介入栓塞手术过程的模拟方法及装置

摘要

本发明公开了一种介入栓塞手术过程的模拟方法及装置，其中方法包括：根据栓塞物质包围球的几何形状，在极坐标系内建立栓塞物质的缠绕路径公式；选定血管瘤，采用基于网络邻接信息的搜索算法并设置相应的边界条件，将所有属于血管瘤的三角形面片分离出来，并求取血管瘤的内切球球心及半径；控制导管到达血管瘤处，根据栓塞物质的缠绕路径公式及血管瘤的内切球球心及半径，将栓塞物质通过导管向血管瘤内进行推送。本发明可以在保证手术模拟实时性的同时，提高介入栓塞物质缠绕的模拟真实性。

权利要求

1.一种介入栓塞手术过程的模拟方法，其特征在于，包括：根据栓塞物质包围球的几何形状，在极坐标系内建立栓塞物质的缠绕路径公式，在所述栓塞物质包围球的几何形状为球形时，根据栓塞球囊的半径以及球囊内栓塞物质的形状变化，在极坐标系内建立栓塞球囊的缠绕路径公式，表示为：Px＝r sinβcosα+Cx；

Py＝r sinβsinα+Cy；

Pz＝r cosβ+Cz；

其中，P(x,y,z)为栓塞球囊缠绕路径上的点，C(x,y,z)为栓塞球囊的球心，r为栓塞球囊的半径，α为栓塞球囊表面一点与球心形成的向量与x轴的夹角，β为该向量与y轴的夹角；

选定血管瘤，将三角形面片的邻面角度作为停止条件，通过逐层搜索邻面的方式将所有属于血管瘤的三角形面片分离出来，并求取血管瘤的内切球球心及半径；

控制导管到达血管瘤处，根据栓塞物质的缠绕路径公式及血管瘤的内切球球心及半径，将栓塞物质通过导管向血管瘤内进行推送。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据栓塞物质包围球的几何形状，在极坐标系内建立栓塞物质的缠绕路径公式，还包括：在所述栓塞物质包围球的几何形状为球形时，按如下公式控制变量α和β：αi+1＝αi+f(i)；

βi+1＝βi+g(i)；

其中，αi和βi为第i次向血管瘤内推送栓塞球囊时新产生的缠绕轨迹点控制变量；f(i)和g(i)分别为产生第i次推送操作时变量α和β的增量；f(i)和g(i)满足如下条件：每次产生的增量都与上一次不同，且产生的增量控制在预设范围内。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据栓塞物质包围球的几何形状，在极坐标系内建立栓塞物质的缠绕路径公式，还包括：在所述栓塞物质包围球的几何形状为球形时，采用如下增量控制函数控制增量f(i)和g(i)：f(i)＝A(sin(i×a)+1.0)；

g(i)＝B(sin(i×b)+1.0)；

其中，参数a控制f(i)的周期，参数b控制g(i)的周期，参数A控制f(i)生成增量的范围，参数B控制g(i)生成增量的范围。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将三角形面片的邻面角度作为停止条件，通过逐层搜索邻面的方式将所有属于血管瘤的三角形面片分离出来，并求取血管瘤的内切球球心及半径，包括：获得组成血管瘤的任意一个三角形面片；

以该三角形面片为起点逐层向外搜索邻面，如果邻面之间的夹角θ大于βmin，则停止向外搜索，如果邻面之间的夹角θ小于αmax，则继续向更外层搜索，直至搜索得到所有属于血管瘤的三角形面片的集合A；其中βmin为血管瘤与血管交界处的邻边夹角的最小值，αmax为组成血管瘤的邻边夹角的最大值；

求组成集合A中的三角形面片的所有顶点位置的平均值，得到血管瘤的内切球的球心C；求球心C到集合A中所有三角形面片的最短距离R，得到血管瘤的内切球的半径R。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制导管到达血管瘤处，根据栓塞物质的缠绕路径公式及血管瘤的内切球球心及半径，将栓塞物质通过导管向血管瘤内进行推送，包括：在导管头部设置临时包围球，与所有血管瘤的内切球进行碰撞检测，所述临时包围球的半径与血管瘤内切球的半径之差小于阈值；

将与所述临时包围球发生碰撞的血管瘤确定为即将进行栓塞治疗的血管瘤，获得该血管瘤的内切球球心及半径。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制导管到达血管瘤处，根据栓塞物质的缠绕路径公式及血管瘤的内切球球心及半径，将栓塞物质通过导管向血管瘤内进行推送，包括：将血管瘤的内切球球心作为栓塞物质的缠绕路径公式中的球心，将血管瘤的内切球半径作为栓塞物质的缠绕路径公式中栓塞物质半径的初始值，在缠绕过程中不断减少栓塞物质的半径使栓塞物质从外向内逐层缠绕，模拟栓塞物质逐渐将血管瘤填满的过程。

7.一种介入栓塞手术过程的模拟装置，其特征在于，包括：缠绕路径确定模块，用于根据栓塞物质包围球的几何形状，在极坐标系内建立栓塞物质的缠绕路径公式，在所述栓塞物质包围球的几何形状为球形时，根据栓塞球囊的半径以及球囊内栓塞物质的形状变化，在极坐标系内建立栓塞球囊的缠绕路径公式，表示为：Px＝r sinβcosα+Cx；

