一種基于彈簧質子模型的醫學手術器械導絲的模擬方法

一種基于彈簧質子模型的醫學手術器械導絲的模擬方法
【專利摘要】本發明提供了一種基于彈簧質子模型的醫學手術器械導絲的模擬方法，包括四個步驟：建立導絲模型，將真實的導絲建立虛擬彈簧質點模型；對導絲運動過程的模擬，包括對導絲的推拉和旋轉操作；實現導絲運動過程中自適應采樣，達到在曲率大的血管彎曲處有更真實的模擬效果；實現導絲在復雜是虛擬手術環境中真實模擬，主要是實現與虛擬血管壁的碰撞與響應以及正確進入血管分支。本發明基于彈簧質點模擬，相比于有限元方法，具有實時性好，計算簡單的特點。
【專利說明】一種基于彈簧質子模型的醫學手術器械導絲的模擬方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于彈簧質子模型的醫學手術器械導絲的模擬方法。

【背景技術】
[0002] 心血管疾病，又稱為循環系統疾病，是一系列涉及循環系統的疾病（循環系統指 人體內運送血液的器官和組織，主要包括心臟、血管），可以細分為急性和慢性，一般都是與 動脈硬化有關。目前世界范圍內，有心血管以及相關疾病的人口占世界人口的1/4,因此，心 血管疾病已經成為世界醫學界的難題，是全人類的挑戰之一。
[0003] 放射介入（IR,InterventionalRadiology)療法是在透視、CT、MRI、B超等醫學影 像技術引導下，通過穿刺，將導管、導絲等插到病變部位，對身體各臟器疾病進行治療的新 學科。目前，介入手術已經發展成為治療心血管病患者最有效、最及時的方法之一，介入手 術是一種微創手術，具有痛苦小、住院時間短、安全性高等優點。目前，在進行介入手術操作 時，要根據實時二維的透視成像技術（比如X光等）得到的圖像，對手術器械進行推、拉、旋 轉等操作，來控制手術器械到達病灶的位置，進行手術治療，那么就要求進行介入手術操作 的醫生要具有大量的臨床經驗以及熟練的操作技術。
[0004] 所有仿射的培訓的基礎目的都是培養操作核心儀器的能力。如對于微創手術來 說，需要對導絲的操作進行培訓如何通過控制導絲的末端，在熒光鏡指引下進行手術操作。 為了提供訓練環境，導絲在人體血管內的運動的模擬真實性對于訓練效果非常重要。對于 這樣的模擬算法，真實性和速度要求都非常重要。
[0005] 為了解決上述的要求，本發明基于彈簧質子模型，建立導絲模型，并且為了導絲的 真實性做出了一些分析，通過對導絲運動過程中添加保持尖端彎角的內力、對導絲動態自 適應采樣以及對導絲進行碰撞檢測和響應等方法達到要求。


【發明內容】

[0006] 本發明解決的技術問題是：克服現有的一些模擬導絲的算法的真實性或者速度上 的不足，提供了一種基于彈簧質子模型的醫學器械導絲的模擬方法。并且通過對導絲運動 過程的分析，提供了更真實的算法，保證了真實性和速度的要求。
[0007] 本發明采用的技術方案為：一種基于彈簧質子模型的醫學器械導絲的模擬方法， 包括以下四個步驟：
[0008] 步驟（1)、建立導絲模型：根據導絲的幾何特征，將導絲模型離散化成質點模型， 根據給定的物理參數對質點之間建立彈簧模型，為了后面的仿真過程建立模型基礎。
[0009] 步驟（2)、對導絲運動過程的模擬，其中對于導絲的推操作，為了防止導絲在血管 內運動過程中出現過彎曲的狀況，選擇導絲的尖端部分更新位置的方法；對于導絲的拉操 作，由于沒有過彎曲的問題，所以從導絲的體部分更新位置；對于導絲的旋轉操作，通過外 部設備輸入旋轉角度，計算旋轉軸對位置進行更新。
[0010] 步驟（3)、導絲的碰撞檢測和響應，在對導絲運動的模擬過程中，可能會發生與血 管壁的碰撞，這時候需要對碰撞進行響應，防止發生滲透現象，達到更真實的模擬效果。
