[发明专利]一种主从导丝控制方法

说明书

本发明涉及一种主从导丝控制方法，为基于虚拟现实力触觉渲染的主从导丝控制，通过力触觉渲染在主手端进行力触觉再现，操作者通过力触觉信息控制从手端导丝运动，其中，所述力触觉渲染模型为采用一维弧长坐标确定任意拉格朗日欧拉(ALE)导丝单元中接触检测点位置的基于任意拉格朗日欧拉(ALE)导丝‑血管壁高效接触检测算法。本发明使用一维弧长坐标代替现有技术的三维笛卡尔坐标确定ALE导丝单元中接触检测点的位置，简化导丝‑血管壁间的接触检测过程，在保证精度不变的前提下，提高了碰撞检测效率。

技术领域

本发明属于主从导丝控制技术领域，涉及一种主从导丝控制方法，具体是涉及一种用于虚拟现实微创血管介入式手术导丝与血管多点动态线接触的主从导丝控制方法。

背景技术

微创心血管介入手术如图1所示，以其减少术后疼痛、缩短恢复时间、创伤小等优点广泛使用，其中导丝作为关键介入器械要深入到心脏冠状动脉腔壁变狭窄或阻塞处。遥操作医疗机器人系统辅助医生在本地为远距离的病人进行手术，使处于新疆等偏远地区或灾区的病人得到及时诊治，同时有效减少手术的费用和时间，保护医生免受术中X射线辐射的危害。遥操作医疗机器人分为主端和从端两部分，使用网络进行通信，从端机构把持和操作导丝等介入器械，医生则在主端控制导丝运动。

虚拟现实技术作为提升临场感的关键技术被应用到介入式手术中，通过虚拟现实技术，重构一个与现实手术系统环境完全一致的虚拟现实环境，操作者直接通过人机交互设备与虚拟现实环境交互，即时产生视觉、听觉、触觉、力觉等感官感受。同时，主端医生的交互指令被发送到从端，这样便可降低时延的消极影响。

介入手术操作过程中，导丝和血管壁动态接触存在大范围的摩擦受力，主端使用虚拟现实技术进行其物理形变特征的实时仿真是一个有挑战的工作。而手术器械与血管壁碰撞的检测是非常耗时的，碰撞检测算法的好坏很大程度上决定了系统的整体性能。

对于导丝等细长物体的物理形变实时仿真，一般将导丝沿长度方向进行离散化，分析各微元的形变及受力。当前在模拟导丝和血管之间的动态接触作用方面存在以下几个问题：

(1)缺乏较高实时性的导丝-血管动力学建模仿真方法

传统的导丝建模方法采用Lagrange方法进行动力学描述。而对于导丝-血管壁接触类似问题，使用Lagrange方法对导丝进行动力学描述，其离散的网格必须足够密(网格的尺寸需远小于血管长度)以保证血管壁与导丝之间的接触检测是准确的，因此整个系统的自由度较多，计算效率较低。

(2)缺乏高效检测导丝与血管壁多点移动线接触仿真方法

导丝与血管壁属于动态多点线接触，是接触实时仿真和碰撞检测研究的难点问题。通常采用AABB包围盒方法来判断三维空间中运动的导丝单元是否与血管壁发生碰撞。AABB包围盒实际上是各个面分别与xy、yz、zx面平行的一个长方体，其优点在于构造简单、接触检测效率高。其问题在于，相邻的包围盒相互重叠，所以有时也很难确定检测点到底位于哪个包围盒中。

发明内容

本发明旨在提供一种主从导丝控制方法，具体是涉及一种用于虚拟现实微创血管介入式手术导丝与血管多点动态线接触的主从导丝控制方法，用于虚拟现实中导丝的大变形运动仿真及高效碰撞检测技术，以解决上述背景技术中提出的问题。

虚拟现实技术作为提升临场感的关键技术被应用到主从式手术中。通过虚拟现实技术，可在主从式手术的主端模拟一个类似从端的三维虚拟世界。假想在主-从式手术系统中，结合预知信息与从端反馈的多种传感器信息，在主端重构一个与从端环境完全一致的虚拟现实环境，操作者直接通过人机交互设备与虚拟现实环境交互，即时产生触觉、力觉等感官感受。同时，主端医生的交互指令被发送到从端，这样便可降低时延的消极影响。