一种基于一体化链甲模型的医学手术器械导丝的模拟方法

摘要

本发明提供了一种基于一体化链甲模型的医学手术器械导丝的模拟方法，包括四个步骤：建立导丝模型，使用链甲模型对医学手术器械导丝进行建模；对导丝运动过程的模拟，包括对导丝的推拉和旋转操作；导丝与血管壁碰撞处理；一体化链甲模型建模及独立链甲系统间耦合计算。本发明基于一体化链甲模型方法，相比于有限元方法，具有实时性好，计算简单的特点。

权利要求

1.一种基于一体化链甲模型的医学手术器械导丝的模拟方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤(1)建立导丝模型：根据导丝的几何特征，将导丝模型离散化成一段段刚性体，每段刚性体不能压缩或者拉伸，刚性体之间由链接点连接，在链接点处可以弯曲，链接点作为一个链甲模型元素，建立链甲模型；

步骤(2)对导丝运动过程的模拟：导丝运动包括推操作、拉操作和旋转操作；其中对于导丝的推操作，选择导丝的尖端部分进行位置更新；对于导丝的拉操作，从导丝的体部分进行位置更新；对于导丝的旋转操作，通过外部设备输入旋转角度，计算旋转轴对位置进行更新；

步骤(3)导丝碰撞检测和响应：在对导丝运动过程的模拟中，使用符号距离场方法进行导丝碰撞检测，在发生渗透现象时进行碰撞响应，达到更真实的模拟效果；所述碰撞响应过程为：将导丝在运动过程中，受到的力又分为外力、内部力、碰撞力和摩擦力；外力通过触力设备输入获得；内部力传递运动状态，通过解算链甲模型，根据胡克定律得到；导丝在血管壁发 生碰撞时，碰撞力计算是通过碰撞响应，施加给导丝的一个惩罚力，使导丝形变，限制在血管内部获得；摩擦力的计算是在导丝与血管壁发生碰撞时，通过库伦定理获得。

2.根据权利要求1所述的基于一体化链甲模型的医学手术器械导丝的模拟方法，其特征于：所述步骤(1)中的链甲模型的建立方法为：初始化导丝形状，对导丝尖端形状进行计算；然后对导丝模型离散化，导丝的尖端和体部分别设定不同的材质参数；并且对链甲模型的拉伸系数，压缩系数和剪切系数以及元素之间的初始段长、导丝尖端弯曲角度参数进行初始化，以模拟导丝尖端和体部的不同物理材质属性。

3.根据权利要求1所述的基于一体化链甲模型的医学手术器械导丝的模拟方法，其特征于：所述步骤(2)中计算旋转轴的具体为：通过导丝的尖端部分的最后一个元素和体部的第一个链甲元素位置之间的单位向量作为旋转轴,在尖端推操作力的方向，将尖端点沿着这个方向平移输入值大小的距离，解算这个链甲模型，更新链甲模型其他元素的位置。

4.根据权利要求1所述的基于一体化链甲模型的医学手术器械导丝的模拟方法，其特征于：所述步骤(2)中，对导丝运动过程的模拟时采用动态自适应采样的方法，实现为：在导丝实行推操作、拉操作和旋转操作时，事先设定一个阈值，当血管末端的导丝元素大于阈值时则动态删除元素；同时在对导丝实行拉操作时，当导丝处于血管末端的长度大于导丝总长度的1/2时，也动态在导丝末端删除元素；相反如果血管末端导丝元素太少，少于设定的阈值，则需要增加点，即添加该点的链甲模型元素，相应地更新链甲模型，从而使模拟效果更真实。

5.根据权利要求1所述的基于一体化链甲模型的医学手术器械导丝的模拟方法，其特征于：所述步骤(3)中导丝碰撞检测和响应采用广义的符号距离场(SDF)的方法，由于血管会随着心脏模型发生形变，需要对血管壁动态建立符号距离场，导丝在运动过程模拟中，处于任何位置均能够通过计算它的符号距离，符号为正说明发生渗透，通过碰撞响应算法，将与血管壁距离过近的或者发生穿透的元素限定在血管内。

