编辑用于仿真的物理系统的模型的系统和方法

专利名称：编辑用于仿真的物理系统的模型的系统和方法
技术领域：
本发明大体涉及用于计算机软件的编辑器，以及更具体地涉及用 于计算机仿真的编辑器。
背景技术：
过去已经使用物理系统的仿真器以提供用于物理系统的训练环 境，所述物理系统可能成本太高或太危险而不能通过进行实际行为来 学习。例如，飞行仿真器可以用于教导飞行员驾驶飞机的技能而不会 使飞行员经受损害实际飞机或伤害飞行员的风险。然而，编辑供仿真 器内使用的飞机或飞机的一部分的模型传统来说需要在整个仿真器中 编辑模型和测试修改后的模型，而不是仅仅测试修改后的组件无需运 行整个仿真。此外，传统计算机仿真器不允许正在被仿真的模型的分 立单元的修改和测试。

发明内容
本发明的一个示例性实施例包括用于修改物理系统的模型的系 统，包括图形用户界面，其配置来显示与物理系统的模型相关联的至 少一个参数，并接收该至少一个参数的修改。该示例性实施例还包括 处理器，其配置来从图形用户界面接收至少一个参数的修改，并执行 包括该至少一个参数的修改的物理系统的模型的一部分的仿真。输入 装置可以与处理器通信，该输入装置可以配置来发射输入信号到处理器，该输入信号与输入装置的状态相关联。该示例性实施例还可以包 括致动器，其配置来接收致动器信号并施加力到输入装置，该力至少 部分地基于该输入信号以及对使用该至少一个参数的修改的该部分所 述物理系统的模型的仿真。
本发明的另一实施例包括用于编辑物理系统的模型的方法，该方 法包括显示与物理系统的模型相关联的至少一个参数；接收该至少 一个参数的修改；以及执行包括该至少一个参数的修改的物理系统的 模型的一部分的仿真。在另一实施例中，计算机可读介质包括用于执 行该方法的代码。
这些示例性实施例意图并不是限制或限定本发明，而是提供实例 来协助理解本发明。示例性实施例在"具体实施方式
"中讨论，并且 其中提供本发明的进一步描述。由本发明的多个实施例提供的优点可 以进一步通过分析本说明书而理解。


图1示出用于编辑用于仿真的物理系统的模型的系统的本发明一 个实施例的框图2示出在本发明一个实施例中的物理系统的模型的编辑器中的 图形用户界面(GUI);
图3示出本发明一个实施例中允许用户选择模型的编辑模式的对 话框和上下文相关(context-sensitive)菜单；
图4示出根据本发明一个实施例的用于编辑物理系统的模型的 GUI组件；
图5示出根据本发明一个实施例的用于编辑物理系统的模型的 GUI组件；
图6示出根据本发明一个实施例的用于编辑物理系统的模型的 GUI组件；
图7和8示出根据本发明一个实施例的用于编辑物理系统的模型的GUI组件；
图9和IO示出根据本发明一个实施例的用于编辑物理系统的模型 的GUI组件；
图11和12示出根据本发明一个实施例的用于编辑物理系统的模 型的GUI组件；
图13示出根据本发明一个实施例的用于编辑物理系统的模型的 GUI组件；
图14和15示出根据本发明一个实施例的用于编辑物理系统的模
型的GUI组件；
图16-21示出根据本发明一个实施例的编辑器的GUI组件；
图22示出流程图，其描述根据本发明一个实施例的用于编辑物理
系统的模型的方法。
具体实施例方式
本发明的实施例提供了编辑用于仿真的物理系统的模型的系统和 方法。
示例性血管内仿真(endovascular simulation)编辑器
