本发明涉及图像处理、计算机视觉和增强现实技术领域，具体地说是一种支持个性化的经皮冠状动脉成形术模拟训练系统及方法。
背景技术：
随着临床医学的不断进步，医学手术呈现出微创化、精准化、个性化的发展趋势，对医生的基础知识和操作技能两个方面都提出了巨大的挑战。如何通过技术手段缩短手术医生的培养周期、降低医生临床手术风险、提高手术操作精准度是现代医学和信息、自动化等多学科关注的焦点问题。结合虚拟现实和数字医学的虚拟手术技术，以其可重复、低风险、高逼真等优点，得到临床医生的高度认可，为医生手术技能培训和手术预演等提供了一条全新的技术途径。同时，虚拟手术仿真涉及的人体及其器官的高精度建模、软组织器官的实时交互、力触觉计算与反馈、基于人体物理计算模型和生理模型的高真实感绘制等一系列十分困难的基础问题，对信息技术的发展提出了新的挑战。
经皮冠状动脉心血管介入手术(percutaneouscoronaryintervention,pci)是当前针对人体心血管疾病最为有效的治疗手段之一。这类介入手术，是指经导管技术疏通狭窄甚至闭塞的冠状动脉管腔，从而改善心肌的血流灌注，其主体部分就是导丝插入心血管并准确到达医生想要进行手术的部位。但是，由于人体心内血管结构的复杂性和多样性，此类手术的危险性通常比较大，这就要求实施手术的外科医生必须具有非常丰富的手术经验，而这些经验又只能通过大量的临床手术训练才能慢慢积累。对于没有经验的年轻医生，直接在人体上进行手术训练的风险极大，可能对病人心脏及血管造成永久性损伤，严重的情况甚至会导致病人死亡。当前现有的心血管介入手术模拟器通常是根据特定的人体数据设计的，其数据与流程通常都是预先设定的，无法临时更改，不能做到根据不同的病人和场景做出相应的变化。
目前国内还没有心血管介入手术模拟器相关的报导，医院现有的血管介入模拟器通常都是从国外进口的，较为成熟血管介入模拟器有以色列盛拜安尼公司的angiomentor模拟器和瑞典mentice公司的vist模拟器，这些模拟器价格十分昂贵，并且大部分模拟器数据与流程通常都是预先设定的，无法临时更改，不能做到根据不同的病人和场景做出相应的变化。本发明能够根据不同病人的数据进行个性化心血管建模及心血管模型的动态仿真，为医生提供更多的训练案例。
技术实现要素：
本发明技术解决问题：为了克服上述现有技术的不足，提供一种支持个性化的经皮冠状动脉成形术模拟训练系统及方法，从临床医学影像数据中提取个性化心血管模型及心室周期性运动模型，进而逼真模拟导丝插入血管全过程，同时能够在x光下显示心血管、导丝、造影剂等医学影像，可以用于外科医生的训练和针对特定病人的术前规划与排演，为医生提供更多的训练案例，最大程度地降低临床手术风险。
为完成发明目的，本发明采用的技术方案是：一种支持个性化的经皮冠状动脉成形术模拟训练系统，包括：个性化心血管建模模块、心脏与血管的变形模块、介入导丝或导管的模拟模块、虚拟x光成像模块以及力触觉反馈模块，其中：
个性化心血管建模模块，从cta数据中分割血管区域并构建血管模型；导入病人数据，通过交互操作，将人体的心脏分割出来，再剔除其余部分，仅剩下冠状动脉和心内的血管结构，在所述血管结构上，自动地提取血管的中心线，在血管中心线上进行采样得到一系列采样点，每个采样点对应一个以该采样点为中心的血管横截面，然后估计出血管在中心线上采样点对应各个位置的横截面的大小，最后通过放样得到的细化血管结构，将血管中心线上所有采样点对应的一系列二维血管横截面连接起来构成三维心血管模型，将得到的建模结果输入至心脏与血管的变形模块中构建心血管动态仿真模型；
