓練具有重要意義。

技術實現思路

1、本發明的目的是為了解決公知技術中存在的技術問題，提供了一種基于虛擬現實技術的全過程血管介入手術訓練方法和系統?，F有虛擬血管介入訓練系統所應用的技術多采用剛體碰撞、線性彈性模型或簡單形變模擬算法，只能實現簡單幾何層面的形變，缺乏真實血管組織的力學表現效果。除此之外，現有技術難以模擬血管及導絲的非線性柔順形變，導致導絲推進、血管彎曲、支架釋放等操作缺乏真實感和沉浸感。本發明解決了現有技術中血管導絲建模準確度實時性和穩定性不高、缺乏真實感與沉浸感、且缺乏血管介入手術全過程訓練的問題，具體構建了“模塊-事件”雙驅動的全過程訓練架構，基于統一狀態及邏輯串聯麻醉、穿刺、造影、介入、支架釋放和止血等關鍵操作任務。并且高保真、結構豐富的虛擬手術場景使得在沉浸感方面獲得突破，不僅精準還原了手術室環境與血管解剖結構，并且結合動態光影渲染與三維空間自由漫游，為用戶提供了高度真實的空間感與操作臨場感，有效增強了訓練過程中的感官沉浸與操作代入體驗。

2、本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

3、一種基于虛擬現實技術的全過程血管介入手術訓練方法，該方法的實現包括：

4、首先，開發血管介入力學與碰撞仿真模塊，基于位置的動力學(position?baseddynamics，pbd)對血管與導絲模型進行結構離散，并結合區域形狀匹配法以及cosserat彈性桿模型來施加相應的約束條件，以約束函數的形式，分別實現血管模型與導絲模型的形變仿真。同時采用由寬到窄的三層遞進碰撞檢測方法來進行血管與導絲的碰撞處理；

5、其次，通過模型搭建與渲染優化，構建沉浸且豐富的虛擬手術場景，并通過實時渲染引擎對虛擬場景進行渲染及優化，提升訓練真實感和交互體驗；

6、然后，在虛擬場景的基礎上開發多模態交互控制模塊，融合視角漫游控制、介入器械操作以及界面交互的多方面功能，共同驅動介入訓練流程的執行；

7、最后，基于“模塊-事件”雙驅動的全過程訓練架構，使用統一狀態機邏輯按序串聯麻醉、穿刺、造影、介入、支架釋放和止血等關鍵操作任務，實現全過程訓練。

8、進一步的，所述血管介入力學與碰撞仿真模塊的實現，包括以下步驟：

9、血管模型仿真：基于醫學影像獲取精準的血管網格模型，通過pbd原理與形狀匹配相結合的方法進行血管模型仿真，充分表現血管整體的柔性、抗壓縮性以及局部微小形變等生物特性；

10、導絲模型仿真：采用cosserat彈性桿模型構建導絲模型，并與pbd方法相結合，能夠表征彎曲、扭轉及耦合的非線性形變；

11、碰撞檢測：碰撞是血管模型與導絲模型二者粒子基元間的相互作用，為增加碰撞精度和效率，使用空間哈希在寬檢測階段對包圍盒進行初篩，使用軸向包圍盒進行二次檢測，最后進行粒子基元間碰撞檢測的窄檢測，實現三層遞進的高效率碰撞檢測；

12、構建統一仿真解算框架：將血管仿真模型、導絲仿真模型所附加的多種約束函數匯集統一解算，以特定時間步長為單位進行高效仿真解算循環。

13、進一步的，所述血管模型仿真包括：

14、獲取網格模型：采用mimics對dicom數據圖像進行分割及三維重建，初步獲取血管分段模型并對血管網格模型進行優化，使其更加完整及光滑；

15、pdb模型仿真：基于pbd原理，將血管模型網格離散為粒子基元并施加具備物理特性的約束函數；結合真實血管組織的壁厚、彈性模量、泊松比等生物力學參數，將血管生物組織特性分別映射為粒子系統中各約束函數的剛度系數及迭代收斂參數。在約束投影中，通過迭代計算使相關粒子位置發生調整，以滿足約束條件，從而實現符合生理力學特性的形變效果。約束函數將模型特征描述為內部粒子基元之間的空間位置關系，其中距離約束函數可控制模型局部彈性效果；體積約束則維持整體體積一致性，從而保證血管在大變形過程中保持結構完整性并防止出現塌陷或不合理膨脹；彎曲函數用于模擬血管在彎折時的柔順性。

