[發(fā)明專(zhuān)利]微創(chuàng)血管介入手術(shù)中導(dǎo)絲受血流作用的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)仿真方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611003438.0
• 申請(qǐng)日: 2016-11-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106709902B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-06-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 顧力栩;蔡佳音
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06T7/00
• 分類(lèi)號(hào): G06T7/00;G06T7/11;G06T15/00
• 代理公司: 上海科盛知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 應(yīng)小波

1.一種微創(chuàng)血管介入手術(shù)中導(dǎo)絲受血流作用的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)仿真方法，包括以下幾個(gè)步驟：

第一步，根據(jù)病人的CT掃描圖像預(yù)先分割出血管部位的數(shù)據(jù)，采用三角形表面網(wǎng)格對(duì)血管進(jìn)行建模；

第二步，求取血管網(wǎng)格的中心線，按照中心線將連續(xù)的血管網(wǎng)格模型離散化表示為一組圓柱體狀小血管的組合，并抽象為一個(gè)有向圖；

第三步，根據(jù)泊松法則對(duì)每一段小血管建立流體模型，用于描述每一段小血管中流量與兩端壓力差的關(guān)系；

第四步，根據(jù)小血管之間的位置關(guān)系、進(jìn)出的流量一致和小血管兩端的壓力差這些條件，對(duì)抽象為有向圖的血管模型整體建立流體計(jì)算矩陣，計(jì)算血管中的流量和壓力分布；

第五步，使用彈性桿模型對(duì)導(dǎo)絲建模，并根據(jù)導(dǎo)絲在血管中的相對(duì)位置，計(jì)算血流對(duì)導(dǎo)絲的作用力并施加到導(dǎo)絲的仿真模型上，更新導(dǎo)絲的形態(tài)；

第六步，對(duì)導(dǎo)絲進(jìn)行三維渲染；

所述的第五步中計(jì)算血流對(duì)導(dǎo)絲的作用力并施加到導(dǎo)絲的仿真模型的步驟如下：

51)查找導(dǎo)絲質(zhì)點(diǎn)在血管中的相對(duì)位置，確定其所屬的小血管；將離散化的血管描述為V_1～n，所有的導(dǎo)絲質(zhì)點(diǎn)描述為m_1～n，為了加快查找的速度，不針對(duì)每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)搜索所有的血管，而只對(duì)第一個(gè)質(zhì)點(diǎn)m₁搜索所有的血管并找到對(duì)應(yīng)的血管V_1′，而對(duì)于后續(xù)的任意一個(gè)質(zhì)點(diǎn)m_i，只需要搜索上一個(gè)質(zhì)點(diǎn)所屬的血管V_(i-1)′的一個(gè)鄰域V_(i-1)，±n，即快速找到每個(gè)質(zhì)點(diǎn)所在的血管；使用這種查找方法有效地提高仿真的速度；

52)根據(jù)質(zhì)點(diǎn)在血管中的位置，求取血流在質(zhì)點(diǎn)上的作用力，表示如下

x表示質(zhì)點(diǎn)在血管軸向方向的距離，d表示質(zhì)點(diǎn)在血管徑向方向的距離，Q表示這段血管中的流量，ΔP表示血管兩端的壓力差，r表示血管的半徑，η表示血液的粘度系數(shù)；

53)將血流的作用整合進(jìn)導(dǎo)絲的物理仿真中，基于彈性桿模型的導(dǎo)絲每一幀的計(jì)算如下

其中，Δx和Δv分別表示各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的位置和速度變化，Δt是時(shí)間間隔，f表示各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的受力情況的雅可比矩陣，包括導(dǎo)絲受到的推拉、旋轉(zhuǎn)以及碰撞的力，M是依賴(lài)于導(dǎo)絲各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的位置信息的一個(gè)對(duì)角矩陣，v_t,x_t分別表示在t時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)的速度和位置；

在每個(gè)質(zhì)點(diǎn)上都加入血流的作用如下，得到受血流作用影響的導(dǎo)絲仿真計(jì)算模型：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微創(chuàng)血管介入手術(shù)中導(dǎo)絲受血流作用的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)仿真方法，其特征在于，根據(jù)中心線將連續(xù)的網(wǎng)格模型離散化表示為一組圓管的集合，并抽象為一個(gè)有向圖，表示為G(N_n,N_e)，其中包含了N_n個(gè)節(jié)點(diǎn)和N_e條邊，節(jié)點(diǎn)為離散點(diǎn)，邊為圓管。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微創(chuàng)血管介入手術(shù)中導(dǎo)絲受血流作用的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)仿真方法，其特征在于，根據(jù)泊松法則對(duì)每一段小血管建立流體模型如下：

其中，Q表示這段血管中的流量，Δp表示血管兩端的壓力差，L表示該段血管的長(zhǎng)度，r表示血管的半徑，η表示血液的粘度系數(shù)，R表示該段血管的阻力，由L、r、η描述。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微創(chuàng)血管介入手術(shù)中導(dǎo)絲受血流作用的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)仿真方法，其特征在于，對(duì)抽象為有向圖的血管模型整體建立流體計(jì)算矩陣如下:

41)使用節(jié)點(diǎn)-邊矩陣描述抽象為有向圖后的血管的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

其中，如果第j條邊從第i個(gè)節(jié)點(diǎn)出發(fā)，則A_i,j＝1，如果第j條邊到第i個(gè)節(jié)點(diǎn)結(jié)束，則A_i,j＝-1；

42)由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)流入流量與流出流量是相等的，因此表示為

AQ＝0

其中Q表示這段血管中的流量，A為描述血管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)-邊矩陣；

43)又因?yàn)槊恳欢涡⊙苤械牧黧w都有所述的模型，整個(gè)血管的整體流體計(jì)算表示為：

CQ＝ΔP

其中，C為對(duì)角陣R_i表示第i段血管的阻力，其中i＝1…n，ΔP是一個(gè)列向量，包括了每一條邊的壓力差；

44)使用一個(gè)正弦函數(shù)表示心臟輸出的血壓在收縮壓和舒張壓之間的變化p_source(t)

其中，P₁和P₂分別為收縮壓和舒張壓，ω用來(lái)控制輸出壓力的周期；

45)整合前面列出的方程，整個(gè)血管整體血流計(jì)算過(guò)程表示為：

其中，是一個(gè)稀疏的可逆矩陣，P表示心臟輸出的壓力，方程的求解方式如下

由于矩陣K的值只與血管的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)，而血管的結(jié)構(gòu)是固定不變的，因此K的逆在開(kāi)始仿真之前提前求好，以提高仿真的速度。