心脏与血管的变形模块，从mri序列中获得心室跳动序列以驱动完整心脏模型跳动并带动个性化心血管建模模块得到的血管模型一起跳动，构造心血管动态仿真模型；由真实病患的心血管磁共振(cardiacmagneticresonance，cmr)图像精确分割、建模获得不同时刻下心室的三维重建图像，得到心室跳动序列；原始的心脏模型是基于三角面片的，为获得体积属性，需要将心脏的三角面片模型delaunary三角剖分获得四面体模型，在四面体的顶点处放置填充球，填充球间使用抗弯、抗拉和抗扭的弹簧连接，将填充球模型和原心脏模型的表面顶点建立映射关系，填充球的运动带动表面顶点运动，将心脏完整模型建立与心室的对应关系，根据基于位置的动力学与心脏弹簧质子模型，利用心室的运动序列驱动心脏运动模拟心脏的周期性跳动，完成对完整心脏的动力学建模；建立完整心脏与个性化心血管建模模块得到的血管模型的顶点之间的对应关系，由心脏跳动带动血管模型一起运动，完成心血管动态仿真模型的构建；
介入导丝或导管的模拟模块，模拟心血管介入手术中的导丝在血管中的前进后退、转弯以及旋转等不同的运动；将导丝或导管离散化为多个控制点，每个控制点建立一个局部的坐标系，然后采用cosserat理论，根据导丝或导管的势能、动能以及能量耗散来描述其运动，得到导丝或导管在心脏与血管的变形模块构造的动态心血管模型中的运动模拟过程；
虚拟x光成像模块，根据x光片的成像原理，模拟病人胸腔的x光图像，展现x光下导丝或导管在动态心血管模型中运动过程；使用基于光线追踪算法的仿真方法，从x光光源到探测器每一个像素点发出射线，根据x光衰减规律计算x光通过心脏、血管及导丝等模型后得到的像素值，利用图像均匀性的raycasting加速方法，实现仿真投影图像(digitallyreconstructedradiograph,drr)的实时生成；
力触觉反馈模块，将导丝与血管碰撞产生的力，通过电机反馈给操作者；导丝在动态心血管模型中运动与血管发生碰撞产生摩擦力，计算碰撞力并通过硬件反馈给操作者。
本发明的一种支持个性化的经皮冠状动脉成形术模拟训练方法，包括以下步骤：
(1)使用不同病人的临床术前ct扫描数据，通过简单的交互操作，建立不同病人的心血管模型；导入病人cta数据后，根据体绘制结果对病人的情况有一个初步的判断，然后设置初始参数，并通过简单的交互操作，便可以将人体的心脏分割出来，最后再剔除其余部分，仅剩下冠状动脉和心内血管结构，上述得到的血管结构通常还比较粗糙，不适于直接用于手术模拟，所以在这组粗糙血管的基础之上，自动地提取血管的中心线，在血管中心线上进行采样得到一系列采样点，每个采样点对应一个以该点为中心的血管横截面，然后估计出血管在中心线上各个采样点对应的横截面的大小，最后通过放样，将血管中心线上所有采样点对应的一系列二维血管横截面连接起来构成三维心血管模型；
(2)使用病人心脏位置的4dcmr数据，还原出病人心脏的一个心动周期下的运动状态；由真实病患的心血管磁共振(cardiacmagneticresonance，cmr)图像精确分割、建模获得不同时刻下心室的三维重建图像，得到心室跳动序列；原始的心脏模型是基于三角面片的，为获得体积属性，需要将心脏的三角面片模型delaunary三角剖分获得四面体模型，在四面体的顶点处放置填充球，填充球间使用抗弯、抗拉和抗扭的弹簧连接，将填充球模型和原心脏模型的表面顶点建立映射关系，填充球的运动带动表面顶点运动，将心脏完整模型建立与心室的对应关系，根据基于位置的动力学与心脏弹簧质子模型，利用心室的运动序列驱动心脏运动模拟心脏的周期性跳动，完成对完整心脏的动力学建模；建立完整心脏与步骤(1)得到的血管模型的顶点之间的对应关系，由心脏跳动带动血管模型一起运动，完成心血管动态仿真模型的构建；
