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虚拟血管介入手术中导丝导管建模：攻克柔性大形变难题

一、引言

1.1研究背景

随着社会经济的发展以及人口老龄化进程的加速，心血管疾病已成为全球范围内威胁人类健康的主要疾病之一。《中国心血管健康与疾病报告2022》指出，由于居民不健康生活方式流行、心血管病危险因素人群庞大以及人口老龄化加速，我国心血管病发病率和死亡率仍在升高，疾病负担下降的拐点尚未出现。目前，我国心血管病现患人数达3.3亿，每5例死亡中就有2例死于心血管病，在城乡居民疾病死亡构成比中，心血管病占首位。2020年，缺血性心脏病（冠心病、心梗等）、出血性脑卒中（脑出血）和缺血性脑卒中（脑梗死）是中国心血管病死亡的三大主要原因。心血管疾病不仅严重影响患者的生活质量，还给家庭和社会带来了沉重的经济负担。

血管介入手术作为治疗心血管疾病的重要手段，具有创伤小、恢复快等优点，在临床上得到了广泛应用。通过将导丝和导管等器械引入血管，医生能够对病变部位进行精准治疗，如血管扩张、支架植入、药物输送等。然而，血管介入手术对医生的技术要求极高，手术过程中需要医生具备精湛的操作技能和丰富的经验，以应对各种复杂的血管形态和病变情况。同时，手术操作的细微失误都可能导致严重的并发症，如血管破裂、血栓形成等，对患者的生命安全构成威胁。

为了提高血管介入手术的成功率和安全性，虚拟手术技术应运而生。虚拟手术是利用虚拟现实技术，在计算机中建立一个模拟手术环境，医生可以在这个虚拟环境中进行手术计划制订、手术演练、手术教学和手术技能训练等工作。虚拟手术技术为医生提供了一个无风险的练习平台，使他们能够在实际手术前熟悉手术流程，提高操作技能，减少手术失误。此外，虚拟手术还可以用于手术规划，医生可以通过对患者的医学影像数据进行分析，在虚拟环境中模拟不同的手术方案，选择最佳的手术路径和治疗策略，从而提高手术的成功率和效果。

在虚拟血管介入手术中，导丝和导管的建模是关键技术之一。导丝和导管作为介入手术的重要器械，其在血管内的运动和变形情况直接影响手术的效果。然而，由于导丝和导管具有柔性大形变的特点，其建模面临着诸多挑战。传统的建模方法难以准确描述导丝和导管在复杂血管环境中的大变形行为，导致虚拟手术的真实感和准确性受到限制。因此，研究针对柔性大形变问题的虚拟血管介入手术导丝导管建模方法具有重要的理论意义和实际应用价值。

1.2研究目的与意义

本研究旨在解决虚拟血管介入手术中导丝导管柔性大形变建模的难题，通过深入研究和创新，建立一种能够准确描述导丝导管在复杂血管环境中柔性大形变行为的模型。具体而言，本研究将综合考虑导丝导管的材料特性、几何形状以及与血管壁之间的相互作用，利用先进的数值计算方法和力学理论，实现对导丝导管在大变形情况下的精确模拟。

解决柔性大形变问题对提升虚拟手术导丝导管建模的真实感与准确性具有重要作用。在虚拟血管介入手术中，导丝导管的运动和变形情况直接影响手术的真实感和操作的准确性。准确的建模能够真实地反映导丝导管在血管内的运动轨迹、变形程度以及与血管壁的相互作用，使医生在虚拟手术环境中能够获得更加逼真的操作体验，从而更好地进行手术计划的制定和手术技能的训练。同时，精确的建模也有助于提高手术模拟的准确性，为医生提供更准确的手术指导，减少手术风险和并发症的发生。

本研究对于医学培训和手术模拟具有重要的价值。在医学培训方面，虚拟手术技术为医学生和年轻医生提供了一个无风险的练习平台，使他们能够在虚拟环境中进行反复的手术练习，熟悉手术流程，提高操作技能。准确的导丝导管建模能够增强虚拟手术的真实感和实用性，使培训效果更加显著，有助于培养出更加优秀的心血管介入医生。在手术模拟方面，虚拟手术可以帮助医生在实际手术前对手术方案进行评估和优化，选择最佳的手术路径和治疗策略。精确的建模能够为手术模拟提供更加准确的数据支持，使手术模拟更加贴近实际手术情况，从而提高手术的成功率和效果。此外，本研究成果还有助于推动虚拟手术技术的发展，为未来的远程手术、手术机器人等领域的研究提供技术支持，具有广阔的应用前景。

1.3国内外研究现状

虚拟血管介入手术导丝导管建模技术的研究在国内外都受到了广泛关注，许多学者和研究机构在这一领域开展了深入的研究工作，取得了一系列的研究成果。

在国外，一些知名的研究机构和高校在虚拟手术建模领域处于领先地位。例如，美国斯坦福大学的研究团队在导丝导管建模方面进行了大量的工作，他们利用有限元方法对导丝导管进行建模，通过将导丝导管离散为有限个单元，对每个单元的力学行为进行分析，从而实现对导丝导管整体变形的模拟。这种方法能够较为准确地描述导丝导管的力学特性，但计算量较大，难以满足实时性要求。为了提高计算效率，他们还研究了基于GPU加速的有限元计算方法，通过利用图形处理器的并行计算能力，显