造影剂扩散过程模拟方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及数字手术技术领域，特别涉及一种造影剂扩散过程模拟方法和装置。
【背景技术】
[0002] 心血管病是全世界范围内的最大死亡原因，介入手术是一种在不开刀暴露病灶的 情况下，在血管、皮肤上作直径几毫米的微小通道，或经人体原有的管道，在影响设备（血 管造影机、透视机、CT、MR、B超）的引导下对病灶局部进行治疗的创伤最小的治疗方法。该 方法因其创伤小、简便、安全有效、并发症少和住院时间短等优点已成为心血管病的重要治 疗手段。介入手术对执行医师的实际手术经验、手眼协调能力等有非常高的要求，传统的介 入手术训练方式主要有：实际病人手术中的操作训练、动物实验操作训练、以及血管模型操 作训练等方法。
[0003] 然而，上述这些方法存在风险大、花费高以及学习周期长的问题，随着计算机技术 的不断发展，使用计算机技术模拟介入手术中的操作过程为介入手术训练提供了一种低成 本、低风险、简单快捷的解决方案。由于在介入手术中，医生是在血管造影图像的引导下进 行的手术操作，所以在计算机模拟中，造影剂扩散过程的模拟变得尤为重要：第一，造影剂 的扩散使得血管显影，为导管、导丝等手术器具在血管中正确运动提供引导，是后续操作的 前提；第二，极大地增加了操作者的沉浸感和带入感，达到了更好的训练效果。
[0004] 造影剂模拟是介入手术模拟训练系统中的重要功能。一方面，造影剂模拟可以提 高介入手术模拟训练系统的真实性，另一方面，它还可以提高模拟过程中介入手术模拟训 练系统的使用者与虚拟手术器械的实时视觉交互，增加沉浸感。因此，如何真实、实时地模 拟造影剂的扩散过程是介入手术模拟训练系统中需要迫切完成的任务。
[0005] 目前，造影剂扩散过程的模拟方法还比较少，主要的方法就是通过流体模拟的方 法来建模实现，流体模拟方法主要有基于网格的欧拉方法和基于粒子系统的拉格朗日方 法，下面对这两种方法具体说明：
[0006] 1)欧拉方法，主要是将模拟区域离散化为网格，一个网格代表空间中的一个点，将 网格作为研宄对象，考察空间中每一点的物理量（例如：速度、密度等）随时间的变化情况， 进而知道整个空间的流体变化情况。具体的，将血管内部空间分为同等尺寸大小的体素， 每个体素都有一个浓度值变量，体素对应于血管中的位置X，并通过平流-扩散模型将在某 点造影剂的浓度采样值映射到邻近的体素上，通过每个体素的值变化来达到扩散效果的模 拟。这种方法的主要缺点是：需要划分模拟区域为体素，例如：划分为0. 25*0. 25*0. 25mm3 的大小的网格时达到了 40*106个体素，这对于实时计算和体渲染带来了相当大的困难。
[0007] 2)拉格朗日方法，是将流体看成是由大量粒子组成，将粒子作为研宄对象，考察每 一粒子随时间的变化情况，进而可以得到流体的运动情况。例如，通过Navier-Stokes方程 (描述动态流体动量守恒的运动方程，简称N-S方程）的简化模型，根据血管半径来设计粒 子大小，使单个粒子正好通过血管横截面，并在血管中按照简化后的方程运动。这种方法的 主要缺点是：没有考虑到粒子与粒子之间的相互作用力，牺牲了模拟的真实性，而且需要用 到多种血管参数（例如：半径、长度、中心线、分叉点等），而对于人体复杂的血管系统而言， 这些参数并不易获得，局限性较大。
[0008] 针对现有的造影剂扩散过程的模拟方法所存在的计算量大、参数难以获取、模拟 效果真实性不高的技术问题，目前尚未提出有效的解决方案。
【发明内容】
[0009] 本发明实施例提供了一种造影剂扩散过程模拟方法，以解决现有技术中计算量 大、参数难以获取、模拟效果真实性不高的技术问题，该方法包括：
[0010] 根据个体病人的血管CT扫描图像，构建三维血管模型；
[0011] 对所述三维血管模型进行预处理；
[0012] 将预处理后的三维血管模型渲染到屏幕，并对渲染到屏幕的三维血管模型中的粒 子进行初始化；
[0013] 对渲染到屏幕的三维血管模型和初始化后的粒子进行碰撞检测，根据碰撞检测的 结果计算渲染到屏幕的三维血管模型对粒子的作用力，以得到外力；
[0014] 根据光滑粒子动力学计算初始化后的粒子之间的内力；
[0015] 根据计算得到的所述外力和所述内力，更新渲染到屏幕的三维血管模型中粒子的 状态，并将更新状态后的三维血管模型渲染到屏幕。
[0016] 在一个实施例中，对所述三维血管模型进行预处理，包括：
[0017] 对所述三维血管模型进行平滑、去杂和分离处理。
[0018] 在一个实施例中，在对所述三维血管模型进行平滑、去杂和分离处理之后，所述方 法还包括：对平滑、去杂和分离处理后得到的三维血管模型进行面片合并。
[0019] 在一个实施例中，对渲染到屏幕的三维血管模型中的粒子进行初始化，包括：
[0020] 根据手术造影剂的注射点，在血管上游对渲染到屏幕的三维血管模型中的粒子的 位置进行初始化；
[0021] 根据需要注射的造影剂的剂量对渲染到屏幕的三维血管模型中的粒子的数量进 行初始化；
[0022] 采用生理上血流的参量对渲染到屏幕的三维血管模型中的粒子的位置、速度、动 态粘度和静息密度进行初始化。
[0023] 在一个实施例中，对植染到屏幕的三维血管模型和初始化后的粒子进行碰撞检 测，包括：
[0024] 对粒子和组成三维血管模型的血管壁的三角面片之间的碰撞进行检测；
[0025] 对粒子和三维血管模型的血管中心线之间的碰撞进行检测。
[0026] 在一个实施例中，根据碰撞检测的结果计算渲染到屏幕的三维血管模型对粒子的 作用力，以得到外力，包括：
[0027] 根据以下公式计算三角面片对粒子的作用力：
[0028] f (p, t)= fx G t t (p-x) dx ^ A E iWj t (p-Xj)
[0029]其中，f表示三角面片t对粒子p施加的力，x表示粒子的位置，A表示三角面片t 的面积，Xi表示根据高斯正交原理在三角面片上的采样点，Wi表示采样点相应