[發(fā)明專利]一種基于彈簧質(zhì)子模型的醫(yī)學(xué)手術(shù)器械導(dǎo)絲的模擬方法

在審

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• 申請日: 2014-10-22
• 公開（公告）號: CN104318840A
• 公開（公告）日: 2015-01-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郝愛民;王偉唯;李帥;秦洪
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 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(zé)任公司 11251
• 代理人: 楊學(xué)明;李新華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于彈簧質(zhì)子模型的醫(yī)學(xué)手術(shù)器械導(dǎo)絲的模擬方法。

背景技術(shù)

心血管疾病，又稱為循環(huán)系統(tǒng)疾病，是一系列涉及循環(huán)系統(tǒng)的疾病(循環(huán)系統(tǒng)指人體內(nèi)運(yùn)送血液的器官和組織，主要包括心臟、血管)，可以細(xì)分為急性和慢性，一般都是與動(dòng)脈硬化有關(guān)。目前世界范圍內(nèi)，有心血管以及相關(guān)疾病的人口占世界人口的1/4，因此，心血管疾病已經(jīng)成為世界醫(yī)學(xué)界的難題，是全人類的挑戰(zhàn)之一。

放射介入(IR，InterventionalRadiology)療法是在透視、CT、MRI、B超等醫(yī)學(xué)影像技術(shù)引導(dǎo)下，通過穿刺，將導(dǎo)管、導(dǎo)絲等插到病變部位，對身體各臟器疾病進(jìn)行治療的新學(xué)科。目前，介入手術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為治療心血管病患者最有效、最及時(shí)的方法之一，介入手術(shù)是一種微創(chuàng)手術(shù)，具有痛苦小、住院時(shí)間短、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。目前，在進(jìn)行介入手術(shù)操作時(shí)，要根據(jù)實(shí)時(shí)二維的透視成像技術(shù)(比如X光等)得到的圖像，對手術(shù)器械進(jìn)行推、拉、旋轉(zhuǎn)等操作，來控制手術(shù)器械到達(dá)病灶的位置，進(jìn)行手術(shù)治療，那么就要求進(jìn)行介入手術(shù)操作的醫(yī)生要具有大量的臨床經(jīng)驗(yàn)以及熟練的操作技術(shù)。

所有仿射的培訓(xùn)的基礎(chǔ)目的都是培養(yǎng)操作核心儀器的能力。如對于微創(chuàng)手術(shù)來說，需要對導(dǎo)絲的操作進(jìn)行培訓(xùn)如何通過控制導(dǎo)絲的末端，在熒光鏡指引下進(jìn)行手術(shù)操作。為了提供訓(xùn)練環(huán)境，導(dǎo)絲在人體血管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)的模擬真實(shí)性對于訓(xùn)練效果非常重要。對于這樣的模擬算法，真實(shí)性和速度要求都非常重要。

為了解決上述的要求，本發(fā)明基于彈簧質(zhì)子模型，建立導(dǎo)絲模型，并且為了導(dǎo)絲的真實(shí)性做出了一些分析，通過對導(dǎo)絲運(yùn)動(dòng)過程中添加保持尖端彎角的內(nèi)力、對導(dǎo)絲動(dòng)態(tài)自適應(yīng)采樣以及對導(dǎo)絲進(jìn)行碰撞檢測和響應(yīng)等方法達(dá)到要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有的一些模擬導(dǎo)絲的算法的真實(shí)性或者速度上的不足，提供了一種基于彈簧質(zhì)子模型的醫(yī)學(xué)器械導(dǎo)絲的模擬方法。并且通過對導(dǎo)絲運(yùn)動(dòng)過程的分析，提供了更真實(shí)的算法，保證了真實(shí)性和速度的要求。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于彈簧質(zhì)子模型的醫(yī)學(xué)器械導(dǎo)絲的模擬方法，包括以下四個(gè)步驟：

步驟(1)、建立導(dǎo)絲模型：根據(jù)導(dǎo)絲的幾何特征，將導(dǎo)絲模型離散化成質(zhì)點(diǎn)模型，根據(jù)給定的物理參數(shù)對質(zhì)點(diǎn)之間建立彈簧模型，為了后面的仿真過程建立模型基礎(chǔ)。

