虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）[2,3],可以构造虚拟实现物理世界的真实存在感，通过计算机模拟可以交互的虚拟奇妙的客观世界，使用户完全沉浸到模拟空间环境中，虚拟现实技术的主要应用如图 1-3 所示。虚拟手术系统（Virtual Surgery System，VSS）[4]是虚拟现实技术运用在提高社会医疗水平的重要应用，它融合了生物结构学、医学影像、数学分析、人机交互技术、立体显示技术等学科，以数学基础为理论指导，构建虚拟人体组织模型准确模拟手术过程中手术器械和组织器官交互作用。虚拟手术技术具有以下特征：沉浸感（Immersion），用户处于虚拟情况下感受到模拟环境的真切程度；交互性（Interactivity），用户对模拟环境中软组织对象的可操控程度和反馈性；多感知性（Multi-Sensory），多感知性包括视觉感知、摩擦感知、听觉感知、运动感知等。图 1-3 虚拟现实技术应用虚拟手术系统为用户提供真切的手术场景重构，主要应用于制定手术方案。
第2章 软组织物理建模
2.1 软组织特性
人体器官中，不同组织的力学特性各不相同，其特性随着病理和年龄条件变化[26、27]。软组织物理结构特性主要体现在：（1）不均匀性：由于人体生物结构十分复杂，物理特性由坐标位置和空间方向决定，所以人体组织具有不均匀性。（2）粘弹性：与时间相关的材料属性称为粘弹性。软组织具有固体的弹性和流体的粘性两种特征，在受到外力发生形变时，粘弹性会随时间逐渐增加。（3）非线性：因为软组织的粘弹性使得模型的应力应变呈现非线性。（4）各向异性：软组织在空间各个方向上体现出不同的物理性质。2.2 物理建模方法
几何建模是建立软组织模型的基础步骤之一，模型可以确切地体现出软组织本身的结构框架与物理特征，通过几何模型可以惟妙惟肖地描述出物体本身表面特征，例如光照阴影、颜色纹理、形状大小等，它是为图像渲染和形变仿真服务的。几何建模侧重于模拟视觉效果，而物理建模在几何模型基础上增加了物体的物理特性，使模型能够真实地描述物理特征，如质量、惯性、粘弹性等[28]，物理模型的建立是虚拟建模技术的重要组成部分，模型的好坏直接制约着虚拟手术训练系统的权衡质量。第 3 章 肝脏软组织穿刺实验及仿真········ 14
3.1 有限元软件选择 143.2 肝脏穿刺实验设计 ········ 14
3.3 肝脏参数计算 ···· 17
3.4 物理建模······ 19
3.5 结果分析······ 21
3.6 本章小结······ 22
第 4 章 虚拟血管拉伸仿真····· 23
4.1 血管拉伸实验设计 ········ 23
4.2 手术器械拉伸实验设计 28
4.3 虚拟血管拉伸建模 ········ 30
第 5 章 虚拟血管介入手术系统 ··· 36
5.1 血管、介入导丝建模 ···· 36
5.2 结果分析······ 40
5.3 本章小结······ 45
第5章 虚拟血管介入系统
5.1 血管、介入导丝建模
血管介入手术过程中，医生将手术器械从体外经血管推送至病变位置进行治疗操作。对于传统的普通外科手术，血管介入手术医生只能从体外对手术器械进行细微操作，因此手术器械的力反馈尤为重要。人体血管分支是复杂的系统，血管路径弯曲不规则，内径不统一，而且病变血管容易受损，所以手术器械呈细而长的形状特点并且具有一定的柔性度，可以顺沿着血管腔道达到病变处。图 5-1 为常见的血管介入手术器械[38]，其中（a）为指引导丝，（b）为血管支架，（c）为造影导管，（d）为球囊导管。指引导丝尖端呈 J 型并且非常柔软，可以通过血管的狭窄病变处，为支架介入作路径指引。支架导管尖端处装有金属支架，用来进行人体血管中支架扩张治疗手术。造影导管主要用于造影检查，造影剂通过空腹从体外抵达诊断位置。球囊导管尖端有可充气膨胀的扩张收缩球囊，对狭窄病变血管进行球囊定位扩张手术。5.2 结果分析
导丝介入仿真实验模拟在真实冠脉介入手术中指引导丝从股动脉经主动脉送达冠脉入口的过程。导丝在主动脉血管的推进仿真过程如图 5-4，其中（a）为导丝位于股动脉与主动脉初始的交汇位置；（b）为导丝在推送作用下进到主动脉，位于主动脉弓位置；（c）为导丝介入主动脉弓，同时产生较大弯曲形变；（d）为导丝位于冠脉血管的入口位置，完成导丝介入血管的整体仿真过程。在血管介入手术仿真过程中，由于与血管碰撞导丝模型呈现出了逼真的弯曲形变效果。....
第6章 总结和展望
虚拟手术平台是虚拟现实技术在医疗健康方面的重要运用，集生物力学、实时图像采集、物理模型建立、医疗信息统计于一体。由于虚拟手术平台有较强的灵活性，受训者能够依据手术场景设计场景环境来实施操作训练，预演手术过程从而排除意外发生。通过虚拟手术平台不仅提升手术的成功率，削弱非熟练医生开展手术对病人带来的危害。所以开展虚拟手术技术相关研究对提升整体医疗素质、改善国人生活健康质量具有重大意义。关于软组织建模完成了如下三项工作：（1）首先设计了基于 X-Y 平台肝脏穿刺实验，在实验基础上研究了基于有限元法的肝脏穿刺仿真，通过仿真数据和实验曲线对比验证了有限元法运用到软组织形变仿真的可行性。（2）其次基于软组织建模的必要性，提出了血管软组织、介入导丝力学拉伸实验，计算得到生物力学特性。在实验的基础上，设计了基于有限元法血管拉伸实验仿真，通过对实验和仿真应力应变曲线进行对比验证了血管拉伸结果的真实性。（3）从真实性与完整性考虑，设计了虚拟血管介入手术系统，通过基于有限元法构建血管模型和手术器械模型，实现了的血管内导丝介入过程。
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参考文献（略）