6.根据权利要求1所述的基于一体化链甲模型的医学手术器械导丝的模拟方法，其特征于：所述步骤(2)中在对导丝运动过程的模拟中，为了实现不同模型之间统一的耦合计算，分别对流场和血管模型建立链甲模型，通过设定参数达到不同材质的模拟效果，把链甲模型内部的各元素关系成为实链接，建立实链接的结果是更新模型任意元素，整个模型通过实链接传递形变；而将形变从一个链甲模型 元素传递到另一个模型，则需要通过虚拟链接传递，由于有些东西动态发生形变，所以采用虚拟链接的方法计算时需要动态建立链接。

说明书

一种基于一体化链甲模型的医学手术器械导丝的模拟方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于一体化链甲模型的医学手术器械导丝的模拟方法，该模拟方法主要应用于对冠状动脉虚拟手术训练系统中，训练者可以通过操作真实的导丝器械控制手术进行，达到了解手术了解，提高操作手术熟练度的目的。

背景技术

[0002] 心血管疾病，又称为循环系统疾病，是一系列涉及循环系统的疾病(循环系统指人体内运送血液的器官和组织，主要包括心脏、血管)，可以细分为急性和慢性，一般都是与动脉硬化有关。目前世界范围内，有心血管以及相关疾病的人口占世界人口的1/4，因此，心血管疾病已经成为世界医学界的难题，是全人类的挑战之一。

[0003] 放射介入(IR，Interventional Radiology)疗法是在透视、CT、MRI、B超等医学影像技术引导下，通过穿刺，将导管、导丝等插到病变部位，对身体各脏器疾病进行治疗的新学科。目前，介入手术已经发展成为治疗心血管病患者最有效、最及时的方法之一，介入手术是一种微创手术，具有痛苦小、住院时间短、安全性高等优点。目前，在进行介入手术操作时，要根据实时二维的透视成像技术(比如X光等)得到的图像，对手术器械进行推、拉、旋转等操作，来控制手术器械到达病灶的位置，进行手术治疗，那么就要求进行介入手术操作的医生要具有大量的临床经验以及熟练的操作技术。

[0004] 所有仿射的培训的基础目的都是培养操作核心仪器的能力。如对于微创手术来说，需要对导丝的操作进行培训如何通过控制导丝的末端，在荧光镜指引下进行手术操作。为了提供训练环境，导丝在人体血管内的运动的模拟真实性对于训练效果非常重要。对于这样的模拟算法，真实性和速度要求都非常重要。

发明内容

[0005] 本发明解决的技术问题是：克服现有的一些模拟导丝的算法的真实性或者速度上的不足，提供了一种基于链甲模型的医学手术器械导丝的模拟方法，并且通过对导丝运动过程的分析，提供了更真实的算法，保证了真实性和速度的要求，具有实时性好，计算简单的特点。

[0006] 本发明采用的技术方案为：一种基于链甲模型的医学手术器械导丝的模拟方法，包括以下步骤：

[0007] 步骤(1)建立导丝模型：根据导丝的几何特征，将导丝模型离散化成一段段刚性体，每段刚性体不能压缩或者拉伸，刚性体之间由链接点连接，在链接点处可以弯曲，链接点作为一个链甲模型元素，建立链甲模型；

[0008] 根据导丝的物理特征，医学导丝可以被看作易弯曲、扭转，但是很难被拉伸的弹性物体，通过导丝操作导丝末端可以将移动或者旋转传递到尖端，并通过尖端选择进入血管分支，本发明基于广义链甲模型将导丝离散化成小段连接而成的链，每个段是不可压缩或者弯曲的刚性杆，段间通过可以弯曲的链接点相连。导丝包括两部分，比较刚性的细的体部和更柔软的尖端部分，尖端部分更易弯曲。链甲模型的建立方法为：为了模拟尖端有弯曲部分的导丝，初始化导丝形状，对导丝尖端形状进行计算；然后对导丝模型离散化，根据不同材质属性设定不同参数，模拟带有尖端的导丝模型，导丝的尖端和体部分别采用不同的材质参数；并且对链甲模型的拉伸系数，压缩系数和剪切系数以及元素之间的初始段长、导丝尖端弯曲角度参数进行初始化，以模拟导丝尖端和体部的不同物理材质属性。