Py＝r sinβsinα+Cy；

Pz＝r cosβ+Cz；

其中，P(x,y,z)为栓塞球囊缠绕路径上的点，C(x,y,z)为栓塞球囊的球心，r为栓塞球囊的半径，α为栓塞球囊表面一点与球心形成的向量与x轴的夹角，β为该向量与y轴的夹角；

血管瘤信息提取模块，用于选定血管瘤，将三角形面片的邻面角度作为停止条件，通过逐层搜索邻面的方式将所有属于血管瘤的三角形面片分离出来，并求取血管瘤的内切球球心及半径；

栓塞缠绕模拟模块，用于控制导管到达血管瘤处，根据栓塞物质的缠绕路径公式及血管瘤的内切球球心及半径，将栓塞物质通过导管向血管瘤内进行推送。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述缠绕路径确定模块还用于：在所述栓塞物质包围球的几何形状为球形时，按如下公式控制变量α和β：αi+1＝αi+f(i)；

βi+1＝βi+g(i)；

其中，αi和βi为第i次向血管瘤内推送栓塞球囊时新产生的缠绕轨迹点控制变量；f(i)和g(i)分别为产生第i次推送操作时变量α和β的增量；f(i)和g(i)满足如下条件：每次产生的增量都与上一次不同，且产生的增量控制在预设范围内。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述缠绕路径确定模块还用于：在所述栓塞物质包围球的几何形状为球形时，采用如下增量控制函数控制增量f(i)和g(i)：f(i)＝A(sin(i×a)+1.0)；

g(i)＝B(sin(i×b)+1.0)；

其中，参数a控制f(i)的周期，参数b控制g(i)的周期，参数A控制f(i)生成增量的范围，参数B控制g(i)生成增量的范围。

10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述血管瘤信息提取模块具体用于：获得组成血管瘤的任意一个三角形面片；

以该三角形面片为起点逐层向外搜索邻面，如果邻面之间的夹角θ大于βmin，则停止向外搜索，如果邻面之间的夹角θ小于αmax，则继续向更外层搜索，直至搜索得到所有属于血管瘤的三角形面片的集合A；其中βmin为血管瘤与血管交界处的邻边夹角的最小值，αmax为组成血管瘤的邻边夹角的最大值；

求组成集合A中的三角形面片的所有顶点位置的平均值，得到血管瘤的内切球的球心C；求球心C到集合A中所有三角形面片的最短距离R，得到血管瘤的内切球的半径R。

11.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述栓塞缠绕模拟模块具体用于：在导管头部设置临时包围球，与所有血管瘤的内切球进行碰撞检测，所述临时包围球的半径与血管瘤内切球的半径之差小于阈值；

将与所述临时包围球发生碰撞的血管瘤确定为即将进行栓塞治疗的血管瘤，获得该血管瘤的内切球球心及半径。

12.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述栓塞缠绕模拟模块具体用于：将血管瘤的内切球球心作为栓塞物质的缠绕路径公式中的球心，将血管瘤的内切球半径作为栓塞物质的缠绕路径公式中栓塞物质半径的初始值，在缠绕过程中不断减少栓塞物质的半径使栓塞物质从外向内逐层缠绕，模拟栓塞物质逐渐将血管瘤填满的过程。

说明书

介入栓塞手术过程的模拟方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及虚拟手术技术领域，尤其涉及介入栓塞手术过程的模拟方法及装置。

背景技术

[0002] 虚拟手术是利用医学影像数据，使用虚拟现实技术在计算机中建立虚拟环境，使医生能够借助虚拟环境中的信息进行手术计划、训练，以及实际手术中引导手术。传统的手术过程存在风险高、病人痛苦大、术后效果不理想等缺点，手术效果受医生个人业务水平影响很大。采用增强现实技术可以使医务工作者沉浸于虚拟的场景内，可以通过视、听、触觉感知并学习各种手术实际操作，体验并学习如何应付临床手术中的实际情况。这样节约了培训医务人员的费用和时间，使非熟练人员进行手术的风险性大大降低，对提高医学教育与训练的效率和质量以及改善医学手术水平的发展不平衡的现状有着特殊的意义。

[0003] 利用虚拟现实技术模拟实际手术过程，准确、快速地模拟手术器械与人体器官(在介入手术模拟领域，主要指血管等)交互作用对提高手术模拟的真实性和用户的沉浸感十分重要。第一，从训练者的角度，真实、准确的手术模拟过程可以提供训练者全面的、直观的手术操作感受，有助于训练者理解手术过程、掌握手术技能。第二，从医生的角度，于术前在模拟系统上进行介入手术过程的预演，可以预防性地对将来实际手术过程中可能出现的突发情况进行模拟处理，以提高实际手术的成功率。

[0004] 介入栓塞术，也称栓塞治疗，是经动脉或静脉内导管将塞物有控制地注入到病变器官的供应血管内，使之发生闭塞，中断供血，以达到控制出血、治疗肿瘤和血管性病变以及消除患病器官功能之目的。栓塞术是介入治疗中的重要技术，也是介入放射学的三大技术之一，并成为日常工作的主要部分。一名介入手术医师在获得进行临床手术资格之前，需要经过长时间的、严格的术前训练。随着科学技术的发展，通过计算机模拟介入栓塞治疗的整个手术过程，尤其是栓塞物在病变部位的缠绕过程，可以很好地帮助介入手术医师快速掌握介入栓塞术的关键技术细节，缩短培训周期。因此，在虚拟手术领域，尤其是手术技能训练、手术过程演练等方面，通过计算机准确、真实地模拟整个手术过程十分重要。