在本发明一个实施例中，用户采用编辑器来编辑供仿真程序使用 的血管内系统的一个或多个特性。在用户修改一个或多个特性之后， 用户能够执行模型的修改的部分的仿真，而无需执行在仿真环境中釆 用整个模型的完全仿真。例如，用户可以修改与人体心脏的腔壁相关 联的厚度特性。然后，用户执行仅仅修改的壁的仿真，例如用来显示 或经由输入装置交互，从而隔离并测试心脏的修改的部分。这可以向 用户提供相较于仿真环境中的整个模型的仿真中的实践来说更快、更 集中的对修改的特性的测试。
给出该示例性实例以向读者引入这里讨论的大致主题。本发明不 限于该实例。以下部分描述用于编辑用于仿真的物理系统的模型的系 统和方法的多种实施例。仿真程序的示例性系统
在本发明一个实施例中，物理系统的模型包括描述物理系统的多 个特性的结构。例如，人体心脏的模型可以包括包含心脏特性的数据 文件，这些心脏特性包括心脏的尺寸和形状、心脏腔的尺寸和形状、 多个位置处的心脏的壁厚度、或其他特性。模型结构中的特性可以包 括建模的物理系统的很多不同方面，包括结构的、电学的、振动的和 其他的特性。例如，心脏模型可以包括结构特性，以及关于与心脏相 关联的血管、神经、组织和其他生物系统的信息。
该模型可以在仿真程序中应用以允许仿真程序的用户来与模型交 互，从而在物理系统的使用或操纵方面对用户进行训练。例如，釆用 人体心脏模型的仿真程序可以允许医科学生来研究心脏或在建模的心 脏上执行仿真外科手术而无需执行真实的心脏手术。
该模型还可以用在微创手术(MIS)的仿真中。MIS是跨全部医 学学科的手术领域。在MIS中，使用专用器械来执行操作，这些专用 器械被设计为通过微小的小孔而不是通过一个或多个切口来配入身体 中。MIS技术很大部分被赞同，因为这样的事实，现今近一半的手术 无需卧床，或者基于门诊病人来执行。MIS通常导致病人较少的疼痛、 伤疤和恢复时间，以及降低的医疗成本(由于更短的住院)。
在近10多年来，经皮(通过皮肤接入血管)冠脉介入术(PCI) 已经取代了开放心脏手术。气囊和支架(小的丝网管)已经被结合到 PCI中来治疗动脉粥样硬化，并且已知为经皮冠状动脉腔内成形术 (PTCA)，其中，腔内(transluminal)表示在血管内执行的手术。导 管，其是薄的柔性管，与引导线一起使用来获得接入到病人解剖学结 构的不同部分中。气囊和支架然后被用于打开阻塞物，供目标器官或 物理系统的再灌注。然后可以将气囊和支架放置在心脏、脑、肾、腹 部、腿和颈中。为了提供多种训练场景，提供物理系统的多个不同模型是有利的。 例如，可以对不同尺寸、形状、年龄和具有不同病理的心脏建模以为 医科学生提供广泛的训练仿真。为了提供人体心脏的模型的不同变化， 创建这样的人体心脏的基本模型是有利的，其稍后可被修改或定制， 而不是以对每个期望变化的新模型来重新开始。
在本发明一个实施例中，用于仿真的物理系统的模型的编辑器包 括执行计算机软件的计算机系统。计算机软件包括图形用户界面。图
形用户界面可以允许用户查看和操纵物理系统的模型(诸如人体心脏 的医学模型)的图形表示。尽管使用人体心脏作为可被建模的物理系 统的实例，但是物理系统的医学模型可以包括人体的其他器官或其他 部分、其他植物或动物的器官或部分、或者其他生物体，诸如细菌、 病毒和胚胎。除了医学模型外，还可以对其他物理系统建模，诸如机 械或电气系统的模型、或者机械的或电的或者其他类型的物理系统的 子系统或部分。在一个实施例中，编辑器的用户能够旋转、縮放、选 择模型的一部分、选择模型的特定层或子系统、或执行类似操作，该 类似操作允许用户准确地编辑与模型相关联的期望属性或参数。此外， 能够隔离并测试修改而无需在仿真环境中运行模型的完全仿真对于用 户可能是有利的。此外，允许用户与被修改的模型或模型的部分交互 以更接近地检查对模型进行的修改，可能是有利的。