[0009] 步骤(2)对导丝运动过程的模拟：导丝运动包括推操作、拉操作和旋转操作；其中对于导丝的推操作，为了防止导丝在血管内运动过程中出现过弯曲的状况，选择导丝的尖端部分进行位置更新；对于导丝的拉操作，由于没有过弯曲的问题，所以从导丝的体部分进行位置更新；对于导丝的旋转操作，通过外部设备输入旋转角度，计算旋转轴对位置进行更新；计算旋转轴的具体为：通过导丝的尖端部分的最后一个元素和体部的第一个链甲元素位置之间的单位向量作为旋转轴,在尖端推操作力的方向，将尖端点沿着这个方向平移输入值大小的距离，解算这个链甲模型元素，更新其他链甲模型元素的位置；

[0010] 为了不影响计算效率的情况下真实的效果，使用了动态自适应采样的方法，在导丝实行推操作、拉操作和旋转操作时，事先设定一个阈值，当血管末端的导丝元素大于阈值时则动态删除元素；同时在对导丝实行拉操作时，当导丝处于血管末端的长度大于导丝总长度的1/2时，也动态在导丝末端删除元素；相反如果血管末端导丝元素太少，少于设定的阈值，则需要增加点，即添加该点链甲模型元素，相应地更新链甲模型，从而使模拟效果更真实。

[0011] 步骤(3)导丝碰撞检测和响应：所述步骤(2)，在对导丝运动过程的模拟中，可能会发生与血管壁的碰撞，进行导丝碰撞检测和响应，防止发生渗透现象，达到更真实的模拟效果。

[0012] 导丝碰撞检测和响应采用广义的符号距离场(SDF)的方法，通过对血管壁建立符号距离场，导丝在运动过程模拟中，处于任何位置均能够通过计算它的符号距离获得其相对血管壁的位置，即血管内或者血管外，通过碰撞响应算法，将与血管壁距离过近的或者发生穿透的元素限定在血管内；符号距离场的方法可以有效的检测到发生穿透元素并施加惩罚力修正元素位置；

[0013] 碰撞响应算法为：将导丝在运动过程中，受到的力又分为外力、内部力、碰撞力和摩擦力；外力通过触力设备输入获得；内部力传递运动状态，通过解算链甲模型，根据胡克定律得到；导丝在血管壁放生碰撞时，碰撞力计算是通过碰撞响应，施加给导丝的一个惩罚力，使导丝形变，限制在血管内部获得；摩擦力的计算是在导丝与血管壁发生碰撞时，通过库伦定理获得。

[0014] 步骤(4)导丝与血液流场的耦合：在对导丝运动过程的模拟中，要进行导丝与血液流场的耦合，过程为：实现导丝及血液流场之间的耦合计算，统一对流场建立链甲模型，通过设定参数达到不同材质的模拟效果，把链甲模型内部的各元素关系成为实链接，更新任意元素的位置，将三维链甲模元素的形变从一个模型通过虚拟链接传递到另一个模型，这种的改变会通过实链接传递到整个链甲模型，避免导丝运动过程中受到流场的影响；有了导丝模型和血液流场的模型以后，为了实现跨模型的运动传导，采用动态建立虚拟链接的方法，即模型之间的虚拟链接，动态在模型之间建立虚拟链接，然后通过求解虚拟链接达到不同模型之间传递运动状态的目的，避免了由于流场数据太大影响模拟效率，无法达到实时的限制，由于统一采用了链甲模型，可以达到很高的时间效率，实时模拟。

[0015] 本发明的原理在于：

[0016] (1)通过对导丝模型离散化，建立导丝的链甲模型，为了模拟带有尖端的导丝模型，导丝的尖端和体部分别不同的材质参数。

[0017] (2)为了模拟导丝的运动过程，本发明中考虑了导丝的外力、内力和摩擦力，分别考虑了基于胡克定律的导丝元素之间的内力和基于库伦定理的摩擦力以及触力设备输入的外力。导丝在运动过程中可以自适应采样。事先设定一个阈值，当血管末端的导丝元素大于阈值时则动态删除元素，相反如果末端导丝元素太少则需要增加点，从而使模拟效果更真实。