[0011] 步驟（4)、對導絲的自適應采樣，當導絲在血管中運動時，由于血管結構本身的復 雜性，在曲率小的部分，導絲只需要少量的點表達，以達到高的效率，然而在曲率大的地方， 只有更多的點才能更真實的模擬，防止出現鋸齒現象。
[0012] 本發明的原理在于：
[0013] (1)通過對導絲模型離散化，建立導絲的彈簧質點模型，為了模擬帶有尖端的導絲 模型，導絲的尖端和體部分別不同的彈簧參數。
[0014] ⑵為了模擬導絲的運動過程，本發明中考慮了導絲的三種內力和兩種外力，分別 考慮了導絲質點之間的拉力和彎曲力以及保持導絲尖端形狀的力，這三個力的原理是基于 胡克定律。兩個外力分別是訓練者給導絲的輸入力以及導絲在運動過程中與血管壁碰撞產 生的力。
[0015] (3)對于導絲的碰撞響應，對于導絲的第一個碰撞點，在于血管壁發生膨脹時，收 到碰撞力大小與穿透距離有關系，將這個力分解成碰撞面法線方向的支持力和切線方向的 摩擦力，對于導絲其他的點發生碰撞時，只收到切線方向的摩擦力。
[0016] (4)導絲在運動過程中的自適應采樣，事先設定一個閾值，當一個點與周圍點形成 的夾角（曲率）小于閾值，并且點的密度較大時，需要增加兩個點，從而使模擬效果更真實。 本發明與現有的技術相比優點在于：
[0017] 1.本發明采用彈簧質點模型進行模擬，這樣的模型相比于FEM方法來說，時間效 率更高，并且將導絲的尖端和體部賦予了不同的材質參數，模擬不同的物理材質屬性。
[0018] 2?本發明考慮了保持導絲尖端形狀的內力，并且考慮了導絲抗拉伸的力。
[0019] 3.本發明通過建立AABB包圍盒的方法進行碰撞檢測，并且為了提高檢測效率，檢 測過程在GPU上實現。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1為基于彈簧質子模型的醫學手術器械導絲的模擬方法的處理流程圖；
[0021] 圖2為導絲的離散表示，粒子模型；
[0022] 圖3為導絲的旋轉一個給定的角度；
[0023] 圖4為導絲與血管壁發生碰撞時不同地方受力示意圖；
[0024] 圖5為導絲受到彎曲力的計算示意圖；
[0025] 圖6為導絲動態自適應采樣的示意圖；
[0026] 圖7為導絲在系統中運動效果圖，圖7 (a)和圖7 (b)表不在血管同一個位置，進入 不同的分支，圖7(c)左圖為圖7(a)去掉血管模型后效果，圖7(c)右圖為圖7(b)去掉血管 模型后效果；

【具體實施方式】
[0027] 圖1給出了基于彈簧質子模型的醫學手術器械導絲的模擬方法的處理流程圖，下 面結合其他附圖及【具體實施方式】進一步說明本發明。
[0028] 本發明提供一種基于彈簧質子模型的醫學器械導絲模擬方法，主要步驟介紹如 下：
[0029] 1?導絲模型建立方法
[0030] 導絲由彈簧質子模型如圖2。由一系列點（X0,…，XN)通過固定長度為X的彈 簧連接。導絲的質量均勻的分給所有質點，在圖中可以看出，導絲的尖端部分由前面的幾個 點（X0，. ..，Xtlength)表示，其余的點表示導絲的體部（X0，. ..，Xtlength),這兩個部分分 開處理，在導絲的旋轉操作會有不同。
[0031] 2.對于導絲運動過程的模擬方法
