[发明专利]一种血管介入手术机器人的手术仿真方法及系统

说明书

本发明提供了一种血管介入手术机器人的手术仿真的方法及系统，包括：对导丝进行建模，完成导丝在人体血管内运动的模拟和环境的交互；将血管的CTA医疗影像导入计算机中，对血管进行个性化建模；根据临床经验、血管三维模型对医疗器械在血管内的路径进行规划，选择最优路径；机器人机械臂碰撞检测，根据机器人机械臂碰撞检测，确定在线自适应模型；完成机器人对前端的导管、导丝的加持、推送和旋转及复合运动的动作分解；实现机器人利用导丝模型在血管三维模型中进行手术的仿真，同时在机器人手术时通过显示屏实时监控机械臂的运动状态和可视化运动数据。本发明全面地模拟医疗机器人血管介入手术的各个环节，对导丝在人体血管内的交互进行了模拟。

技术领域

本发明涉及一种虚拟手术的模拟方法，具体地，涉及一种血管介入手术机器人的手术仿真方法及系统。

背景技术

近年来介入微创手术发展迅速，且具有精准、快速、创伤小的优点，这对心血管疾病的治疗提供了很大的帮助。但是介入手术对医生的操作技能和专业知识以及手术经验都提出了很高的要求，特别是现在医疗资源分布不均，许多地区的医生由于条件的限制没有足够的能力实施血管介入手术。大多数医生都是通过动物或者尸体进行手术的训练，但这并不能真实、低成本的模拟真实手术环境，从而让医生获益。

并且心血管疾病严重地威胁着人们的身体健康，于是具有创伤小、恢复速度快、失血少等优点的血管介入手术应运而生。为了防止辐射对医护人员的伤害，医生在操作室通过操作手柄和按键来控制医疗机器人完成血管介入手术将成为趋势。但是血管介入手术难度很大，非常依赖于医生娴熟的技巧，所以需要一套能够模拟完整血管介入手术流程的手术仿真方案，用于培训医生或者辅助医生完成医疗机器人手术。但是目前的手术仿真方案存在着仿真流程不够完整，病人器官建模缺乏个性化和准确性的缺点。尤其是在血管建模方面缺乏个性化，所建血管三维模型不能反映病人血管的真实特点，而且缺少一种路径规划的方法将器械沿着规划的最优路径送至病人血管的病灶处。

目前，国内的专利没有一套能够完整地模拟血管介入机器人进行微创腔内血管介入手术的仿真，大多数仿真系统只能模拟血管或导丝等某个特定部分，不能对手术的完整阶段以及手术环境中可能出现的各种干扰和突发情况进行模拟，而且对于人体器官的建模不具有个性化，准确度有待提高。本发明针对现有的血管介入机器人仿真系统存在不完整和对真实环境还原度低的缺点，对手术的各个环节都进行了全流程虚拟仿真，添加了反馈闭环机制。对不同的手术术式、不同的患者病理特征以及器械的不同特性都进行了模型的构建。并能通过机械臂和机械手的运动仿真模块实时地监控手术机器人的每个动作，为医护人员提供一套完整的血管介入机器人微创腔内血管介入手术仿真系统，有助于提高医生的操作技能和实战经验。

本发明通过对血管建模、器械建模、碰撞检测建模、机械手臂仿真建模，建立了血管介入机器人的仿真系统，通过虚拟现实的方式对真实的手术环境以及突发情况进行了模拟与渲染，为医生用医疗机器人进行血管介入手术提供了很好的训练平台，有助于提高医生的手术技能。

专利文献CN103699776A(申请号：201310628842.7)公开了一种面向心血管介入手术仿真的导丝模拟方法，包括初始化，导丝仿真，交互阶段及优化。可以对导丝与血管壁之间的交互进行仿真，具有真实性。用电脑虚拟现实的方法仿真导丝在仿真血管中的状态，不会用人体进行仿真，减少了风险性。但是并没有对导丝在人体内血管的路径进行规划。也没有模拟导丝在血管内所受的血流的作用力。

专利文献CN106709902A(申请号：201611003438.0)公开了一种微创血管介入手术中导丝受血流作用的实时运动仿真方法。这篇专利不仅对导丝进行了建模，还结合了血管中血流对导丝的力作用，增强了导丝仿真的真实性，给医生在手术模拟上提供了很大的参考。但是并没有解决如何将器械以最优路径送至血管病灶处的问题。