[0018] (3)对于导丝的碰撞检测，采用符号距离场的方法进行检测，具体原理为对血管模型的三角面片沿着面法线两个方向延伸，得到面片的棱柱模型，对每个棱柱模型求包围盒，对于包围盒内的点可以计算符号距离，从而通过三线性插值得到处于包围盒的任意点的符号距离，通过符号距离可以判断导丝的点是否发生穿透或者离血管壁太近，如果满足这两个条件，则要进行碰撞响应，修正点的位置。

[0019] (4)为了实现导丝运动过程中受到流场的影响，并且避免由于流场数据太大影响模拟效率，无法达到实时的限制，本发明采用了动态建立虚拟链接的方法，将形变从一个模型通过虚拟链接传递到另一个模型，由于统一采用了链甲模型，可以达到很高的时间效率，实时模拟。

[0020] 本发明与现有的技术相比优点在于：

[0021] (1)本发明基于链甲模型，建立导丝模型，并且为了导丝的真实性做出了一些分析，通过对设置链甲模型的不同参数达到导丝不同材质的特性，对导丝动态自适应采样以及对导丝进行碰撞检测和响应等方法达到要求。

[0022] (2)本发明采用链甲模型进行模拟，这样的模型相比于FEM方法来说，时间效率更高，并且将导丝的尖端和体部赋予了不同的材质参数，模拟不同的物理材质属性。

[0023] (3)本发明实现了导丝的三种基本操作，推、拉和旋转操作；考虑了时间效率和渲染效果的综合因素，提出了自适应采样的方式，动态增删链甲模型的元素。

[0024] (4)本发明通过使用广义符号距离场方法进行碰撞检测，并且为了提高检测效率，检测过程在GPU上实现。

[0025] (5)本发明提出了统一对模型建立链甲模型的方法，并使用动态建立虚拟链接的关系，通过解算链接模型达到传递运动，耦合的目的

[0026] (6)本发明相比于有限元方法，具有实时性好，计算简单的特点。

附图说明

[0027] 图1为本发明的方法的实现流程图；

[0028] 图2为链甲模型几何形变算法原理；其中(a)图是二维链甲模型初始形状；(b)以元素A，C为例说明链甲模型更新原理，Δx，Δy代表初始相对距离；(c)根据初始位置计算可行域；

[0029] 图3为链甲模型的物理优化部分算法原理；其中上图为形变前元素相对位置；中图为形变后元素位置；下图红色元素代表优化后元素位置；

[0030] 图4为导丝的离散表示以及导丝的三种操作；其中(a)为导丝模型的推操作，(b)图和(c)图分别表示了导丝的拉操作和旋转操作；

[0031] 图5为符号距离场的计算；

[0032] 图6为符号距离场结果，左侧为模型，右侧为对模型求解符号距离场模型中距离为负的部分，即模型内部；

[0033] 图7为导丝与周围环境的耦合，以及虚拟链接的动态建立方法；(a)图表示流场粒子与血管壁建立虚拟链接的方式；(b)图表示流场粒子与导丝元素建立虚拟链接的方法；

[0034] 图8为导丝模型结果，不同旋转下状态；

[0035] 图9表示不同链甲模型的耦合结果，其中(a)图表示形变中的效果，(b)图表示形变恢复后与形变时对比；

[0036] 图10为导丝集成到虚拟手术系统中的结构图，系统包括六个部分：导丝模拟、血流场模拟、基于触力反馈设备的惩罚力计算、基于模拟X光的投影以及真实感渲染；

[0037] 图11表示导丝模型与虚拟手术系统结合运行结果。

具体实施方式

[0038] 下面结合其他附图及具体实施方式进一步说明本发明。

[0039] 本发明一种基于一体化链甲模型的医学手术器械导丝的模拟方法，包括四个步骤：建立导丝模型，使用链甲模型对医学手术器械导丝进行建模；对导丝运动过程的模拟，包括对导丝的推拉和旋转操作；导丝与血管壁碰撞处理；一体化链甲模型建模及独立链甲系统间耦合计算。本发明基于一体化链甲模型方法，相比于有限元方法，具有实时性好，计算简单的特点。

