专利名称：房颤消融导管仿真方法
技术领域：
本发明属于计算机仿真技术领域，特别涉及房颤导管消融模拟训练系统。
背景技术：
心房颤动(简称房颤)，是一种十分常见的心律失常疾病。房颤导管消融手术作为微创介入手术的一种，具有疗效好、创伤小、恢复快、花费少、住院时间短等优点。然而，介入治疗手术过程极其复杂，医生需要经过大量的训练才能熟练掌握介入治疗的技能；而且这种手术的风险性高，错误操作导致的后果极为严重。运用计算机技术设计的房颤导管消融模拟训练系统可以为医生提供手术操作过程的训练与教学，对消融导管的仿真是该模拟训练系统中关键技术之一。 现有技术中与导管相关的仿真研究，如基于三维梁单元，采用增量有限元模型对导管/导丝的仿真，仿真效果较为真实，但过程复杂，计算速度慢。采用质点-弹簧模型的仿真，速度较快。基于Discrete Kirchhoff Rods理论,采用弹性杆模型,对于碰撞采取预判响应，使得结果更加自然。将力学问题转换为能量问题，每个节点都包含内部能量与外部碰撞引起的能量，导管移动的方向为使能量趋于最小的方向，仿真结果较为自然但整个能量松弛过程较慢。但是这些研究都是针对导管、导丝在血管介入领域的应用情况。在房颤导管消融模拟训练系统中，需要针对心脏介入手术的实际应用情况鞘管从人体下腔静脉进入到右心房，然后通过房间隔进入到左心房，导管沿着鞘管进入到左心房，导管本身分成两段，前端70mm是能够弯曲的可弯部分，后面是导管的主体部分，总长约lm、直径2. 33mm(7F)，在导管消融操作过程中导管有平移、旋转和打弯操作，在该过程中导管变形机制更为复杂，且左心房为近似椭球的腔体，变形空间大，血管介入手术的导管仿真方法无法直接应用到房颤消融导管仿真中。因此，需要根据房颤导管消融手术的特点，对消融导管仿真技术进行研发。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于在房颤导管消融模拟训练系统中应用的消融导管仿真方法。本发明的技术方案是一种房颤消融导管仿真方法，其特征是它包括以下步骤步骤L建立导管可视模型消融导管是长约lm、直径2. 33mm的医用塑料导管，其中打弯段约70mm ;在计算机中采用三角面片面模型按照该尺寸表示虚拟导管，在导管面模型外面贴上体现实际导管各个部分的结构和材质属性纹理，使虚拟导管的视觉效果更加真实；步骤B.建立基于质量-弹簧模型的导管计算模型采用离散化的改进质量-弹簧模型表示导管的计算模型，使所述导管可视模型根据该计算模型作相应的可视显示；该计算模型为为使打弯段打弯时能够平滑过渡，导管前端打弯段由N个节点(Xtl, X1,…，XnJ组成；导管主体根据导管相对鞘管伸出的长度由可变数量的节点组成；导管主体初始节点数为不超过L/λ.的整数M，其中为鞘管的长度，Afflax为导管节点之间完全伸展开后的最大距离；这两部分节点及两个部分内部节点之间连接着一个长度为λ的弹簧，每个节点包含一个弯曲法向量e及弯曲角度Θ，从而实现导管的变形计算；步骤C.导管平移的仿真当导管没有伸出鞘管前端之前，导管默认位置为导管前端可弯部分具有N个节点，节点之间的距离为O. 2mm;当导管向前平移并伸出鞘管时，导管节点数不变，同时均衡增加前端可弯部分各个节点之间的距离；当前端可弯部分节点之间的距离均达到最大值λ _时，导管再继续平移前进时，检查导管主体部分节点之间的距离是否有小于λ max的，如果存在，增加该节点之间的距离直到达到λ _，如果不存在这样的节点或继续平移前进时，增加导管主体部分的节点，并增长节点之间的距离直到最大值，以此类推进行下去；当导管向后撤时，与此前的增长过程相反，先缩小导管主体末端节点之间的距离，当距离达到一个最小设定的阈值时减少导管主体的节点数，重复该过程，直到主体节点数减到Μ，再继续后撤时，同时均衡缩短前端可弯部分各节点之间的距离，直到节点之间的距离为O. 