步驟(2)、對導(dǎo)絲運(yùn)動(dòng)過程的模擬，其中對于導(dǎo)絲的推操作，為了防止導(dǎo)絲在血管內(nèi)運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)過彎曲的狀況，選擇導(dǎo)絲的尖端部分更新位置的方法；對于導(dǎo)絲的拉操作，由于沒有過彎曲的問題，所以從導(dǎo)絲的體部分更新位置；對于導(dǎo)絲的旋轉(zhuǎn)操作，通過外部設(shè)備輸入旋轉(zhuǎn)角度，計(jì)算旋轉(zhuǎn)軸對位置進(jìn)行更新。

步驟(3)、導(dǎo)絲的碰撞檢測和響應(yīng)，在對導(dǎo)絲運(yùn)動(dòng)的模擬過程中，可能會(huì)發(fā)生與血管壁的碰撞，這時(shí)候需要對碰撞進(jìn)行響應(yīng)，防止發(fā)生滲透現(xiàn)象，達(dá)到更真實(shí)的模擬效果。

步驟(4)、對導(dǎo)絲的自適應(yīng)采樣，當(dāng)導(dǎo)絲在血管中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于血管結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性，在曲率小的部分，導(dǎo)絲只需要少量的點(diǎn)表達(dá)，以達(dá)到高的效率，然而在曲率大的地方，只有更多的點(diǎn)才能更真實(shí)的模擬，防止出現(xiàn)鋸齒現(xiàn)象。

本發(fā)明的原理在于：

(1)通過對導(dǎo)絲模型離散化，建立導(dǎo)絲的彈簧質(zhì)點(diǎn)模型，為了模擬帶有尖端的導(dǎo)絲模型，導(dǎo)絲的尖端和體部分別不同的彈簧參數(shù)。

(2)為了模擬導(dǎo)絲的運(yùn)動(dòng)過程，本發(fā)明中考慮了導(dǎo)絲的三種內(nèi)力和兩種外力，分別考慮了導(dǎo)絲質(zhì)點(diǎn)之間的拉力和彎曲力以及保持導(dǎo)絲尖端形狀的力，這三個(gè)力的原理是基于胡克定律。兩個(gè)外力分別是訓(xùn)練者給導(dǎo)絲的輸入力以及導(dǎo)絲在運(yùn)動(dòng)過程中與血管壁碰撞產(chǎn)生的力。

(3)對于導(dǎo)絲的碰撞響應(yīng)，對于導(dǎo)絲的第一個(gè)碰撞點(diǎn)，在于血管壁發(fā)生膨脹時(shí)，收到碰撞力大小與穿透距離有關(guān)系，將這個(gè)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(dǎo)絲其他的點(diǎn)發(fā)生碰撞時(shí)，只收到切線方向的摩擦力。

(4)導(dǎo)絲在運(yùn)動(dòng)過程中的自適應(yīng)采樣，事先設(shè)定一個(gè)閾值，當(dāng)一個(gè)點(diǎn)與周圍點(diǎn)形成的夾角(曲率)小于閾值，并且點(diǎn)的密度較大時(shí)，需要增加兩個(gè)點(diǎn)，從而使模擬效果更真實(shí)。本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比優(yōu)點(diǎn)在于：

1.本發(fā)明采用彈簧質(zhì)點(diǎn)模型進(jìn)行模擬，這樣的模型相比于FEM方法來說，時(shí)間效率更高，并且將導(dǎo)絲的尖端和體部賦予了不同的材質(zhì)參數(shù)，模擬不同的物理材質(zhì)屬性。

2.本發(fā)明考慮了保持導(dǎo)絲尖端形狀的內(nèi)力，并且考慮了導(dǎo)絲抗拉伸的力。

3.本發(fā)明通過建立AABB包圍盒的方法進(jìn)行碰撞檢測，并且為了提高檢測效率，檢測過程在GPU上實(shí)現(xiàn)。

附圖說明