一种面向心血管介入手术仿真的导丝模拟方法
【专利摘要】本发明提供一种面向心血管介入手术仿真的导丝模拟方法，包括了四个步骤：初始化阶段，用于初始化导丝各类基本物理信息及初始状态，构建导丝物理模型；导丝模型物理仿真阶段，根据外力及能量方程求解导丝运动方程获得导丝位移、状态更新；导丝与周围环境交互阶段，导丝在血管中插入过程中将和周围环境产生交互，因此而影响导丝物理状态；导丝模拟优化阶段，根据当前导丝所具有的状态特性对导丝仿真进行优化处理。本发明通过对导丝进行隐式方法物理模拟仿真，并能够和周围环境进行交互，应用于心血管介入手术，具有稳定性强，实时性好，物理真实感强及高保真的特点。
【专利说明】一种面向心血管介入手术仿真的导丝模拟方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种面向心血管介入手术仿真的导丝模拟方法，本发明仅仅涉及计算机仿真模拟，而不涉及真正的手术行为以及人体交互。
【背景技术】
[0002]我国医疗卫生事业发展面临高水平医疗人才短缺、优质医疗资源分布失衡、恶性医患纠纷持续高发三大突出问题。其中适宜医疗人才的规模化培养和培训已成为我国医疗卫生事业健康发展面临的重大问题。另外，现代医疗手术呈现出精准化、微创化、个性化的发展趋势。目前的手术操作多依赖于医生的主观经验和熟练程度，精度低、效果差，必将向精准化方向发展；众多科室的多种手术已经结束了“大切口 ”时代，必将向创伤小、疼痛轻、恢复快的微创化方向发展；人类疾病成因和病理十分复杂，不同患者的病症各不相同，必将向更具针对性的个性化手术方向发展。医疗手术的精准化、微创化和个性化发展，对临床医生的手术技能提出了新要求，更加需要提供客观、定量的手术诊疗手段和全程辅助技术支撑。上述问题的解决迫切需要信息技术和现代诊疗技术的创新进展和全面支撑，可交互人体器官数字模型及虚拟手术为解决上述问题提供了新的技术手段和解决途径。
[0003]可交互人体器官数字模型是利用信息技术和现代医学技术建立的能够全面刻画人体器官形态特性、物理特性和生理特性的数字模型，可支持切割、缝合、自碰撞和大尺度形变等交互式诊疗操作。虚拟手术是指使用计算机技术(主要是计算机图形学与虚拟现实)来模拟、指导医学手术所涉及的各种过程，在时间段上包括了术前、术中、术后，在实现的目的上有手术计划制定，手术排练演习，手术教学，手术技能训练，术中引导手术、术后康复等。在心血管介入手术仿真中，导丝插入过程模拟是一个较为复杂的情况，需要具有物理真实的导丝模型，需要对导丝在血管中的运动进行真实再现仿真，需要对虚拟导丝和虚拟血管壁的交互进行处理。
[0004]为了解决上述问题，本发明提出了一种面向心血管介入手术仿真的导丝模拟方法，该方法可有效模拟物理真实的导丝并且仿真和虚拟血管壁进行交互，具有很好的表现效果。
【发明内容】
[0005]本发明解决的技术问题是:提出了一种面向心血管介入手术仿真的导丝模拟方法，可有效模拟物理真实的导丝并且和血管壁进行交互，且同时兼顾到了真实性和实时性，具有很好的表现效果。另外，本发明的方法是电脑虚拟的，所谓真实交互是纯仿真出来的效果，仿真导丝在介入过程中的状态，不会真实侵入人体。
[0006]本发明采用的技术方案为:一种面向心血管介入手术仿真的导丝模拟方法，包括以下四个步骤:
[0007]步骤(I)、初始化阶段:基于连续Cosserat理论并将其离散化,构建导丝物理模型，并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；[0008]步骤(2)、导丝模型物理仿真阶段:根据导丝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；
