In recent years, medical simulators have been widely applied to a broad range of surgery training tasks. However, most of the existing surgery simulators can only provide limited immersive environments with a few pre-processed organ models, while ignoring the instant modeling of various personalized clinical cases, which brings substantive differences between training experiences and real surgery situations. To this end, we present a virtual reality (VR) based surgery simulation system for personalized percutaneous coronary intervention (PCI). The simulation system can directly take patient-specific clinical data as input and generate virtual 3D intervention scenarios. Specially, we introduce a fiber-based patient-specific cardiac dynamic model to simulate the nonlinear deformation among the multiple layers of the cardiac structure, which can well respect and correlate the atriums, ventricles and vessels, and thus gives rise to more effective visualization and interaction. Meanwhile, we design a tracking and haptic feedback hardware, which can enable users to manipulate physical intervention instruments and interact with virtual scenarios. We conduct quantitative analysis on deformation precision and modeling efficiency, and evaluate the simulation system based on the user studies from 16 cardiologists and 20 intervention trainees, comparing it to traditional desktop intervention simulators. The results confirm that our simulation system can provide a better user experience, and is a suitable platform for PCI surgery training and rehearsal.

中文翻译：

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个性化经皮冠状动脉介入手术模拟系统的设计与评价

近年来，医学模拟器已广泛应用于广泛的手术训练任务。然而，现有的大部分手术模拟器只能提供有限的沉浸式环境，只提供少量的预处理器官模型，而忽略了对各种个性化临床病例的即时建模，这带来了训练体验与真实手术情况的实质性差异。为此，我们提出了一种基于虚拟现实（VR）的手术模拟系统，用于个性化经皮冠状动脉介入治疗（PCI）。模拟系统可以直接以患者特定的临床数据为输入，生成虚拟的 3D 干预场景。特别地，我们引入了一种基于纤维的患者特定心脏动力学模型来模拟心脏结构多层之间的非线性变形，它可以很好地尊重和关联心房、心室和血管，从而产生更有效的可视化和交互。同时，我们设计了一个跟踪和触觉反馈硬件，使用户能够操纵物理干预仪器并与虚拟场景进行交互。我们对变形精度和建模效率进行定量分析，并根据 16 名心脏病专家和 20 名干预学员的用户研究评估模拟系统，并将其与传统的桌面干预模拟器进行比较。结果证实，我们的模拟系统可以提供更好的用户体验，是一个适合PCI手术培训和排练的平台。我们设计了一个跟踪和触觉反馈硬件，它可以使用户能够操纵物理干预仪器并与虚拟场景进行交互。我们对变形精度和建模效率进行定量分析，并根据 16 名心脏病专家和 20 名干预学员的用户研究评估模拟系统，并将其与传统的桌面干预模拟器进行比较。结果证实，我们的模拟系统可以提供更好的用户体验，是一个适合PCI手术培训和排练的平台。我们设计了一个跟踪和触觉反馈硬件，它可以使用户能够操纵物理干预仪器并与虚拟场景进行交互。我们对变形精度和建模效率进行定量分析，并根据 16 名心脏病专家和 20 名干预学员的用户研究评估模拟系统，并将其与传统的桌面干预模拟器进行比较。结果证实，我们的模拟系统可以提供更好的用户体验，是一个适合PCI手术培训和排练的平台。并根据 16 名心脏病专家和 20 名干预学员的用户研究评估模拟系统，并将其与传统的桌面干预模拟器进行比较。结果证实，我们的模拟系统可以提供更好的用户体验，是一个适合PCI手术培训和排练的平台。并根据 16 名心脏病专家和 20 名干预学员的用户研究评估模拟系统，并将其与传统的桌面干预模拟器进行比较。结果证实，我们的模拟系统可以提供更好的用户体验，是一个适合PCI手术培训和排练的平台。