[0040] 如图1所示，本发明首先对系统进行初始化，载入血流场数据和血管模型数据，并对导丝模型进行离散化处理，对三个模型建立实链甲模型，程序运行过程为血管模型随着心脏跳动发生形变，血流场数据与血管耦合；导丝模型首先对外界输入响应，链甲模型发生形变，再与流场数据耦合形变，并根据血管的符号距离场检测是否发生形变，如果发生形变，则进行碰撞响应。

[0041] 具体实现如下：

[0042] 1、链甲模型的解算方法

[0043] 通过建立链甲模型，通过两个步骤得到导丝的形变。图2所示，在几何形变中，任意一个链甲元素位置改变都会顺序将这种改变传递给邻居元素，通过不同的参数设定得到的约束条件。几何形变中，形变的精度没有保障，所以本发明增加了物理优化步骤，图2所示，形变以后每个链甲元素局部调整位置，保持形状与最初形状越接近越好，使得系统的能量尽可能快地达到最小状态。

[0044] 图2中的(b)中(x1,y1)，(x2,y2)为A，C元素的初始位置，根据初始位置计算元素的相对位置Δx，Δy，αmin，αmax，β分别代表链甲模型的压缩，拉伸和剪切参数。

[0045] 图3中δ1，δ2代表形变前位置向量差，β1，β2代表形变后相邻元素与发起元素的位置向量，Q1，Q2代表形变后元素位置加上初始向量差后得到的位置。

[0046] 2、导丝模型建立方法

[0047] 导丝由链甲模型如图4所示。导丝离散成小的刚性段，每个刚性段之间由一系列链接点(x1,x2......xn)连接。导丝的质点之间的距离初始化均匀分布，在图中可以看出，导丝的尖端部分由前面的几个点表示，其余的点表示导丝的体部，这两个部分分开处理，在导丝的旋转操作会有不同。

[0048] 图4中表示导丝离散模型，包括尖端和体部两部分组成，其中xi代表链甲元素，ei是连接边，是平移方向，旋转操作时绕着旋转轴 旋转角度为θ。

[0049] 对于导丝运动过程的模拟方法主要包括三个操作：推、拉和旋转操作。传统的方法是通过一个给定的平移操作的值t，值为正代表推操作，值为负代表拉操作，然后导丝的位置更新操作从最后一个点更新到第一个尖端的末端点，然后这样的操作在进行拉操作时没有问题，但是在进行推操作时则容易产生过弯曲的现象，所以本发明对于推操作选择先从导丝的尖端进行更新然后更新导丝的体部的方式，具体为首先计算导丝的尖端(Tip)部分的最后一个点和体部(Body)的第一个点，分别为图中的x3和x4，之间的单位向量作为尖端推操作力的方向，将尖端点沿着这个方向平移输入值t大小的距离，尖端平移后，体部的点依次更新位置从x4开始。对于导丝的拉操作，因为不会出现过弯曲的现象，所以计算导丝最后一个点和它前面的点得到移动方向，然后对于导丝的所有点，从体部的最后一个点开始，沿着方向平移t的距离，直到所有点更新位置。无论如何平移导丝，导丝进入血管的长度都会发生变化，为了提高模拟效率又可以更好的模拟导丝进入血管过程，本发明使用了动态增删导丝点的方法，具体为推操作时，当导丝进入血管长度大于导丝总长度的1/2时，在导丝末端动态添加一个点，在对导丝实行拉操作时，当导丝出血管的长度大于导丝总长度的1/2时，动态在导丝末端删除一个点。

[0050] 如图4中的(a)所示为导丝模型的推操作，计算平移方向，并根据输入值，移动第一个导丝体部链甲元素位置，并更新其他位置，(b)和(c)分别表示了导丝的拉操作和旋转操作，实现与推操作类似。