[0005] 目前的虚拟手术过程中针对介入栓塞过程模拟所采用的技术方案主要由以下两种：

[0006] Dequidt等在08年提出一种基于样条的方法模拟栓塞物质在血管瘤内的缠绕过程(Dequidt J,Marchal M,Duriez C,Kerien E,Cotin S.Interactive simulation of embolization coils:Modeling and experimental validation.Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention-MICCAI 2008.Springer Berlin Heidelberg.2008:695-702)。该方法将栓塞物质建模为一段段首尾相连的样条曲线，计算样条曲线的刚性矩阵，通过建立并求解牛顿第二定律平衡方程计算每段短小的时间间隔内样条曲线的形状变化。

[0007] Morales等提出一种基于动态路径规划的方法模拟栓塞物质在血管瘤内的缠绕过程(Morales HG,Larrabide I,Kim M,Villa-Uriol MC,Macho JM,Blasco J,Frangi AF.Virtual coiling of intracranial aneurysms  based on dynamic  path planning.Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention-MICCAI 2011.Springer Berlin Heidelberg.2008:355-362)。该方法对栓塞物质的可能的前进路线进行预测，排除刺穿血管瘤的路径，然后选择剩余路径中最符合栓塞物质几何特性的路径，以此确定栓塞物质的前进方向，进而模拟栓塞物质在血管瘤中的缠绕过程。

[0008] 然而，Dequidt等提出的基于样条的方法，由于需要建立维度较高的刚性矩阵并求解二次方程，其计算量会随着进入血管瘤的栓塞物质的长度的增加而增加，计算效率难以保持，手术模拟的实时性要求难以保证。Morales等提出的基于路径动态规划的方法，没有考虑到栓塞物质自身的材料特性，而是完全基于肿瘤的形状对栓塞物质的前进路线进行规划。在肿瘤形状不规则时，模拟得到的填充效果较差，栓塞物质的形变生硬，手术模拟的真实性要求难以得到保证。

发明内容

[0009] 本发明实施例提供一种介入栓塞手术过程的模拟方法，用以在保证手术模拟实时性的同时，提高介入栓塞物质缠绕的模拟真实性，该方法包括：

[0010] 根据栓塞物质包围球的几何形状，在极坐标系内建立栓塞物质的缠绕路径公式，在所述栓塞物质包围球的几何形状为球形时，根据栓塞球囊的半径以及球囊内栓塞物质的形状变化，在极坐标系内建立栓塞球囊的缠绕路径公式；

[0011] 选定血管瘤，将三角形面片的邻面角度作为停止条件，通过逐层搜索邻面的方式将所有属于血管瘤的三角形面片分离出来，并求取血管瘤的内切球球心及半径；

[0012] 控制导管到达血管瘤处，根据栓塞物质的缠绕路径公式及血管瘤的内切球球心及半径，将栓塞物质通过导管向血管瘤内进行推送。

[0013] 一个实施例中，所述根据栓塞物质包围球的几何形状，在极坐标系内建立栓塞物质的缠绕路径公式，包括：

[0014] 在所述栓塞物质包围球的几何形状为球形时，根据栓塞球囊的半径以及球囊内栓塞物质的形状变化，按如下公式在极坐标系内建立栓塞球囊的缠绕路径公式：

[0015] Px＝rsinβcosα+Cx；

[0016] Py＝rsinβsinα+Cy；

[0017] Pz＝rcosβ+Cz；

[0018] 其中，P(x,y,z)为栓塞球囊缠绕路径上的点，C(x,y,z)为栓塞球囊的球心，r为栓塞球囊的半径，α为栓塞球囊表面一点与球心形成的向量与x轴的夹角，β为该向量与y轴的夹角。

[0019] 一个实施例中，所述根据栓塞物质包围球的几何形状，在极坐标系内建立栓塞物质的缠绕路径公式，还包括：

[0020] 在所述栓塞物质包围球的几何形状为球形时，按如下公式控制变量α和β：

[0021] αi+1＝αi+f(i)；

[0022] βi+1＝βi+g(i)；

[0023] 其中，αi和βi为第i次向血管瘤内推送栓塞球囊时新产生的缠绕轨迹点控制变量；f(i)和g(i)分别为产生第i次推送操作时变量α和β的增量；f(i)和g(i)满足如下条件：

[0024] 每次产生的增量都与上一次不同，且产生的增量控制在预设范围内。

[0025] 一个实施例中，所述根据栓塞物质包围球的几何形状，在极坐标系内建立栓塞物质的缠绕路径公式，还包括：

[0026] 在所述栓塞物质包围球的几何形状为球形时，采用如下增量控制函数控制增量f(i)和g(i)：

[0027] f(i)＝A(sin(i×a)+1.0)；

[0028] g(i)＝B(sin(i×b)+1.0)；

[0029] 其中，参数a控制f(i)的周期，参数b控制g(i)的周期，参数A控制f(i)生成增量的范围，参数B控制g(i)生成增量的范围。

[0030] 一个实施例中，所述将三角形面片的邻面角度作为停止条件，通过逐层搜索邻面的方式将所有属于血管瘤的三角形面片分离出来，并求取血管瘤的内切球球心及半径，包括：