用户还能够使用该示例性实施例来修改模型的一个或多个特性或 参数。例如，用户可能能够修改模型的结构特性，诸如尺寸或形状。 用户可能能够修改模型的子系统或子部分，诸如电学子系统、液力 (hydraulic)子系统、肌肉子系统、或模型中的其他子系统或子部分。
例如，模型可以表示人体心脏。本发明一个实施例可以允许用户 使用一个或多个界面单元，诸如菜单、窗口、滑动条、转盘或其他器 具，来调节心脏的尺寸、心脏的壁厚、心脏内一个或多个腔的放置或形状、或心脏的形状。例如，用户可能能够打开与心脏形状相关的窗 口，其中，该窗口包括一个或多个参数和对应的值。用户可能能够改 变一个或多个参数的值，其然后导致人体心脏的模型中的相应改变。 参数的改变还能够改变模型的图形表示，向修改的用户提供可视反馈。 此外，修改可以导致与模型相关联的感觉或触觉效果发生变化。例如， 对于心脏壁厚的修改可能导致对与修改的壁交互的输入装置或手术工 具的增加的阻力。在一个实施例中，心脏的电学性能的改变可能导致 与心脏收縮的增加强度对应的输入装置上的增加的振动。还可能提供 多种其他触觉效果，诸如抵抗的触觉效果、活动的触觉效果(active haptic effect)以及振动触觉效果。
用于编辑物理系统的模型的一个示例性系统还包括与计算机或其 他基于处理器的装置通信的输入装置。输入装置可以是任何用于与计 算机交互的装置。例如，输入装置可以是键盘、鼠标、操纵杆或触摸 品。输入装置还可以是用于与仿真交互的仿真装置。例如，仿真装置 可以是与关于正被编辑的模型的仿真一起使用的工具，并且可以用于 测试对模型进行的修改。例如，仿真装置可以是与涉及人体心脏的仿 真手术相关联的医疗工具，例如导管，可用于测试向心脏提供营养的 血管尺寸的改变。在本发明其他实施例中，仿真装置可以是医疗器件， 诸如腹腔镜、注射器、静脉内针、解剖刀或其他可用于外科手术或其 他医疗过程的工具。在一些实施例中，仿真装置还可以是适于另一类 型仿真的装置或器具，诸如操纵杆、方向盘、轭、节流阀或类似的器 具。
在一个示例性实施例中，输入装置可以是触觉使能的。在该实施 例中，致动器可以耦合到输入装置以向输入装置提供触觉效果，其可 以提供与模型的更真实的仿真交互。例如，用户可以通过仿真导管插 入到血管中来测试心脏模型的修改，该血管直径已经被修改。在测试 期间，处理器可以发送信号到致动器以使得在输入装置上输出力。例 如，如果要测试的血管的直径已经在编辑器内减少，则处理器可以发送信号到致动器以使致动器向仿真工具施加阻力，从而仿真导管通过 较小血管的移动。
由此，该示例性实施例提供用于在可由计算机或其他基于处理器 的装置执行的图形用户界面内编辑物理系统的模型的系统。该系统可 以允许用户与图形用户界面交互以旋转或縮放模型的图形表示。该系 统还可以允许用户通过菜单、窗口或其他交互单元来修改模型的一个 或多个定义模型的参数。系统还可以允许用户通过使用触觉使能的输 入装置来与模型的修改的部分或者整个模型交互，从而测试对模型的 修改。由此，该示例性系统可以提高可以由物理系统的基本模型创建 的不同仿真场景的开发的容易度和速度。进一步，因为模型可以更容
易地被调节以提供特定的触觉响应或感觉，所以可以提供更准确的模型。
示例性系统
现在参考附图，其中在多个图中，相同参考数字表示相同的元件， 图1示出用于编辑用于仿真的物理系统的模型的系统100的一个实施 例的框图。图1所示的实施例包括耦合到计算机102的显示器101。输
入装置104，在这里其还可以称为外科手术器械，与计算机102和致动 器105通信。计算机102配置为执行编辑器103，其包括能够显示在显 示器101上的图形用户界面。计算机还被配置为执行模型的仿真106。