[0009]步骤(3)、导丝与周围虚拟环境交互阶段: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；
[0010]步骤(4)、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，同时根据导丝当前物理形变状态进行自适应采样处理。
[0011]本发明的原理在于:
[0012](I)基于连续Cosserat理论，对其进行离散化处理，导丝的方向用互相垂直的3个
向量表示。
[0013](2)为了模拟导丝插入虚拟心血管中时的物理变形，本发明基于建立的物理模型，构建基于能量的拉格朗日运动方程，并采用隐式欧拉法求解方程获得稳定解。求解后获得导丝更新位移、速度及其他状态信息，产生形变效果。
[0014](3)为了对导丝和周围环境的交互进行仿真，本发明在导丝和虚拟血管壁的交互中采用碰撞检测和相应的方法，血管壁对导丝起阻碍作用，导丝对血管壁起挤压作用，获得视觉真实交互仿真效果。
[0015](4)为了对仿真方法进行优化，同时为了提高本发明的执行效率，采用物理模型和几何模型相结合的方法对导丝进行可变长处理，同时对物理仿真过程中的导丝进行自适应采样，在曲率大的地方增加采样点而曲率小的地方减少采样点。
[0016]本发明与现有技术相比的有点在于:
[0017]1、本发明提出的导丝模拟方法是基于能量的方式，具有物理真实性，能很好的表现虚拟手术中的真实效果。
[0018]2、对比已有的导丝模拟方法，本发明提出的导丝模拟优化方法，可在真实性和效率上保持很好的统一和平衡，具有很强的实用性。
[0019]3、本发明提出的隐式欧拉法求解导丝物理运动状态方程，能够保证仿真过程的稳定性，确保心血管介入手术仿真的稳定运行。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为面向心血管介入手术仿真的导丝模拟方法的处理流程图；
[0021]图2为连续导丝模型示意图；
[0022]图3为离散导丝模型示意图；
[0023]图4为导丝和血管交互双向耦合示意图；
[0024]图5为物理模型和几何模型耦合示意图；
[0025]图6为自适应采样方法示意图；
[0026]图7为导丝与血管交互双向耦合效果示意图；
[0027]图8为导丝在心血管介入手术仿真中的模拟结果。
【具体实施方式】
[0028]图1给出了面向心血管介入手术仿真的导丝模拟方法的总体处理流程图，下面结合其他附图及【具体实施方式】进一步说明本发明。
[0029]本发明提供一种基于热力学模型的固体燃烧过程模拟方法，主要步骤介绍如下:
[0030]1、初始化构建导丝模型方法
[0031]导丝的空间形状可以用它的中心线近似描述，忽略导丝的体积。对于连续表示的导丝，中心线可以用曲线r(o) = (rx(cO，ry(0)，rz(0))T表示，实现导丝的连续空间形状描述。曲线表示式^^^^’幻一妒为弹性细杆中心线上每个线元值。e[0，l]指定一个空间位置Ho)。仅靠空间位置描述，只能描述导丝的弯曲和拉伸，却不能描述导丝横截面的扭转。为此假设在导丝中心线上的每个点处存在一个右手正交坐标系，坐标轴方向为屯⑶)，d2 ( σ ), d3(o)。通过这样一个右手正交坐标系或称为标价,来表示弹性细杆的前进、弯曲、扭转等自由度。具体表示由图2所示。
[0032]在进行物理仿真时，本发明的方法对该连续模型进行了离散化操作。将中心线上的点分为N个空间控制点ri = r( 0i，t) e R3, i e [l，N]。同时进一步将中心线上线段的方向用四元数q = (Qi, q2, q3, q4)T表示，即将连续模型中的(I1 ( σ )，d2 ( σ )，d3( σ )旋转标价用四元数q表示。离散化的导丝模型如图3所示。