(3)模拟展示导丝的前进后退、转弯以及旋转三种不同的操作；将导丝或导管离散化为多个控制点，每个控制点建立一个局部的坐标系，然后采用cosserat理论，根据导丝或导管的势能、动能以及能量耗散来描述导丝或导管在血管中的运动，得到导丝或导管在步骤(2)构造的动态心血管模型中的运动模拟过程；
(4)计算导丝与血管的碰撞产生的反馈力，并通过硬件反馈给操作者；步骤(3)得到导丝的运动过程中导丝与血管发生碰撞产生摩擦力，计算碰撞力并通过硬件反馈给操作者；
(5)使用重建得到的三维模型数据，模拟人体器官在x光下的图像；基于光线追踪算法的仿真方法，从x光光源到探测器每一个像素点发出射线，根据x光衰减规律计算x光通过在步骤(1)(2)(3)得到的心脏、血管及导丝等模型后得到的像素值，利用图像均匀性的raycasting加速方法，实现仿真投影图像(digitallyreconstructedradiograph,drr)的实时生成。
所述在步骤(4)中,在导丝行进至血管的弯曲处时，自动检测到导丝与血管壁发生碰撞，并计算出摩擦力，通过硬件反馈给操作者过程如下：导丝在与血管壁接触产生碰撞，通过碰撞检测找到导丝在每个位置与血管的碰撞点，计算每一个碰撞点的穿透深度和穿透方向，然后沿着穿透方向的反方向对碰撞点施加一个作用力，对各个碰撞点根据碰撞点到导丝顶点的距离远近分别赋予不同的权重，距离越近的点权重越大，对所有的碰撞点的反馈力求加权和，得到一个总的反馈力，将该反馈力通过硬件设备反馈给操作者。
本发明与现有的技术相比，其有益的特点是：
(1)本发明系统较好地实现了个性化心血管模型的建模功能，用户仅仅需要少量简单的交互操作，系统便可以在几分钟内自动地生成完整的心血管模型，加上用户操作的时间，总耗时不足20分钟，使得该系统可以方便的用于pci手术的术前规划和排演，病人等待时间较短，系统的实用性很强。
(2)本发明从病人的4dcmr数据中，真实地还原出病人心脏跳动的过程，并且可以对心脏的周期性跳动进行模拟仿真，动态模拟的帧率达到110fps，可以很好地嵌入到手术模拟的过程当中。
(3)本发明很好地模拟导丝的不同操作，而且仿真的帧率可以达到30fps以上，保证了系统的实时性和可交互性。
(4)本发明不仅可以快速高效地进行碰撞检测，并且计算出的接触力与真实测量的里的误差很小，使得该系统操作手感具有很高的真实性。
(5)本发明可以非常真实地模拟人体x光片的成像结果，而且还可以对导丝，造影剂以及支架等其他物体在x光片下的成像进行模拟。
附图说明
图1是本发明支持个性化的经皮冠状动脉成形术模拟训练系统组成框图；
图2是本发明的个性化心血管建模模块流程图；
图3是本发明的心脏与血管的变形模块流程图；
图4是本发明的介入导丝或导管的模拟模块流程图；
图5是本发明的虚拟x光成像模块流程图；
图6是本发明的力触觉反馈模块流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本发明的方法作详细解释说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提出一个经皮冠状动脉成形术模拟训练系统，此系统在采集到病人的数据之后，可以高效地通过简单的交互操作，对病人的心血管进行个性化建模，然后导入到手术模拟系统当中，即可以进行手术过程的模拟排演。
包括：个性化心血管建模模块、心脏与血管的变形模块、介入导丝或导管的模拟模块、虚拟x光成像模块以及力触觉反馈模块。