在一个实施例中，计算机102可以包括处理器或多个处理器(未 示出)。处理器包括计算机可读介质107，诸如耦合到处理器的随机存 取存储器(RAM)。处理器执行存储在存储器中的计算机可执行程序 指令，诸如执行用于编辑物理系统的模型的一个或多个计算机程序。 该处理器可以包括微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路
(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)以及状态机(state machine)。 该处理器还可以包括可编程电子器件，诸如PLC、可编程中断控制器
(PIC)、可编程逻辑器件(PLD)、可编程只读存储器(PROM)、
12电可编程只读存储器(EPROM或EEPROM)、或其他类似器件。
该处理器可以包括介质或者可以与介质通信，所述介质例如计算 机可读介质，其可以存储指令，当由处理器执行该指令时，指令可以 使处理器来执行在这里描述为由处理器执行或协助的步骤。计算机可 读介质的实施例可以包括，但不局限于，能够向处理器，诸如网络服 务器中的处理器，提供计算机可读指令的电、光、磁或其他存储或传 输设备。介质的其他实例包括，但是不局限于，软盘、CD-ROM、磁 盘、存储器芯片、ROM、 RAM、 ASIC、配置的处理器、所有的光学介 质、所有的磁带或其他磁介质、或计算机处理器可从其读取的任何其 他介质。并且，多种其他形式的计算机可读介质可以传送或携载指令 到计算机，诸如路由器、私有或公共网络、或其他传送装置或信道。 所描述的处理器及处理可以是在一个或多个结构中，以及可以通过一 个或多个结构来散布。处理器可以包括用于执行这里描述的一个或多 个方法(或方法的部分)的代码。
在图l所示的实施例中，计算机102配置为存储、加载、导入和 以其他方式保存和加载来自诸如硬盘驱动的非易失性存储器件的数 据。
在一个实施例中，计算机102可以包括存储器，例如硬盘驱动， 该存储器被配置来存储用于实现编辑器103的程序代码。计算机102 可以与显示器101通信。在一个实施例中，计算机102可以执行编辑 器103，并使图形用户界面(GUI)显示在显示器101上。用户可以利 用例如利用键盘、鼠标或其他输入装置来与图形用户界面交互。例如， 用户可能能够从存储设备加载物理系统的模型，修改该模型，并将修 改后的模型保存到存储设备。用户还能够使计算机102执行模型或模 型的一部分的仿真，包括对模型做出的修改。
如果用户使计算机102执行仿真106，则计算机可以从输入装置104接收信号。这些信号在这里可以称为输入信号。计算机102还可以
发送信号到输入装置104和/或到致动器105。从计算机102发送到输 入装置104的信号在这里可以称为输出信号。从计算机102发送到致 动器105的信号在这里可以称为致动器信号。例如，计算机可以发送 信号到致动器105来使得在输入装置104上输出力。该力可以配置来 导致触觉效果，并且可以是阻力、动力(active force)、振动力或其他 类型的力，下文将更详细解释。
显示器101可以包括很多不同种显示装置中的一种。例如，显示 器101可以包括阴极射线管(CRT)监视器、液晶显示器(LCD)、或 其他能够从计算机102接收信号并生成信号的可视表示的其他显示装 置。在一个实施例中，显示器101可以包括触摸屏或其他触敏式显示 屏。
仿真装置104可以包括能够发送信号到计算机102指示输入装置 104的状态的装置。例如，在一个实施例中，输入装置104可以发送指 示输入装置104的位置的信号到计算机102。在一个实施例中，输入装 置104可以发送指示输入装置104的速度的信号到计算机102。在一个 实施例中，输入装置14可以发送指示取向、旋转、平移、加速度或与 输入装置104的状态有关的其他信息的信号到计算机102。