[0033]对于&的空间导数r/可由式(I)得到。其中Ii是每一段的初始长度。表示旋转标价的四元数q需要满足约束I |q| I = I以保证该四元数代表的是旋转。同时由图3可以看出，向量Cl1(C^t)所代表的方向平行于曲线的切线方向。因此另一个重要约束条件如式(2)所示。其中&为离散化后的导丝第i个物理控制点，r/为巧的空间导数，I Ir/ I为r/的模，q」为第j个表示方向的四元数:
【权利要求】
1.一种面向心血管介入手术仿真的导丝模拟方法，其特征在于包括以下四个步骤:步骤(1)、初始化阶段:基于连续Cosserat理论并将其离散化，构建导丝物理模型，并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；导丝物理模型的空间形状可以用它的中心线近似描述，忽略导丝的体积；对于连续表示的导丝，中心线用曲线H O) = (!^((^，!^((^，!^(。…表示’其中！^):^^ — R3为弹性细杆中心线上每个线元值σ e [O, I]指定一个空间位置，rx( σ )、ry( σ )、rz( σ )分别为r(o)在x、y、ζ轴的空间位置表示；同时在导丝中心线上的每个点处存在一个右手正交坐标系Cl1(O), d2(o)，d3(0)三个互相垂直的向量，用它们来表示弹性细杆的前进、弯曲、扭转等自由度；进一步对模型进行离散化，将中心线上的点分为N个空间控制点ri，r,=r(0i，t) e R3, i e [I, N];同时进一步将中心线上线段的方向(I1 ( O )，d2( O )，d3( O )用四兀数 q — (Qd Q2) Q3) Q4)表不，其中 Q2) Q3) Q4 ^ ^ > 步骤(2)、导丝模型物理仿真阶段:根据导丝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，使用隐式欧拉法求解导丝运动方程，获得导丝状态的更新；所述导丝运动能量分为动能、势能和耗散能；势能V是拉伸能量和弯曲能量的和:.1
2.根据权利要求1所述的面向心血管介入手术仿真的导丝模拟方法，其特征在于:步骤(1)中所述的初始化阶段，构建了一个物理真实的导丝模拟仿真模型，该模拟仿真模型通过用中心线表示导丝并将其离散化为物理控制点构造导丝形态，搭建物理控制点间表示方向的标价，同时赋予导丝其物理性质包括密度、杨氏模量、半径、长度；其基于连续Cosserat理论，对其进行离散化处理后，用上述构造导丝物理模型所用到的参数包括物理控制点坐标、方向向量、半径、杨氏模量、密度构建导丝能量公式，包括势能、动能和耗散能。
3.根据权利要求1所述的面向心血管介入手术仿真的导丝模拟方法，其特征在于:根据步骤(2)中所述求解导丝运动方程，采用了隐式欧拉法进行求解，以获得导丝位移及状态的更新，该方法能够保证求解的稳定性，增强方法的鲁棒性。
4.根据权利要求1所述的面向心血管介入手术仿真的导丝模拟方法，其特征在于:能够极大程度合理利用GPU资源对导丝与血管的碰撞进行快速检测，并通过碰撞力、弹性力、摩擦力等将其反应到导丝和血管的双向交互上，有利于仿真效率及仿真真实性。
5.根据权利要求1所述的面向心血管介入手术仿真的导丝模拟方法，其特征在于:步骤(4)中所述的导丝模拟优化阶段具体，对导丝使用几何模型与物理模型相结合的方法进行导丝可变长处理，同时使用在血管曲率大的地方增加导丝物理采样点、在血管曲率小的地方减少导丝物理采样点的自适应采样法，充分利用计算资源，提高仿真效率，增强仿真效果真实性。
【文档编号】G06F19/00GK103699776SQ201310628842
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月1日 优先权日:2013年12月1日
【发明者】郝爱民, 茆雨润, 艾明晶, 李帅 申请人:北京航空航天大学