如图2所示，本发明的个性化心血管建模模块具体实施如下：
从cta数据中分割血管区域并构建血管模型；导入病人数据，通过交互操作，将人体的心脏分割出来，再剔除其余部分，仅剩下冠状动脉和心内的血管结构，在所述血管结构上，自动地提取血管的中心线，在血管中心线上进行采样得到一系列采样点，每个采样点对应一个以该采样点为中心的血管横截面，然后估计出血管在中心线上采样点对应各个位置的横截面的大小，最后通过放样得到的细化血管结构，将血管中心线上所有采样点对应的一系列二维血管横截面连接起来构成三维心血管模型，将得到的建模结果输入至心脏与血管的变形模块中构建心血管动态仿真模型。
(1)将病人的临床cta数据表示为三维体数据，输入到个性化心血管建模模块中,根据体绘制结果对病人的情况有一个初步的判断
(2)用户通过交互操作，在cta数据中的感兴趣区域设置种子点作为初始的水平集区域，利用水平集算法不断演化对cta数据进行粗分割，将人体的心脏部分分割出来，再剔除冠状动脉血管周围的组织结构，仅剩下冠状动脉和心内的血管结构。
(3)在上述血管结构上，自动地提取血管的中心线，并将血管的中心线表示成样条曲线，在血管中心线上进行均匀采样得到一系列采样点。
(4)血管中心线上每个采样点对应一个以该采样点为中心的血管横截面，估计出血管在中心线上采样点对应各个位置的横截面的大小。
(5)通过放样得到的细化血管结构，将血管中心线上所有采样点对应的一系列二维血管横截面连接起来构成三维心血管模型。
如图3所示，心脏与血管的变形模块具体实施如下：
从mri序列中获得心室跳动序列以驱动完整心脏模型跳动并带动个性化心血管建模模块得到的血管模型一起跳动，构造心血管动态仿真模型；由真实病患的心血管磁共振(cardiacmagneticresonance，cmr)图像精确分割、建模获得不同时刻下心室的三维重建图像，得到心室跳动序列；原始的心脏模型是基于三角面片的，为获得体积属性，需要将心脏三角面片模型delaunary三角剖分获得四面体模型，在四面体的顶点处放置填充球，填充球间使用抗弯、抗拉和抗扭的弹簧连接，将填充球模型和原心脏模型的表面顶点建立映射关系，填充球的运动带动表面顶点运动，将心脏完整模型建立与心室的对应关系，根据基于位置的动力学与心脏弹簧质子模型，利用心室的运动序列驱动心脏运动模拟心脏的周期性跳动，完成对完整心脏的动力学建模；建立完整心脏与个性化心血管建模模块得到的血管模型的顶点之间的对应关系，由心脏跳动带动血管模型一起运动，完成心血管动态仿真模型的构建。
(1)输入真实病患的4d心血管磁共振(cardiacmagneticresonance，cmr)图像序列。
(2)由真实病患的心血管磁共振图像精确分割、建模获得不同时刻下心室的三维重建图像，得到心室跳动序列。
(3)原始的心脏模型是基于三角面片的，为获得体积属性，需要将心脏三角面片模型delaunary三角剖分获得四面体模型，在四面体的顶点处放置填充球，填充球间使用抗弯、抗拉和抗扭的弹簧连接，将填充球模型和原心脏模型的表面顶点建立映射关系，填充球的运动带动表面顶点运动，将心脏完整模型建立与心室的对应关系。
(4)根据基于位置的动力学与心脏弹簧质子模型，利用心室的运动序列驱动心脏运动模拟心脏的周期性跳动，完成对完整心脏的动力学建模；并建立完整心脏与个性化心血管建模模块得到的血管模型的顶点之间的对应关系，由心脏跳动带动血管模型一起运动，完成心血管动态仿真模型的构建。
如图4所示，介入导丝或导管的模拟模块具体实施如下：
