[發明專利]一種基于彈簧質子模型的醫學手術器械導絲的模擬方法

在審

• 申請號: 201410568970.1
• 申請日: 2014-10-22
• 公開（公告）號: CN104318840A
• 公開（公告）日: 2015-01-28
• 發明（設計）人: 郝愛民;王偉唯;李帥;秦洪
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G09B23/28
• 分類號: G09B23/28
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;李新華

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(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；

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。