[發明專利]一種血管內造影劑擴散模擬方法

在審

• 申請號: 202210052502.3
• 申請日: 2022-01-18
• 公開（公告）號: CN114494492A
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 黃東晉;周舒華;劉傳蔓;劉金華;唐鵬斌
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G06T11/00
• 分類號: G06T11/00;G06T15/00;G06T15/04;G16H20/40;G16H50/50
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

本發明提出了一種血管內造影劑擴散模擬方法，使用隱式邊界表示法和二相混合流體模型來模擬造影劑在各類復雜血管內的擴散運動。該方法包括三個步驟：首先為血管邊界生成邊界體積圖；然后初始化模擬參數，初始化“血液?造影劑”混合粒子的屬性和位置，并加載邊界體積圖；最后進行模擬循環，計算每個時刻“血液?造影劑”混合粒子的密度和受力，更新其速度和位置，并進行渲染。本方法能夠真實、實時模擬造影劑在各類復雜血管中的擴散效果，解決了虛擬造影手術中真實感和沉浸感的難題，且重復性好，沒有材料的浪費。

技術領域

本發明涉及計算機仿真建模和虛擬手術領域，特別涉及一種血管內造影劑擴散模擬方法。

背景技術

心血管疾病是全球的頭號死因，占全球居民疾病死亡構成的40％以上，是導致全世界死亡人數最高的疾病。

血管介入治療手術由于其創傷小、恢復快、治療成功率高等優勢，是治療心血管疾病的首要選擇。血管造影是血管介入治療手術中重要的一環，用來實時獲得血管的醫學圖像，指引醫生將導管送到冠狀動脈開口處，并確定腫瘤的位置和周圍血管狹窄。然而，血管介入治療手術對醫生的操作有很高的要求，而虛擬心血管手術能夠為醫生提供足夠的訓練機會，大大縮短了手術培訓的周期，安全性高且不會造成任何器材的浪費。但虛擬手術的真實性和實時性往往對培訓效果有較大的影響，其中，血管造影過程的模擬尤為重要，真實、實時的血管造影結果才能幫助醫生識別和量化血管病變，給醫生的操作提供正確的指引，從而使培訓達到應有的效果。

現有的造影劑擴散模擬方法大多使用簡單的對流-擴散方程來模擬造影劑在血流中的擴散，忽略了血液和造影劑之間的交互運動。此外，現有方法在處理血管邊界問題時都使用基于粒子的方法對邊界進行采樣，該類方法無法光滑地表示各類邊界，從而會引入不必要的摩擦力，且該類方法在每次運行前都需要花費大量時間和內存構建邊界粒子，模擬時也會在鄰居搜索、力求解等過程中花費巨大的計算開銷。

發明內容

鑒于已有的技術存在的不足，本發明的目的在于提供一種血管內造影劑擴散仿真方法，該方法能夠實時準確地模擬各類復雜血管中造影劑擴散造影的過程。

為達到上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種血管內造影劑擴散模擬方法，包含以下操作步驟：

步驟1：血管邊界條件處理；使用連續的隱式邊界法來表示血管壁，并提前使用稀疏網格中的三次多項式來離散計算血管內各處的邊界體積貢獻，將其存儲到邊界體積圖中；

步驟2：模擬初始化；初始化模擬參數，初始化“血液-造影劑”混合粒子的屬性和位置，加載邊界體積圖；

步驟3：模擬循環；計算當前時刻每個“血液-造影劑”混合粒子的密度和受力，更新當前時刻所有粒子的速度和位置，并進行渲染。

優選地，所述步驟1的血管邊界條件處理包括如下操作：

1-1：使用符號距離函數來表示血管邊界；

1-2：使用具有32個節點的偶然性類型的三次多項式在規則六面體網格上來離散符號距離函數，在每個單元節點上采樣該處的符號距離值；

1-3：剔除遠離邊界的區域，只保留距離邊界四個光滑半徑的網格單元，形成一個稀疏、窄帶的模式；

1-4：求解粒子位于血管內某處時其支持域與邊界區域的相交體積，相交體積定義為以下公式：

其中，N(x_i)表示粒子x_i的支持域，x'表示N(x_i)區域中的任意值，φ(x')表示x'處的符號距離值，γ(φ(x'))表示一個三次擴展函數，其函數變量是φ(x')，γ用以下公式表示：