[0031] 获得组成血管瘤的任意一个三角形面片；

[0032] 以该三角形面片为起点逐层向外搜索邻面，如果邻面之间的夹角θ大于βmin，则停止该方向的搜索，如果邻面之间的夹角θ小于αmax，则继续向更外层搜索，直至搜索得到所有属于血管瘤的三角形面片的集合A；其中βmin为血管瘤与血管交界处的邻边夹角的最小值，αmax为组成血管瘤的邻边夹角的最大值；

[0033] 求组成集合A中的三角形面片的所有顶点位置的平均值，得到血管瘤的内切球的球心C；求球心C到集合A中所有三角形面片的最短距离R，得到血管瘤的内切球的半径R。

[0034] 一个实施例中，所述控制导管到达血管瘤处，根据栓塞物质的缠绕路径公式及血管瘤的内切球球心及半径，将栓塞物质通过导管向血管瘤内进行推送，包括：

[0035] 在导管头部设置临时包围球，与所有血管瘤的内切球进行碰撞检测，所述临时包围球的半径与血管瘤内切球的半径之差小于阈值；

[0036] 将与所述临时包围球发生碰撞的血管瘤确定为即将进行栓塞治疗的血管瘤，获得该血管瘤的内切球球心及半径。

[0037] 一个实施例中，所述控制导管到达血管瘤处，根据栓塞物质的缠绕路径公式及血管瘤的内切球球心及半径，将栓塞物质通过导管向血管瘤内进行推送，包括：

[0038] 将血管瘤的内切球球心作为栓塞物质的缠绕路径公式中的球心，将血管瘤的内切球半径作为栓塞物质的缠绕路径公式中栓塞物质半径的初始值，在缠绕过程中不断减少栓塞物质的半径使栓塞物质从外向内逐层缠绕，模拟栓塞物质逐渐将血管瘤填满的过程。

[0039] 本发明实施例还提供一种介入栓塞手术过程的模拟装置，用以在保证手术模拟实时性的同时，提高介入栓塞物质缠绕的模拟真实性，该装置包括：

[0040] 缠绕路径确定模块，用于根据栓塞物质包围球的几何形状，在极坐标系内建立栓塞物质的缠绕路径公式，在所述栓塞物质包围球的几何形状为球形时，根据栓塞球囊的半径以及球囊内栓塞物质的形状变化，在极坐标系内建立栓塞球囊的缠绕路径公式；

[0041] 血管瘤信息提取模块，用于选定血管瘤，将三角形面片的邻面角度作为停止条件，通过逐层搜索邻面的方式将所有属于血管瘤的三角形面片分离出来，并求取血管瘤的内切球球心及半径；

[0042] 栓塞缠绕模拟模块，用于控制导管到达血管瘤处，根据栓塞物质的缠绕路径公式及血管瘤的内切球球心及半径，将栓塞物质通过导管向血管瘤内进行推送。

[0043] 一个实施例中，所述缠绕路径确定模块具体用于：

[0044] 在所述栓塞物质包围球的几何形状为球形时，根据栓塞球囊的半径以及球囊内栓塞物质的形状变化，按如下公式在极坐标系内建立栓塞球囊的缠绕路径公式：

[0045] Px＝rsinβcosα+Cx；

[0046] Py＝rsinβsinα+Cy；

[0047] Pz＝rcosβ+Cz；

[0048] 其中，P(x,y,z)为栓塞球囊缠绕路径上的点，C(x,y,z)为栓塞球囊的球心，r为栓塞球囊的半径，α为栓塞球囊表面一点与球心形成的向量与x轴的夹角，β为该向量与y轴的夹角。

[0049] 一个实施例中，所述缠绕路径确定模块还用于：

[0050] 在所述栓塞物质包围球的几何形状为球形时，按如下公式控制变量α和β：

[0051] αi+1＝αi+f(i)；

[0052] βi+1＝βi+g(i)；

[0053] 其中，αi和βi为第i次向血管瘤内推送栓塞球囊时新产生的缠绕轨迹点控制变量；f(i)和g(i)分别为产生第i次推送操作时变量α和β的增量；f(i)和g(i)满足如下条件：

[0054] 每次产生的增量都与上一次不同，且产生的增量控制在预设范围内。

[0055] 一个实施例中，所述缠绕路径确定模块还用于：

[0056] 在所述栓塞物质包围球的几何形状为球形时，采用如下增量控制函数控制增量f(i)和g(i)：

[0057] f(i)＝A(sin(i×a)+1.0)；

[0058] g(i)＝B(sin(i×b)+1.0)；

[0059] 其中，参数a控制f(i)的周期，参数b控制g(i)的周期，参数A控制f(i)生成增量的范围，参数B控制g(i)生成增量的范围。

[0060] 一个实施例中，所述血管瘤信息提取模块具体用于：

[0061] 获得组成血管瘤的任意一个三角形面片；

[0062] 以该三角形面片为起点逐层向外搜索邻面，如果邻面之间的夹角θ大于βmin，则停止该方向的搜索，如果邻面之间的夹角θ小于αmax，则继续向更外层搜索，直至搜索得到所有属于血管瘤的三角形面片的集合A；其中βmin为血管瘤与血管交界处的邻边夹角的最小值，αmax为组成血管瘤的邻边夹角的最大值；

