【摘 要】
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支气管镜术对于当前肺部疾病治疗起到关键的作用,它是典型的以人工干预为主导的介入性医疗仪器。现对支气管镜术的科学研究中,消除人工介入所带来的问题至关重要,因此虚拟手术及器械自动介入的相关研究必不可少。但当前这类研究并不成熟,亟需一个能够真实有效模拟呼吸运动中气管变形过程的方法,故对呼吸运动中气管变形问题的研究具有重要意义。首先,依据解剖学和医学原理对呼吸过程中的呼吸系统作用力进行分析,将呼吸过程分成
【基金项目】
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“黑龙江省普通高等学校青年创新人才培养计划”（项目编号:UNPYSCT-2020194）；
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支气管镜术对于当前肺部疾病治疗起到关键的作用,它是典型的以人工干预为主导的介入性医疗仪器。现对支气管镜术的科学研究中,消除人工介入所带来的问题至关重要,因此虚拟手术及器械自动介入的相关研究必不可少。但当前这类研究并不成熟,亟需一个能够真实有效模拟呼吸运动中气管变形过程的方法,故对呼吸运动中气管变形问题的研究具有重要意义。首先,依据解剖学和医学原理对呼吸过程中的呼吸系统作用力进行分析,将呼吸过程分成了呼气和吸气两个阶段考虑;分析呼吸系统的静力学特性,确定肺部跨肺压的求解方式,分析呼吸过程中呼气和吸气阶段的气道阻力和呼吸系统动力学特性,建立弹簧阻尼模型,得到各阶段的呼吸力学模型;获取力学模型输入变量数据,利用MATLAB对力学模型进行数值求解及拟合,得到整个呼吸阶段的呼吸作用力,并与文献结果进行对比,验证模型的准确性。然后,获取开源数据库的CT数据,利用Mimics建立呼吸系统的有限元模型,包括气管、肺、膈肌及肋间肌;力学模型的数值解作为外部载荷,输入到ABAQUS中进行动力学仿真,通过仿真的位移数据与文献数据作对比,验证动力学仿真的有效性;从仿真结果中获取未变形气管和最大变形气管模型,选定呼吸过程中入口速度的峰值作为边界条件,对气管模型进行计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）仿真,通过结果比对,分析气流与呼吸运动的相互影响关系。最后,应用MATLAB设计呼吸运动人机交互平台,功能包括呼吸力学模型的参数化计算和拟合、ABAQUS呼吸运动动力学仿真及Unity 3D虚拟平台的运行;确定动力学仿真数据与Unity 3D内气管模型变形的关联方式,使用3D Max对未变形气管模型进行定向处理,联合Unity 3D构建虚拟气管模型,通过仿真位移数据计算虚拟气管模型的变形缩放系数,应用脚本驱动,模拟呼吸运动,使用力反馈装置进行介入碰触实验,验证呼吸运动虚拟气管模型的有效性;使用患者的肺功能检查数据对交互平台及虚拟气管的呼吸运动模拟进行实验,验证人体呼吸系统动力学及运动模拟研究的可靠性。结果表明,以上研究不仅实现了人体呼吸运动的参数化数值模拟,还通过人机交互的方式实现了便捷性和研究的可扩展性,这为未来虚拟支气管镜术的研究提供了一定的基础。
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