16、形狀匹配約束：為在整體血管的范圍內實現pbd局部粒子的形變效果，采用基于區域的形狀匹配方法。通過粒子質量修正策略，將粒子基元質量平均分配至每個區域，區域之間的位置求解相互耦合與鉗制，確保整體形變結果的穩定與合理；

17、所述導絲模型仿真，具體包括：

18、pbd與四元數結合：基于pbd原理離散導絲模型的粒子基元，在此基礎上引入旋轉四元數以表示粒子基元的扭轉等方向運動。通過四元數參數化，約束函數由標量形式拓展為向量形式；

19、cosserat彈性桿框架：采用由空間基線及方向控制點組成的cosserat彈性桿框架作為導絲模型的長度及彎曲扭轉約束函數。彈性桿被離散為若干桿單元相鏈接的結構，兩個粒子基元構成的桿單元的方向控制被參數化為旋轉四元數，對其控制可以體現出導絲的柔韌性、扭轉性和不可伸長等特性；

20、所述碰撞檢測，具體包括：

21、空間哈希碰撞檢測：以哈希函數為基礎，將三維空間均分為若干空間單元并進行編碼，映射至哈希函數存儲點位中，在二次檢測階段只對位于同一點位的包圍盒進行碰撞檢測，以此在寬檢測階段對包圍盒進行高效初篩；

22、軸向包圍盒碰撞檢測：確定包圍盒范圍后對粒子基元行動范圍進行預測，以得出基元在xyz三個坐標軸上的最值區間，進而使用軸對齊邊界框(axis-aligned?boundingbox,aabb)包圍盒進行包裹。因此，在進行aabb間碰撞檢測時，若不同的aabb包圍盒產生數據交叉，則判斷為發生碰撞；

23、基元間碰撞檢測：在確定發生碰撞的aabb包圍盒后，進行窄檢測階段的粒子基元間碰撞檢測。導絲在介入血管過程中，會發生扭轉、自纏繞等復雜的形變仿真，因此采用連續與離散相結合的粒子基元碰撞檢測方法并綜合考慮碰撞與摩擦效果，限制導絲及血管的粒子基元位置，避免產生穿透現象。

24、所述構建統一仿真解算框架，具體包括：

25、初始定義粒子的位置、速度、質量，以及參數化方向控制點中的四元數、角速度和轉動慣量。在單位時間步長下，開始對血管及導絲碰撞檢測及約束投影過程進行循環求解。在初步求解后，將所有約束共同配合，在迭代次數內完成各自約束投影。經過一個時間步長后，重新定義粒子的相對初始參數，進入下一解算循環階段。

26、進一步的，所述沉浸且豐富的虛擬手術環境是通過手術場景搭建及渲染優化來實現：

27、模型導入及搭建：使用建模軟件對虛擬手術訓練場景中所需要的模型進行配合與組裝，再與所仿真的血管及導絲模型一起同步導入unity3d平臺，對模型進行比例、位置等細節調整，建立豐富的虛擬手術訓練場景；

28、場景可視化優化：使用材質球及紋理貼圖等方法進行精細渲染后，初步建立具備質感與色彩的虛擬手術場景。在此基礎上，通過細節層次(levels?of?detail,lod)方法實現隨視角變換實時調整三維模型細節層次的效果，從而提升場景渲染效率。同時采用環境光線渲染來模擬真實手術場景的光照效果，進一步增強虛擬手術場景的真實性。

29、進一步的，所述多模態交互控制模塊包括視角漫游控制、介入器械操作以及界面交互控制：

30、所述視角漫游控制是通過實時監聽鍵盤與鼠標輸入行為，并將交互指令反饋至unity3d平臺，實現第一人稱視角的漫游功能，能夠在虛擬手術場景中進行移動和轉向觀察，從而獲得沉浸式空間體驗；