[0063] 求组成集合A中的三角形面片的所有顶点位置的平均值，得到血管瘤的内切球的球心C；求球心C到集合A中所有三角形面片的最短距离R，得到血管瘤的内切球的半径R。

[0064] 一个实施例中，所述栓塞缠绕模拟模块具体用于：

[0065] 在导管头部设置临时包围球，与所有血管瘤的内切球进行碰撞检测，所述临时包围球的半径与血管瘤内切球的半径之差小于阈值；

[0066] 将与所述临时包围球发生碰撞的血管瘤确定为即将进行栓塞治疗的血管瘤，获得该血管瘤的内切球球心及半径。

[0067] 一个实施例中，所述栓塞缠绕模拟模块具体用于：

[0068] 将血管瘤的内切球球心作为栓塞物质的缠绕路径公式中的球心，将血管瘤的内切球半径作为栓塞物质的缠绕路径公式中栓塞物质半径的初始值，在缠绕过程中不断减少栓塞物质的半径使栓塞物质从外向内逐层缠绕，模拟栓塞物质逐渐将血管瘤填满的过程。

[0069] 本发明实施例中，根据栓塞物质包围球的几何形状，在极坐标系内建立栓塞物质的缠绕路径公式，选定血管瘤，采用基于网络邻接信息的搜索算法并设置相应的边界条件，将所有属于血管瘤的三角形面片分离出来，并求取血管瘤的内切球球心及半径，控制导管到达血管瘤处，根据栓塞物质的缠绕路径公式及血管瘤的内切球球心及半径，将栓塞物质通过导管向血管瘤内进行推送，实施时无需建立维度较高的刚性矩阵并求解二次方程，计算量小，模拟过程无需进行栓塞物质的自碰撞检测，且不受长度影响，模拟速度快，实时性可得到保障，并且充分考虑到栓塞物质自身的材料特性，模拟结果贴近实际介入栓塞手术过程，真实性好。

附图说明

[0070] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

[0071] 图1为本发明实施例中介入栓塞手术过程的模拟方法的示意图；

[0072] 图2为本发明实施例中栓塞球囊的模拟缠绕路径生成结果示意图；

[0073] 图3为本发明实施例中血管瘤三维网格模型的二维示意图；

[0074] 图4为本发明实施例中心脑血管介入手术模拟训练的实验过程示意图；

[0075] 图5为本发明实施例中介入栓塞手术过程的模拟装置的示意图。

具体实施方式

[0076] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

[0077] 为了在保证手术模拟实时性的同时，提高介入栓塞物质缠绕的模拟真实性，本发明实施例提供一种介入栓塞手术过程的模拟方法，该方法可以通过控制导管携带栓塞物质到达病变(血管瘤)部位，并且模拟栓塞物质在血管瘤内部进行缠绕栓塞的整个过程。图1为本发明实施例中介入栓塞手术过程的模拟方法的示意图，如图1所示，该方法可以包括：

[0078] 步骤101、根据栓塞物质包围球的几何形状，在极坐标系内建立栓塞物质的缠绕路径公式；

[0079] 步骤102、选定血管瘤，采用基于网络邻接信息的搜索算法并设置相应的边界条件，将所有属于血管瘤的三角形面片分离出来，并求取血管瘤的内切球球心及半径；

[0080] 步骤103、控制导管到达血管瘤处，根据栓塞物质的缠绕路径公式及血管瘤的内切球球心及半径，将栓塞物质通过导管向血管瘤内进行推送。

[0081] 由图1所示流程可以得知，本发明实施例中对介入手术中栓塞物质在血管瘤中的缠绕模拟主要分为以下三个阶段：构建栓塞缠绕路径公式，血管瘤体信息提取和栓塞缠绕模拟。以栓塞球囊为例，首先，在构建栓塞缠绕路径公式阶段，通过测量和观察栓塞球囊的半径以及球囊内栓塞物质的形状变化，在极坐标系内建立栓塞物质的缠绕路径函数。然后，在血管瘤体信息提取阶段，通过鼠标单击血管瘤，采用基于网格邻接信息的搜索算法并设置合适的边界条件，将所有属于血管瘤的三角形面片分离出来，并求取血管瘤的内切球球心及半径。最后，在栓塞物质缠绕阶段，控制导管到达血管瘤处的适当位置，然后推送栓塞物质，根据栓塞球囊的缠绕路径公式及血管瘤的内切球球心及半径在血管瘤的内接球内逐步导入栓塞物质。

[0082] 实施例中栓塞物质包围球的几何形状可以是球形、椭球形或圆锥形等形状。在本文中，以栓塞球囊为例进行说明。本发明实施例方法可以用于血管瘤如脑动脉瘤介入栓塞手术模拟。在本发明实施例的第一阶段，构建栓塞缠绕路径公式。

