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基于XPBD的微创冠脉旁路移植手术操作实时仿真

微创冠脉旁路移植术(MICS-CABG)是外科治疗严重冠心病的重要发展方向, 但MICS-CABG手术难度大, 风险高, 学员无法直接在实际病人进行手术技能训练. 基于虚拟现实技术的手术模拟训练, 能够有效提高训练效果, 避免手术风险.  针对微创冠脉旁路移植术的特点, 本文提出了一种基于XPBD框架的微创冠脉旁路移植手术操作实时仿真方法. 使用四面体外骨骼模型实现杂心脏的物理形变, 利用圆柱几何体表示手术器械物理模型. 在此基础上基于GPU加速的XPBD仿真框架, 利用冠脉中轴线建立Cosserat弹性杆模型的拉伸、剪切、弯曲、扭转约束, 实现了冠脉的形变仿真, 利用四面体体积约束实现心脏形变仿真. 进一步基于手术器械与心脏物理模型的碰撞检测, 引入不嵌入约束与附着约束, 生成工具与软组织交互的反馈力. 实验结果表明, 手术器械模型与软组织交互变形实时稳定, 视觉效果良好, 有着较高的仿真效率.