[發(fā)明專利]手術(shù)器械運(yùn)動(dòng)模擬方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410140075.X
• 申請(qǐng)日: 2014-04-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103961179A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-08-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳劍煌;王浩宇;馬炘
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 深圳先進(jìn)技術(shù)研究院
• 主分類號(hào): A61B19/00
• 分類號(hào): A61B19/00
• 代理公司: 廣州三環(huán)專利代理有限公司 44202
• 代理人: 郝傳鑫;熊永強(qiáng)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于介入手術(shù)的手術(shù)器械運(yùn)動(dòng)模擬方法。

背景技術(shù)

介入手術(shù)是指在不開(kāi)刀暴露病灶的情況下，在人體原有的管道或在血管、皮膚上作毫米級(jí)的微小通道，在成像設(shè)備，如血管造影機(jī)、透視機(jī)、計(jì)算機(jī)斷層掃描（Computed Tomography，CT）、磁共振（Magnetic Resonance，MR）、B超（B-mode ultrasonography）的引導(dǎo)下對(duì)病灶局部進(jìn)行治療的方法。該方法以其創(chuàng)傷小、簡(jiǎn)便、安全有效、并發(fā)癥少和住院時(shí)間短等特點(diǎn)，已成為如腫瘤、心血管病等疾病的重要治療手段。傳統(tǒng)的介入手術(shù)訓(xùn)練方式主要有實(shí)際病人手術(shù)中的操作訓(xùn)練、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練以及血管模型操作訓(xùn)練等方法，這些方法存在著風(fēng)險(xiǎn)大、花費(fèi)高或?qū)W習(xí)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，而且對(duì)操作者的實(shí)際手術(shù)經(jīng)驗(yàn)、手眼協(xié)調(diào)能力等有非常高的要求。

借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行模擬介入手術(shù)中的操作過(guò)程為介入手術(shù)訓(xùn)練提供了一種常用的解決方案。由于在介入手術(shù)中，操作者主要通過(guò)暴露在血管外部的導(dǎo)管/導(dǎo)絲等手術(shù)器械進(jìn)行操作，因此，模擬介入手術(shù)訓(xùn)練的一個(gè)難點(diǎn)是導(dǎo)管/導(dǎo)絲等手術(shù)器械的運(yùn)動(dòng)模擬操作。現(xiàn)有的導(dǎo)管/導(dǎo)絲等手術(shù)器械的運(yùn)動(dòng)模擬方法主要有以下兩種：

（1）基于有限元的模擬方法：具體為，將導(dǎo)管/導(dǎo)絲定義成一系列光滑連接的弧形曲線，該導(dǎo)管/導(dǎo)絲根據(jù)血管的形狀動(dòng)態(tài)地插入、刪除、融合以及分裂，然后根據(jù)有限元方法計(jì)算各段曲線在彈力作用下的形變，這種方法無(wú)法準(zhǔn)確模擬大型非線性物體的形變。此外，即使將導(dǎo)管/導(dǎo)絲定義成相互連接的具有非完整約束的可形變樣條，采用一種增量有限元模型來(lái)模擬導(dǎo)管/導(dǎo)絲的形變。這種增量模型同樣會(huì)將誤差進(jìn)行積累，因而不能達(dá)到所需的精度要求。

（2）基于多體動(dòng)力學(xué)的方法：具體為，將導(dǎo)絲離散成多段長(zhǎng)度相等的不可壓縮的輕桿，融合了更加復(fù)雜的彈性勢(shì)能模型，提高了真實(shí)度。但是，其方法計(jì)算量大，其速度不能夠滿足模擬的實(shí)時(shí)性要求。此外，將導(dǎo)絲定義成彈簧質(zhì)點(diǎn)模型，定義了多種復(fù)雜的力，將導(dǎo)管/導(dǎo)絲限制在血管內(nèi)部，這種方法也在一定程度上犧牲了精度。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種手術(shù)器械運(yùn)動(dòng)模擬方法，其能夠?qū)崿F(xiàn)真實(shí)性高、速度快、精確度高及魯棒性好的導(dǎo)管/導(dǎo)絲等手術(shù)器械運(yùn)動(dòng)模擬操作，滿足了使用要求。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種手術(shù)器械運(yùn)動(dòng)模擬方法，其至少包括如下步驟：

獲取CT圖像并重建獲得血管模型；

獲取手術(shù)器械模型，并根據(jù)所述血管模型自適應(yīng)離散所述手術(shù)器械模型；

所述手術(shù)器械模型根據(jù)施加的控制信號(hào)，在所述血管模型中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；及

對(duì)所述手術(shù)器械模型上的節(jié)點(diǎn)及所述血管模型的血管壁進(jìn)行碰撞檢測(cè)，并獲得所述手術(shù)器械模型碰撞后的平衡位置。

其中，所述手術(shù)器械為導(dǎo)絲或?qū)Ч堋?/p>

其中，所述獲取CT圖像并重建獲得血管模型包括：

利用掃描設(shè)備對(duì)血管進(jìn)行斷層掃描，以獲取所述血管的CT圖像；

對(duì)所述CT圖像進(jìn)行切片重組、差值以及三維重建處理；及

對(duì)三維重建后的圖像進(jìn)行平滑、去雜、分離以及面片合并處理，獲得血管模型。

其中，所述手術(shù)器械模型包括若干等長(zhǎng)、沒(méi)有質(zhì)量且不可彎曲、拉伸以及壓縮的桿，相鄰的兩個(gè)桿之間通過(guò)一節(jié)點(diǎn)連接，所述手術(shù)器械模型的質(zhì)量分布在所述節(jié)點(diǎn)上且所述桿繞所述節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

其中，所述自適應(yīng)離散所述手術(shù)器械模型包括：

遍歷所述血管模型，計(jì)算所述手術(shù)器械模型在所述血管模型中各點(diǎn)的離散系數(shù)；

對(duì)所述手術(shù)器械模型進(jìn)行初始離散化；以及

根據(jù)所述血管模型中各點(diǎn)的離散系數(shù)，自適應(yīng)調(diào)整所述手術(shù)器械模型的離散程度。

其中，在所述獲取手術(shù)器械模型，并根據(jù)所述血管模型自適應(yīng)離散所述手術(shù)器械模型之后還包括：

將所述血管模型載入到介入手術(shù)模擬系統(tǒng)中，并進(jìn)行三維繪制。

其中，所述介入手術(shù)模擬系統(tǒng)包括傳感器，所述傳感器捕捉操作者的動(dòng)作并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制信號(hào)，所述介入手術(shù)模擬系統(tǒng)對(duì)所述控制信號(hào)進(jìn)行縮放處理后施加到所述手術(shù)器械模式上，以控制所述手術(shù)器械模型的運(yùn)動(dòng)。

其中，所述控制信號(hào)包括平移信號(hào)及旋轉(zhuǎn)信號(hào)。

其中，在所述手術(shù)器械模型的節(jié)點(diǎn)上設(shè)置一包圍球，所述碰撞檢測(cè)為所述節(jié)點(diǎn)的包圍球與組成血管模型的所述面片之間的碰撞。

其中，所述碰撞檢測(cè)包括：

根據(jù)所述節(jié)點(diǎn)的包圍球與組成所述血管壁的面片之間的碰撞，計(jì)算施加在發(fā)生碰撞的節(jié)點(diǎn)上的彈力；