[0083] 介入手术中采用的栓塞物质多为硬度较小的弹性材料制成。在未进入血管时，栓塞物质由于自身的弹性作用产生弯曲并蜷缩成球状。在实际手术中，医生会根据病人的血管瘤内径选择适当半径的栓塞球囊，然后经由导管将栓塞球囊送入血管瘤部位。当栓塞球囊脱离导管的束缚，进入血管瘤腔体内部时，由于自身的弹性作用会再次在血管瘤内发生缠绕，随着进入血管瘤的栓塞球囊长度的增加，栓塞球囊逐渐充满血管瘤，从而起到治疗的目的。

[0084] 基于以上事实，在具体的实例中，以栓塞球囊为例，即栓塞物质包围球的几何形状为球形，用P(x,y,z)表示栓塞球囊缠绕路径上的点，在极坐标系内建立球囊的缠绕路径公式：

[0085] 以点C(x,y,z)为球心的球体的极坐标系表示如下：

[0086] Px＝rsinβcosα+Cx；

[0087] Py＝rsinβsinα+Cy；

[0088] Pz＝rcosβ+Cz；

[0089] 其中，点C(x,y,z)为球心。α为球体表面一点与球心形成的向量与x轴的夹角，β为该向量与y轴的夹角，r为该球体的半径。此处以栓塞球囊为例，在极坐标系内建立了球体的表示公式。本发明实施例同样适用于包围球为椭球形、圆锥形等其他几何图形的栓塞物质建模，对于此类栓塞物质，只需要在第一阶段对应地建立椭球、圆锥的极坐标系方程即可。

[0090] 通过控制变量α和β可以让球表面上某点沿着半径为r的球表面运动，该运动轨迹可作为栓塞球囊在半径为r时的缠绕形变结果。栓塞球囊在血管瘤内缠绕时，总是最先贴紧血管瘤壁进行缠绕，然后逐渐向内层缠绕，直至整个血管瘤被充满。因此，通过控制变量r可以模拟球囊从外层到内层逐渐缠绕的过程。

[0091] 制造栓塞球囊的材料为硬度较小的弹性物体，正常情况下，栓塞物质的形变一般较为圆滑、平缓，在血管瘤内缠绕的过程中不会出现尖锐的突然转折。此外，栓塞过程中，栓塞材料不仅受自身弹性的影响，同时与血管壁相互作用，形成的缠绕轨迹具有一定的随机性。为了维持缠绕路径的圆滑并减小缠绕轨迹的规律性，在具体实例中，定义了如下函数来控制变量α和β：

[0092] αi+1＝αi+f(i)；

[0093] βi+1＝βi+g(i)；

[0094] 其中，αi和βi是第i次向血管瘤内推送栓塞球囊时新产生的缠绕轨迹点控制变量。f(i)和g(i)分别产生第i次推送操作时变量α和β的增量。这两个函数的选择不是固定的，但是要满足以下两个条件：

[0095] 1、每次产生的增量都与上一次不同，以减少缠绕轨迹的规律性；

[0096] 2、产生的增量控制在某个预设范围内，以确保缠绕路径的圆滑，避免形状突变。

[0097] 举一例，所采用的增量控制函数可以如下：

[0098] f(i)＝A(sin(i×a)+1.0)；

[0099] g(i)＝B(sin(i×b)+1.0)；

[0100] 其中，参数a和b控制两个增量生成函数的周期，参数A和B控制生成的增量的范围。此处所选用的针对α和β的增量控制函数并不是唯一的，只要满足上述提出的增量控制函数的两个条件即可。

[0101] 图2为本发明实施例中栓塞球囊的模拟缠绕路径生成结果示意图，如图2所示，本发明实施例中所采用的缠绕路径公式产生的路径圆滑，在转弯(形变)的过程中不会出现突然地转折。此外，该路径可以完整的覆盖球体的各个部位，且不存在明显的规律性。因此，该缠绕路径公式可用作栓塞过程模拟路径生成。

[0102] 本发明实施例中第二阶段为血管瘤体检测，本阶段目的在于将所有组成血管瘤体的三角形面片搜索分离，并计算血管瘤内切圆。

[0103] 从几何的角度，血管瘤多为生长在血管外部的、与血管部分连接的、不完整的、形状类似球体的几何体。图3为本发明实施例中血管瘤三维网格模型的二维示意图，观察可知，组成血管瘤体本身的相邻的三角形面片(二维示意图中用边表示)之间的角度变化较小，而血管瘤与血管交界处的邻面角度变化较大。假设图3中组成血管瘤的任意一组相邻的边e1，e2的法向量n1，n2之间的夹角为α，血管瘤与血管交界处的任意一组邻边e3，e4(e3属于血管瘤，e4属于血管)的法向量n3，n4的夹角β，则血管瘤体及血管交界处满足如下条件：

[0104] 0≤α≤αmax；

[0105] βmin≤β＜π；

[0106] 其中，αmax是组成血管瘤的邻边夹角的最大值，该值与血管瘤三维模型的精细程度(三角形面片数量)有关，精细度越高，该值越小。βmin是血管瘤与血管交界处的邻边夹角的最小值，该值与血管瘤和血管的相交程度有关，相交的部分越多，该值越小。

[0107] 具体实施时，选定血管瘤，采用基于网络邻接信息的搜索算法并设置相应的边界条件，将所有属于血管瘤的三角形面片分离出来，并求取血管瘤的内切球球心及半径，可以包括：将三角形面片的邻面角度作为停止条件，通过逐层搜索邻面的方式将所有属于血管瘤的三角形面片分离出来，并求取血管瘤的内切球球心及半径。