[0032] 主要包括三個操作：推、拉和旋轉操作。傳統的方法是通過一個給定的平移操作的 值t，值為正代表推操作，值為負代表拉操作，然后導絲的位置更新操作從最后一個點更新 到第一個尖端的末端點，然后這樣的操作在進行拉操作時沒有問題，但是在進行推操作時 則容易產生過彎曲的現象，所以本發明對于推操作選擇先從導絲的尖端進行更新然后更新 導絲的體部的方式，具體為首先計算導絲的尖端（Tip)部分的最后一個點和體部（Body)的 第一個點，分別為圖中的X4和X5,之間的單位向量最為尖端推操作力的方向，將尖端點沿 著這個方向平移輸入值t大小的距離，尖端平移后，體部的點依次更新位置從X5開始。對 于導絲的拉操作，因為不會出現過彎曲的現象，所以計算導絲最后一個點和它前面的點得 到移動方向，然后對于導絲的所有點，從體部的最后一個點開始，沿著方向平移t的距離， 直到所有點更新位置。
[0033] 無論如何平移導絲，導絲進入血管的長度都會發生變化，為了提高模擬效率又可 以更好的模擬導絲進入血管過程，本發明使用了動態增刪導絲點的方法，具體為推操作時， 當導絲進入血管長度大于導絲總長度的1/2時，在導絲末端動態添加一個點，在對導絲實 行拉操作時，當導絲出血管的長度大于導絲總長度的1/2時，動態在導絲末端刪除一個點。 [0034] 對于導絲的旋轉操作，通常的做法是，通過給定一個旋轉角，然后對導絲的尖端部 分進行旋轉操作。本發明為了提高模擬的真實度，采用了從"自底向上"的方法，當一個旋 轉角最用在導絲的末端，如圖3所示，首先通過導絲最末端的兩個點差值得到第一個旋轉 軸，所有的點繞著旋轉軸旋轉直到某個點與血管壁發生碰撞，如圖3所示的Xb，發生碰撞響 應,并且通過計算碰撞點和下一個點得到新的旋轉軸（=Xl/ -果/ ；)，則所有碰撞點 之前的點，首先沿著第一個旋轉軸再沿著新的旋轉角，每次旋轉fP角，重復程序直到下一個 碰撞點出現。
[0035] 3.導絲的碰撞檢測和響應方法
[0036] 導絲的碰撞檢測是基于GPU的AABB包圍盒的方法，在GPU上分別對導絲和血管壁 創建AABB包圍盒再通過三角形和直線相交的檢測方法檢測發生碰撞的點和發生碰撞的面 片序號以及碰撞位置的坐標。
[0037] -旦程序檢測到發生碰撞，導絲必須移動來限制導絲保持在血管內部運動。對質 點的力的限制操作出現在碰撞響應階段，每次模擬循環都會對導絲施加四種力：外力，彈簧 力，2D彎曲力，3D彎曲力。
[0038] (1)、外力是對導絲包圍盒與血管壁三角形碰撞的反應。對于任何發生碰撞的質 點，碰撞力的計算公式：
[0039]

【權利要求】
1. 一種基于彈簧質子模型的醫學手術器械導絲的模擬方法，其特征在于包括四個步 驟： 步驟（1)、建立導絲模型：根據導絲的幾何特征，將導絲模型離散化成質點模型，根 據給定的物理參數對質點之間建立彈簧模型；導絲由一系列點（X0，…，XN)通過固定長 度為λ的彈簧連接；導絲的質量均勻的分給所有質點，導絲的尖端部分由前面的幾個點 (Χ0，···，Xtlength)表示，其余的點表示導絲的體部（Χ0，···，Xtlength),這兩個部分分開 處理，在導絲的旋轉操作會有不同； 步驟（2)、對導絲運動過程的模擬：其中對于導絲的推操作，為了防止導絲在血管內運 動過程中出現過彎曲的狀況，選擇導絲的尖端部分更新位置的方法；對于導絲的拉操作，由 于沒有過彎曲的問題，所以從導絲的體部分更新位置；對于導絲的旋轉操作，通過外部設備 輸入旋轉角度，計算旋轉軸對位置進行更新；具體為首先計算導絲的尖端（Tip)部分的最 后一個點X4和體部（Body)的第一個點X5,他們之間的單位向量為尖端推操作力的方向，將 尖端點沿著這個方向平移輸入值t大小的距離，尖端平移后，體部的點依次更新位置從X5 開始；具體為推操作時，當導絲進入血管長度大于導絲總長度的1/2時，在導絲末端動態添 加一個點，在對導絲實行拉操作時，當導絲出血管的長度大于導絲總長度的1/2時，動態在 