[發明專利]一種考慮空間大變形的介入手術導絲建模方法及其應用

有效

• 申請號: 202010424821.3
• 申請日: 2020-05-19
• 公開（公告）號: CN111597720B
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發明（設計）人: 胡陟;虞磊;戴賢萍
• 申請（專利權）人: 上海工程技術大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G16H50/50;A61B34/10
• 代理公司: 上海唯智贏專利代理事務所(普通合伙) 31293
• 代理人: 劉朵朵

本發明公開了一種考慮空間大變形的介入手術導絲建模方法及其應用，步驟如下：將導絲離散成有限個梁單元；單個梁單元以節點位移矢量與位移場的斜率矢量作為廣義坐標，通過節點位移矢量、節點斜率矢量描述導絲變形和導絲截面轉動，推導得到單個梁單元的總動能和總勢能的表達式；利用拉格朗日方程將單個梁單元的總動能和總勢能以及彈性力結合起來得到單個梁單元的動力學方程；通過組集所有單元的動力學方程即得整根導絲的動力學方程；結合以下公式與整根導絲的動力學方程通過導絲一端的位置信息獲取整根導絲所有梁單元的受力及位置信息；δ＝‖r?R‖+r_b?r_t。本發明的方法數據處理量小、建模速度快且能夠真實模擬導絲，應用前景好。

技術領域

本發明屬于導絲建模技術領域，涉及一種考慮空間大變形的介入手術導絲建模方法及其應用。

背景技術

微創心血管介入手術，以其減少術后疼痛、縮短恢復時間、創傷小等優點廣泛使用，其中導絲作為關鍵介入器械要深入到心臟冠狀動脈腔壁變狹窄或阻塞處。虛擬現實技術作為提升臨場感的關鍵技術被應用到介入手術中，通過虛擬現實技術，重構一個與現實手術系統環境完全一致的虛擬現實環境，操作者直接通過人機交互設備與虛擬現實環境交互，即時產生視覺、聽覺、觸覺、力覺等感官感受。

柔性線纜模型表達是進行虛擬環境下介入手術仿真的基礎，該模型不僅要支撐導絲的幾何特性，還要支持物理特性表達，并滿足虛擬現實系統特有的實時性要求。導絲的特點是長度遠大于其直徑。由于導絲的形狀不像剛體那樣固定不變，而是隨著外界條件的不同發生改變，因此建模難度很大。

介入手術操作過程中，導絲和血管壁移動接觸存在大范圍的摩擦受力，主端使用虛擬現實技術進行其物理形變特征的實時仿真是一個有挑戰的工作。而手術器械與血管壁碰撞的檢測檢測是非常耗時的，碰撞檢測算法的好壞很大程度上決定了系統的整體性能。

介入手術中導絲在工作時進行大范圍運動，必須使用動力學方法對其進行描述和計算。將必須考慮彈性變形影響的部件作為柔性體處理，進行有限元離散，保留有限自由度。對于導絲等細長物體的物理形變實時仿真，一般將導絲沿長度方向進行離散化，分析各微元的形變及受力。

現有的介入導絲建模技術有以下不足：

1、缺乏高效的物理模型；

一維細長體常見建模方式有彈簧質點模型、彈性桿模型和梁模型，彈簧質點模型建模易于實施，計算效率高，該方法由一系列質點和連接質點的直線彈簧表示，具有較強的實時性，但因模型高度簡化，準確性低。

利用Kirchhoff理論、Cosserat理論建立的離散彈性桿模型，也可用于模擬介入器械中導絲運動，Cosserat彈性桿模型利用Cossserat理論，該理論將彈性桿的截面視為剛體，考慮了彈性桿的軸向線應變和彎曲剪應變等物理參數，以此理論為基礎導出桿件的連續能量表達式，通過對桿的離散計算出桿的每個單元具有的能量，進而由拉格朗日方程得到桿的動力學微分方程，數值求解該微分方程，得到導絲的動態變化，Cosserat彈性桿模型能模擬一維細長彈性體任意超大彎曲變形，但桿模型無法考慮導絲的彎曲剛度，同時由于相連節點之間的變形為小變形，因此要描述柔性體的大變形需劃分比較密的網格才能得到較高精度的解，但其離散之后的導絲中心線為折線。其Kirchhoff彈性桿則是Cosserat彈性桿模型忽略中心線伸縮及截面截切變形的特例，適用于一維細長彈性體準靜力學問題。

相對于桿模型而言，梁模型能考慮導絲的彎曲剛度，針對不同的簡化條件，建立Bernoulli梁或Timoshenko梁等不同近似程度的動力學模型，但這兩種梁模型應用都基于小變形假設的前提下，對于導絲的大變形運動，誤差顯著。

2、碰撞檢測；