[0108] 实施例中，在进行介入栓塞模拟之前，先进行血管瘤体检测：

[0109] 1、获得组成血管瘤的任意一个三角形面片；例如可以通过鼠标点选血管瘤，获得组成血管瘤的任意一个三角形面片a；

[0110] 2、以该三角形面片为起点逐层向外搜索邻面，如果邻面之间的夹角θ大于βmin，则停止该方向的搜索，如果邻面之间的夹角θ小于αmax，则继续向更外层搜索，直至搜索得到所有属于血管瘤的三角形面片的集合A；例如，以上述三角形面片a为起点，一层一层地向外搜索邻面，如果邻面之间的夹角θ大于βmin，表示搜索到了血管瘤与血管的交界处，则停止该方向的搜索，如果夹角θ小于αmax，则继续向更外层搜索，直到交界处为止；

[0111] 3、求组成集合A中的三角形面片的所有顶点位置的平均值，得到血管瘤的内切球的球心C，即血管瘤的几何中心点；求球心C到集合A中所有三角形面片的最短距离R，得到血管瘤的内切球的半径R。

[0112] 本发明实施例在第一阶段建立了栓塞物质的缠绕模型，在第二阶段获取了模型上所有血管瘤的内切球信息(球心和半径)，在第三阶段则在前两个阶段的基础上进行栓塞物质的缠绕模拟。

[0113] 在介入栓塞模拟过程中，首先需要操作导管经由人体血管到达血管瘤病变部位。实施例中可以采用刚性杆模型对导管进行建模，基于最小能量原理建立并求解方程，计算导管在人体血管中运动时产生的形状变化。

[0114] 当导管到达血管瘤处时，需要获取血管瘤的内切球信息。由于血管模型中可能有多处血管瘤，为了确定即将进行栓塞治疗的血管瘤，实施例中在导管头部设置临时包围球，临时包围球的半径与血管瘤内切球的半径相近，例如二者之差小于阈值；将临时包围球与所有血管瘤的内切球进行碰撞检测。与临时包围球发生碰撞的血管瘤即为即将进行栓塞治疗的血管瘤，进而获取该血管瘤的内切球球心C和半径R。

[0115] 然后，根据栓塞物质的缠绕路径公式及血管瘤的内切球球心及半径，将栓塞物质通过导管向血管瘤内进行推送。实施例中，可以将血管瘤的内切球球心作为栓塞物质的缠绕路径公式中的球心，将血管瘤的内切球半径作为栓塞物质的缠绕路径公式中栓塞物质半径的初始值，在缠绕过程中不断减少栓塞物质的半径使栓塞物质从外向内逐层缠绕，模拟栓塞物质逐渐将血管瘤填满的过程。

[0116] 以栓塞球囊为例，当栓塞球囊的一端离开导管进入血管瘤时，栓塞球囊会因为自身弹性而进行缠绕。根据本发明实施例第一阶段建立的缠绕路径公式，每一次对栓塞球囊进行推送操作，都会在血管瘤内产生新的缠绕路径点。将所有产生的路径点连接，即可获得栓塞球囊在血管瘤内缠绕的形状。以血管瘤内切球的球心C作为缠绕路径公式中的球心，以内切球的半径R作为缠绕路径公式中r的初始值，并在缠绕过程中不断减少r使栓塞球囊从外向内逐层缠绕，从而模拟栓塞球囊逐渐将血管瘤填满的过程。

[0117] 本发明实施例在心脑血管介入手术模拟训练中进行了实验。实验条件如下：

[0118] CPU：Xeon E5-2630 v2 2.60GHz 6核心；

[0119] 内存：32G；

[0120] 显卡：Nvidia Quadro K4000(3G显存)；

[0121] 显示器画面分辨率：1920×1080。

[0122] 图4为本发明实施例中心脑血管介入手术模拟训练的实验过程示意图。图4给出了本发明实施例的介入栓塞模拟方法的过程及结果。首先通过注射造影剂，可以看到血管中存在的血管瘤的位置，如图4的(a)中圆圈所标识的位置。然后控制导管在人体血管中前进，到达将要进行栓塞的血管瘤位置，如图4的(b)所示。接下来，通过导管将栓塞球囊推送进入血管瘤，使栓塞球囊在血管瘤内进行缠绕以阻塞、填满血管瘤腔，其过程如图4的(c)、(d)和(e)所示。当栓塞球囊全部进入血管瘤之后，将导管撤出，如图4的(e)所示。

[0123] 在整个模拟过程中，显示帧率稳定在300帧/秒以上，CPU的使用率保持在10％以下，证明了本发明实施例所提出的模拟方法高效、实时性好、占用系统资源低等特点。

[0124] 基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种介入栓塞手术过程的模拟装置，如下面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与介入栓塞手术过程的模拟方法相似，因此该装置的实施可以参见介入栓塞手术过程的模拟方法的实施，重复之处不再赘述。

[0125] 图5为本发明实施例中介入栓塞手术过程的模拟装置的示意图，如图5所示，该装置可以包括：

[0126] 缠绕路径确定模块501，用于根据栓塞物质包围球的几何形状，在极坐标系内建立栓塞物质的缠绕路径公式；

[0127] 血管瘤信息提取模块502，用于选定血管瘤，采用基于网络邻接信息的搜索算法并设置相应的边界条件，将所有属于血管瘤的三角形面片分离出来，并求取血管瘤的内切球球心及半径；