導絲末端刪除一個點； 步驟（3)、導絲的碰撞檢測和響應，在對導絲運動的模擬過程中，可能會發生與血管壁 的碰撞，這時候需要對碰撞進行響應，防止發生滲透現象，達到更真實的模擬效果；導絲的 碰撞檢測是基于GPU的AABB包圍盒的方法，在GPU上分別對導絲和血管壁創建AABB包圍 盒再通過三角形和直線相交的檢測方法檢測發生碰撞的點和發生碰撞的面片序號以及碰 撞位置的坐標； 一旦檢測到發生碰撞，導絲必須移動來限制導絲保持在血管內部運動；對質點的力的 限制操作出現在碰撞響應階段，每次模擬循環都會對導絲施加四種力：外力，彈簧力，2D彎 曲力，3D彎曲力； 1) 碰撞力是對導絲包圍盒與血管壁三角形碰撞的反應，導絲在與血管壁發生碰撞時受 到的力，并且會受到血管的摩擦力； 2) 彈簧力限制導絲的拉伸性，根據胡克定律得到； 3) 2D彎曲力目的是保持導絲體部為直的形狀及導絲尖端的初始形狀，其力學原理是基 于胡克定律； 4) 3D彎曲力是對于外力施加到導絲尖端做出的響應，通常由于外力作用，導絲的尖端 點可能出脫離原來的平面導致不是所有點在同一個平面的情況，對于導絲體部的點則沒有 這種考慮，因為能夠向任意的方向移動；在真實情況中，導絲的尖端必須處于同一個平面 內；而2D彎曲力只能保證導絲尖端點之間保持初始角度，但是不足以限制導絲尖端點處于 同一個平面；所以在模擬中，為每個導絲尖端的點施加一個3D的力； 步驟（4)、對導絲的自適應采樣，在導絲模擬的最初通過反復的試驗經驗，給出導絲控 制點之間的間隔大小，然而導絲在血管中運動時，需要動態檢查是否需要對導絲進行自適 應采樣；如果導絲的曲率很大但是控制點之間的間隔不夠小，以至于無法精確的表示導絲 在血管中運動的狀態，那么需要在相應的位置進行點的分裂操作，添加兩個控制點以精確 表示導絲；類似的，在導絲曲率很小但是控制點之間間隔不夠大時而影響計算效率時，為了 達到實時模擬，需要在相應位置將兩個控制點合并成一個控制點。
2. 根據專利要求1所述的基于彈簧質子模型的醫學手術器械導絲的模擬方法，其特征 在于：步驟1中所述的導絲模型的建立方法，為了模擬尖端有彎曲部分的導絲，初始化導絲 形狀時對尖端部分形狀進行了計算，并且對彈簧的拉伸模量、彎曲模量、阻尼系數、體部質 點之間初始段長、導絲尖端彎曲角度等參數進行初始化，以模擬導絲尖端和體部的不同物 理材質屬性。
3. 根據權利要求1所述的基于彈簧質子模型的醫學手術器械導絲的模擬方法，其特征 在于：步驟1中所述的導絲模型的運動過程模擬，為了在導絲運動過程中，維持尖端的彎曲 形狀，填加了一個內部3D力，這個力的原理是在導絲運動過程中，產生使導絲尖端所有點 保持在與導絲體部前兩個點以及導絲尖端第一個點所構成的面在同一個平面的力，其力學 基本原理是基于胡克定律；對于導絲旋轉操作時，為了增強真實性，導絲尖端和體部都進行 旋轉和位置更新。
4. 根據權利要求1所述的基于彈簧質子模型的醫學手術器械導絲的模擬方法，其特征 在于：步驟1中所述的導絲的碰撞檢測和響應部分，檢測使用了 AABB包圍盒的方法，通過在 GPU上對每個三角形面片和導絲上的線段建立包圍盒并且進行相交檢測來判斷是否發生碰 撞，如果發生碰撞則進行碰撞響應，對于碰撞響應，對導絲的第一個點和其他點碰撞響應分 開處理，以達到更真實模擬效果。
【文檔編號】G09B23/28GK104318840SQ201410568970
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月22日 優先權日:2014年10月22日
【發明者】郝愛民, 王偉唯, 李帥, 秦洪 申請人:北京航空航天大學