2mm ；步骤D.导管旋转的仿真旋转包括顺时针旋转和逆时针旋转，旋转过程导管弯曲角度Θ不发生变化，而位置与法向量均绕主轴旋转；以节点xi+1绕轴Xp1Xi旋转S i度为例说明弯曲角度θ i保持不变，法向量ei、Xi+1均绕轴U旋转，得到新的法向量e' i、X' i+1 ;旋转过程可用公式表示
权利要求
1.一种房颤消融导管仿真方法，其特征是它包括以下步骤 步骤A.建立导管可视模型 消融导管是长约lm、直径2. 33mm的医用塑料导管，其中打弯段约70_ ;在计算机中采用三角面片面模型按照该尺寸表示虚拟导管，在导管面模型外面贴上体现实际导管各个部分的结构和材质属性纹理，使虚拟导管的视觉效果更加真实； 步骤B.建立基于质量-弹簧模型的导管计算模型 采用离散化的改进质量-弹簧模型表示导管的计算模型，使所述导管可视模型根据该计算模型作相应的可视显示；该计算模型为为使打弯段打弯时能够平滑过渡，导管前端打弯段由N个节点(Xtl, X1,…，XnJ组成；导管主体根据导管相对鞘管伸出的长度由可变数量的节点组成；导管主体初始节点数为不超过L/λ _的整数Μ，其中为鞘管的长度，λ_为导管节点之间完全伸展开后的最大距离；这两部分节点及两个部分内部节点之间连接着ー个长度为λ的弹簧，每个节点包含ー个弯曲法向量e及弯曲角度Θ，从而实现导管的变形计算； 步骤C.导管平移的仿真 当导管没有伸出鞘管前端之前，导管默认位置为导管前端可弯部分具有N个节点，节点之间的距离为O. 2mm ;当导管向前平移井伸出鞘管吋，导管节点数不变，同时均衡増加前端可弯部分各个节点之间的距离；当前端可弯部分节点之间的距离均达到最大值吋，导管再继续平移前进时，检查导管主体部分节点之间的距离是否有小于λ _的，如果存在，増加该节点之间的距离直到达到λ _，如果不存在这样的节点或继续平移前进时，増加导管主体部分的节点，并增长节点之间的距离直到最大值，以此类推进行下去； 当导管向后撤时，与此前的增长过程相反，先缩小导管主体末端节点之间的距离，当距离达到ー个最小设定的阈值时减少导管主体的节点数，重复该过程，直到主体节点数减到Μ，再继续后撤时，同时均衡缩短前端可弯部分各节点之间的距离，直到节点之间的距离为O.2mm ； 步骤D.导管旋转的仿真 旋转包括顺时针旋转和逆时针旋转，旋转过程导管弯曲角度Θ不发生变化，而位置与法向量均绕主轴旋转；以节点Xi+1绕轴Xi-Ji旋转S i度为例说明弯曲角度Θ i保持不变，法向量ei、Xi+1均绕轴I1Xi旋转，得到新的法向量e' pX' i+1 ;旋转过程可用公式表示
全文摘要
本发明属于计算机仿真技术领域，特别涉及房颤导管消融模拟训练系统。其技术方案是一种房颤消融导管仿真方法，包括以下步骤步骤A.建立导管可视模型；步骤B.建立基于质量-弹簧模型的导管计算模型；步骤C.导管平移的仿真；步骤D.导管旋转的仿真；步骤E.导管打弯/松弯的仿真。本发明可以在房颤导管消融模拟训练系统中对消融导管做逼真的可视及运动仿真，并具有计算速度快的优点。
文档编号G06F17/50GK102663158SQ20121006532
公开日2012年9月12日 申请日期2012年3月14日 优先权日2012年3月14日
发明者张炎, 晁建刚, 杜芳, 汤日波, 熊颖, 王金坤, 董建增, 陈学文, 马长生, 黄鹏 申请人:中国航天员科研训练中心, 首都医科大学附属北京安贞医院