31、所述介入器械操作是基于血管與導絲的實時形變仿真，對麻醉注射、穿刺、鞘管置入及造影等關鍵手術步驟所需的器械進行三維建模和可操作性設計，從而支持訓練者在虛擬環境中完成完整的介入操作流程；

32、所述界面交互控制則是利用圖形用戶界面(graphical?user?interface,gui)與先前實現的硬件控制模塊相互配合，實現訓練功能可交互。界面設計包含交互區、反饋區及輔助窗口三部分，交互區用于執行訓練功能操作與參數調節；反饋區實時顯示狀態、血管及導絲形變信息；輔助窗口則提供內窺鏡觀察、血管造影模擬等擴展功能。

33、進一步的，所述“模塊-事件”雙驅動的全過程訓練架構是通過模塊與事件的雙重驅動機制，以所述血管介入力學與仿真模塊、所述多模態交互控制模塊為基礎串聯完整介入訓練流程，主要包括：

34、訓練任務建構：以麻醉注射、穿刺、鞘管置入、造影、介入治療及止血等臨床手術步驟為任務序列，對每個步驟進行詳細設計與虛擬仿真，確保各操作環節的基礎功能正確實現，構建覆蓋術前準備、術中操作到術后收尾的完整介入訓練流程。

35、訓練全流程調度：基于統一狀態機邏輯對訓練全流程進行調度，實現各操作環節的合理銜接與流程切換。狀態機能夠實時監控操作完成情況和規范性，觸發任務切換，同時提供訓練引導、操作提示及訓練操作容錯機制，確保訓練者在復雜操作場景下按照正確順序完成任務，同時提升訓練的安全性、規范性與使用體驗。

36、本發明還要求保護一種基于虛擬現實技術的全過程血管介入手術訓練系統，包括：

37、血管介入力學與碰撞仿真模塊，用于進行血管模型與導絲模型的形變仿真，同時采用由寬到窄的三層遞進碰撞檢測方法來進行血管與導絲的碰撞檢測；

38、沉浸且豐富的虛擬手術場景，實時渲染引擎對虛擬場景進行渲染及優化，用于構建涵蓋手術器械、手術環境、手術訓練提示的沉浸式虛擬場景；

39、多模態交互控制模塊，涵蓋視角漫游控制、介入器械操作以及界面交互的多方面功能，共同驅動介入訓練流程的執行；

40、基于“模塊-事件”雙驅動的全過程訓練架構，通過模塊與事件的雙重驅動機制，以麻醉注射、穿刺、鞘管置入、造影、介入治療及止血這些臨床手術步驟為任務序列，構建覆蓋術前準備、術中操作到術后收尾的完整介入訓練流程；

41、該系統具體通過上述的方法實現虛擬介入手術訓練。

42、與現有技術相比，本發明的技術方案所帶來的有益效果是：

43、(1)血管仿真模型能夠表現出良好的實時性、穩定性與準確性，導絲仿真模型具有靈活可控的扭轉、彎曲及不可伸長等物理特性。血管介入力學與碰撞仿真模塊真實模擬了導絲與血管在介入過程中的形變效果，并保證高精度的碰撞檢測與響應，大幅提升整體仿真的物理真實性與系統運行穩定性；

44、(2)由lod方法、全局光照渲染優化技術所構建的高保真、內容豐富的虛擬手術場景，不僅提升了場景的沉浸感，還兼顧了系統運行效率，使訓練者能夠在沉浸式環境中進行高交互性的手術訓練體驗；

45、(3)訓練流程中的“模塊-事件”雙驅動的全過程訓練架構，突破了傳統系統單一模擬導絲操作的限制，能夠高度還原真實介入手術從術前準備、術中操作到術后收尾的完整過程，實現訓練內容對實際臨床操作的全覆蓋，從而有效促進手術技能的遷移與標準化訓練；

46、(4)系統的交互邏輯和操作流程嚴格依據臨床專家的實際手術操作流程設計。包括不同介入路徑的選擇、麻醉后的操作步驟以及穿刺后的處理環節等，均以臨床專家的經驗和決策習慣為依據。同時結合設計學理論開展系統化分析與設計，進一步提升系統的操作連貫性和界面友好度。