介入导丝或导管的模拟模块，模拟心血管介入手术中的导丝在血管中的前进后退、转弯以及旋转等不同的运动；将导丝或导管离散化为多个控制点，每个控制点建立一个局部的坐标系，然后采用cosserat理论，根据势能、动能以及能量耗散来描述其运动，得到导丝或导管在心脏与血管的变形模块构造的动态心血管模型中的运动模拟过程。
(1)在初始化阶段，基于连续cosserat理论构建导丝物理模型并将导丝离散化，能够表示导丝的空间位移信息和方向信息。同时初始化导丝各类基本物理信息及初始状态，包括长度、质量、半径、初始形态等；
(2)在导丝模型物理仿真阶段，将导丝用能量的思想进行划分，分为势能、动能和耗散能，并根据能量模型构建导丝的拉格朗日运动方程，施加外力、外力矩、外部阻尼力等，使用隐式欧拉法求解导丝运动方程，获得导丝位移、速度及其他状态的更新；仿真导丝在虚拟血管插入过程中和虚拟血管壁产生碰撞及摩擦的现象，导丝会因此而改变其物理状态并影响虚拟血管形态；
(3)在导丝模拟优化阶段，根据当前导丝所处的阶段对其做可变长处理，采用物理模型和几何模型相结合的方式，提高仿真效率；同时根据导丝当前物理形变状态进行自适应采样处理，增强仿真效果，提高仿真效率。
如图5所示，虚拟x光成像模块具体实施如下：
根据x光片的成像原理，模拟病人胸腔的x光图像，展现x光下导丝或导管在动态心血管模型中运动过程；使用基于光线追踪算法的仿真方法，从x光光源到探测器每一个像素点发出射线，根据x光衰减规律计算x光通过心脏、血管及导丝等模型后得到的像素值，利用图像均匀性的raycasting加速方法，实现仿真投影图像(digitallyreconstructedradiograph,drr)的实时生成。
(1)首先，使用基于光线追踪算法的仿真方法，从x光光源到探测器每一个像素点发出射线。
(2)然后，通过几何计算得到每条射线穿过每个对象的总的路径长度。
(3)最后，对于特定的像素，通过记录的路径长度和x光衰减系数计算出x光衰减。利用图像均匀性的raycasting加速方法，实现仿真投影图像(digitallyreconstructedradiograph,drr)的实时生成。在对数据进行预处理时生成用来保存三维数据内容均匀性程度的数据结构，在实际计算光路的过程中根据图像内容的均匀性实现采样点的跳跃，保证了生成drr图像的实时性。
如图6所示，力触觉反馈模块具体实施如下：
将导丝与血管碰撞产生的力，通过电机反馈给操作者；导丝在动态心血管模型中运动与血管发生碰撞产生摩擦力，计算碰撞力并通过硬件反馈给操作者。
(1)使用轴对齐包围体aabb作为心脏、血管等模型的包围体；采用了自顶向下的构造方法来构造层次包围体二叉树,其中图元的划分策略采用中值切割算法。根据模型投影到aabb的三条轴向上,选择投降距离最大的轴作为分割轴,等尺寸地分为两个子集。在相交测试中，只有两个aabb在3个轴向上的投影都相交时，才能判定两个aabb相交。根据分层的aabb包围盒，可以快速定位三角形的位置，当导丝或导管与三角形发生碰撞时，系统自动检测到导丝与血管发生碰撞。碰撞检测完成后，能够返回一系列发生碰撞的三角形对索引。
(2)通过碰撞检测找到导丝在每个位置与血管的碰撞点，计算每一个碰撞点的穿透深度和穿透方向，然后沿着穿透方向的反方向对碰撞点施加一个作用力，对各个碰撞点根据碰撞点到导丝顶点的距离远近分别赋予不同的权重，距离越近的点权重越大，对所有的碰撞点的反馈力求加权和，得到一个总的反馈力。
(3)将计算出的反馈力输出到硬件，通过硬件设备反馈给操作者。
以上所述仅为本发明的一些基本说明，依据本发明的技术方案所做的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。