[0051] 3、导丝的碰撞检测和响应方法

[0052] 对于导丝的碰撞检测，采用符号距离场的方法进行检测，具体原理为对血管模型的三角面片沿着面法线两个方向延伸，得到面片的棱柱模型，对每个棱柱模型求包围盒，对于包围盒内的点可以计算符号距离，从而通过三线性插值得到处于包围盒的任意点的符号距离，如图5所示。

[0053] 导丝在血管内运动过程中，通过计算符号距离可以判断导丝的点是否发生穿透或者离血管壁太近，如果满足这两个条件，则要进行碰撞响应，修正点的位置。

[0054] (1)碰撞检测过程中符号距离的计算方程为：

[0055]

[0056]

[0057] 其中S代表血管壁的点集合，意思是说对于任意空间点p，q是S中距离q最近的点，则p，q的距离就是空间点到曲面的距离。符号距离就是离最近点获得的向量，与该点法向方向 决定了符号的正负。

[0058] 其中ε是实现给定导丝元素与血管壁的距离，而d是实际计算的距离。 是面片法线方向。

[0059]

[0060] 将移动位置得到的向量分解成切向向量Δpt和法线向量Δpn以后，根据库伦定律可以得到摩擦力的计算公式：

[0061] Ffriction＝-Cf*Δpt,0＜＜Cf≤1

[0062]

[0063] Ffriction＝(β-1)Δpt

[0064] 其中Cf为系数，Ffriction是摩擦力。

[0065] (2)为了与虚拟手术系统结合，给触力设备返回插入导丝过程受到的环境力，本发明考虑了两种反馈力，链甲模型形变中的内部力和碰撞过程中产生的摩擦力，具体的计算方法如下：

[0066] Ffeedback＝Ffriction+Finternal

[0067] 摩擦力前面已经介绍了，内部力，末端两个链甲元素当前位移差与初始位移差通过胡克定律可以得到内部力的大小，具体计算方程为：

[0068]

[0069] 其中Finternal代表内力，k是胡克定律中的因子。

[0070] 4、导丝与血液流畅的耦合计算

[0071] 导丝与血液流场建立动态链接，计算公式为：

[0072]

[0073]

[0074] 其中q、q*代表导丝链甲元素更新前后的位置，Δpi代表一个时间间隔内血流粒子运动的位移，等于时间间隔与速度vi的乘积，由于导丝与血流场建立虚拟链接的过程中，一个导丝元素与多个流场粒子建立链接，所以使用了加权方法，wi为权重，权重的计算是通过周围粒子距离di得到。

[0075] 如图5所示，对三角面片沿着法线正反两个方向扩展，得到棱柱，对棱柱求包围盒AABBi表示根据法线方向可以将包围盒内的区域分为正负符号，在符号不能确定的包围盒交叉区域，以最近的包围盒符号作为点的符号。

[0076] 如图6所示，左右两幅图表示心脏模型以及对心脏模型求得符号距离场后距离为负的区域，即模型内部。

[0077] 如图7所示，(a)表示流场粒子与周围R为半径球内元素建立实链接得到流场的链甲模型，对于与血管壁接触的流场粒子，找到最近的血管壁元素动态建立虚拟链甲模型；同理(b)中表示流场粒子与导丝链甲元素动态建立虚拟链甲模型的方法。

[0078] 最终的结果如图8所示，图8表示单独的导丝模型，实验为固定导丝的末端，对导丝尖端施加一个持续的力，并且通过旋转导丝，让导丝转到不同的位置。图9所示为耦合结果，通过改变血管模型上的一个链甲模型的位置，通过实链接作用，血管模型其他链甲元素位置发生改变，通过动态建立虚拟链接，将形变传递给血液流场和导丝模型，进而发生形变。图11所示为导丝与虚拟手续系统结合以后的系统运行效果，目前效果可以达到实时，近似物理准确性。

[0079] 如图10所示，是PCI系统的模块说明，主要包括血流场模拟，血管形变，导丝模拟，与处理设备交互，系统软件部分，以及各个部分之间的数据交互关系。

[0080] 本发明未详细阐述的技术内容属于本领域技术人员的公知技术。

[0081] 尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。