[0128] 栓塞缠绕模拟模块503，用于控制导管到达血管瘤处，根据栓塞物质的缠绕路径公式及血管瘤的内切球球心及半径，将栓塞物质通过导管向血管瘤内进行推送。

[0129] 具体实施时，所述栓塞物质包围球的几何形状为球形、椭球形或圆锥形。

[0130] 具体实施时，所述缠绕路径确定模块501具体可以用于：

[0131] 在所述栓塞物质包围球的几何形状为球形时，根据栓塞球囊的半径以及球囊内栓塞物质的形状变化，按如下公式在极坐标系内建立栓塞球囊的缠绕路径公式：

[0132] Px＝rsinβcosα+Cx；

[0133] Py＝rsinβsinα+Cy；

[0134] Pz＝rcosβ+Cz；

[0135] 其中，P(x,y,z)为栓塞球囊缠绕路径上的点，C(x,y,z)为栓塞球囊的球心，r为栓塞球囊的半径，α为栓塞球囊表面一点与球心形成的向量与x轴的夹角，β为该向量与y轴的夹角。

[0136] 具体实施时，所述缠绕路径确定模块501还可以用于：

[0137] 在所述栓塞物质包围球的几何形状为球形时，按如下公式控制变量α和β：

[0138] αi+1＝αi+f(i)；

[0139] βi+1＝βi+g(i)；

[0140] 其中，αi和βi为第i次向血管瘤内推送栓塞球囊时新产生的缠绕轨迹点控制变量；f(i)和g(i)分别为产生第i次推送操作时变量α和β的增量；f(i)和g(i)满足如下条件：

[0141] 每次产生的增量都与上一次不同，且产生的增量控制在预设范围内。

[0142] 具体实施时，所述缠绕路径确定模块501还可以用于：

[0143] 在所述栓塞物质包围球的几何形状为球形时，采用如下增量控制函数控制增量f(i)和g(i)：

[0144] f(i)＝A(sin(i×a)+1.0)；

[0145] g(i)＝B(sin(i×b)+1.0)；

[0146] 其中，参数a控制f(i)的周期，参数b控制g(i)的周期，参数A控制f(i)生成增量的范围，参数B控制g(i)生成增量的范围。

[0147] 具体实施时，所述血管瘤信息提取模块502具体可以用于：

[0148] 将三角形面片的邻面角度作为停止条件，通过逐层搜索邻面的方式将所有属于血管瘤的三角形面片分离出来，并求取血管瘤的内切球球心及半径。

[0149] 具体实施时，所述血管瘤信息提取模块502具体可以用于：

[0150] 获得组成血管瘤的任意一个三角形面片；

[0151] 以该三角形面片为起点逐层向外搜索邻面，如果邻面之间的夹角θ大于βmin，则停止该方向的搜索，如果邻面之间的夹角θ小于αmax，则继续向更外层搜索，直至搜索得到所有属于血管瘤的三角形面片的集合A；其中βmin为血管瘤与血管交界处的邻边夹角的最小值，αmax为组成血管瘤的邻边夹角的最大值；

[0152] 求组成集合A中的三角形面片的所有顶点位置的平均值，得到血管瘤的内切球的球心C；求球心C到集合A中所有三角形面片的最短距离R，得到血管瘤的内切球的半径R。

[0153] 具体实施时，所述栓塞缠绕模拟模块503具体可以用于：

[0154] 在导管头部设置临时包围球，与所有血管瘤的内切球进行碰撞检测，所述临时包围球的半径与血管瘤内切球的半径之差小于阈值；

[0155] 将与所述临时包围球发生碰撞的血管瘤确定为即将进行栓塞治疗的血管瘤，获得该血管瘤的内切球球心及半径。

[0156] 具体实施时，所述栓塞缠绕模拟模块503具体可以用于：

[0157] 将血管瘤的内切球球心作为栓塞物质的缠绕路径公式中的球心，将血管瘤的内切球半径作为栓塞物质的缠绕路径公式中栓塞物质半径的初始值，在缠绕过程中不断减少栓塞物质的半径使栓塞物质从外向内逐层缠绕，模拟栓塞物质逐渐将血管瘤填满的过程。

[0158] 综上所述，本发明实施例中，根据栓塞物质包围球的几何形状，在极坐标系内建立栓塞物质的缠绕路径公式，选定血管瘤，采用基于网络邻接信息的搜索算法并设置相应的边界条件，将所有属于血管瘤的三角形面片分离出来，并求取血管瘤的内切球球心及半径，控制导管到达血管瘤处，根据栓塞物质的缠绕路径公式及血管瘤的内切球球心及半径，将栓塞物质通过导管向血管瘤内进行推送，实施时无需建立维度较高的刚性矩阵并求解二次方程，计算量小，模拟过程无需进行栓塞物质的自碰撞检测，且不受长度影响，模拟速度快，实时性可得到保障，并且充分考虑到栓塞物质自身的材料特性，模拟结果贴近实际介入栓塞手术过程，真实性好。

[0159] 本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

[0160] 本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

[0161] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

[0162] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

[0163] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。