在一些实施例中，输入装置104可以包括配置来仿真医疗过程的 装置。例如，输入装置104可以包括配置来仿真导管插入到血管中的 装置。在一个实施例中，输入装置104可以包括配置来仿真注射器的 装置。在一个实施例中，输入装置104可以包括腹腔镜输入装置。也 可以使用适于仿真医疗过程的其他装置，诸如在标题为"Method and Apparatus for providing high bandwidth, low noise mechanical I/O for computer systems"的美国专利No. 5,731,804中描述的装置，通过参考 将该申请全部包括于此。在实施例中，输入装置104可以包括，但不局限于，人体模型
(mann叫uin)、血管造影/引导导管、诊断/治疗导线、气囊/支架导管、 造影剂和药物的流形(manifold)/注射、气囊膨胀装置、荧光透视设备、 C型臂控制器、双屏幕接口、用于电影和荧光(cine和fluoro)控制的 脚踏开关、和/或用来捕捉自由流动碎片的防栓装置和篮。输入装置104 可以配置为跟踪用户运动来仿真多种介入装置的插入，诸如支架、起 搏器(pacemaker)导线、或用于阻塞碎片的下游流动的导管和气囊阻 塞远端防止装置。
在一些实施例中，输入装置104可以包括配置来仿真车辆或视频 游戏的控制的装置。例如，在一个实施例中，输入装置104可以包括 方向盘、操纵杆、操纵键盘、游戏键盘、按钮、开关、轨迹球或其他 适合的装置。
在一个实施例中，输入装置104能够向用户提供触觉响应。触觉 响应可以基于输入装置104的感应位置、速度、取向或其他状态，向 用户提供触觉(触摸)感觉。虽然使用输入装置104作为输入/输出装 置，但用户可以采用由用户的手或用户身体的其他部分感知的感觉的 形式，来从计算机102接收反馈。结合视觉显示器101，编辑器103可 以允许用户修改与模型相关联的参数，然后使用触觉使能的输入装置 104来与模型的修改的部分交互，从而确定修改如何影响模型的"感 觉"。
在一些实施例中，输入装置104可以与致动器105通信。在一个 实施例中，致动器可以配置来从计算机102接收致动器信号并输出力 到输入装置104。在一个实施例中，致动器105可以配置为提供抵抗触 觉效果到输入装置104。例如，致动器105可以配置为在一个或多个自 由度上抵抗输入装置104的移动。在一个实施例中，致动器105可以 配置为提供动力触觉反馈。例如，致动器105可以配置来向输入装置 104提供振动效果。例如，在一个实施例中，致动器105可以配置为向输入装置提供振动效果，其中，振动效果配置为导入心跳或跨或通过 输入装置104的液体流动的感觉。
在一个实施例中，致动器105可以包括多个致动器。例如，在一 个实施例中，致动器105可以包括两个致动器第一致动器，配置为 提供动力触觉反馈；以及第二致动器，配置为提供阻力触觉反馈。在
一些实施例中，用于提供动力触觉效果或阻力触觉效果的多个致动器
可以以多种组合来使用。例如，在一个实施例中，输入装置104可以 在三个自由度上移动。在该实施例中，致动器105可以包括六个致动 器。可以为三个自由度的每一个采用一对致动器，其中，每对致动器 可以包括配置来提供阻力触觉效果的致动器和配置来提供动力触觉效 果的致动器。在一个实施例中，致动器105可以配置来提供阻力和动 力触觉效果两者。在又一个实施例中，致动器可以配置来提供振动触 觉响应。
致动器105可以包括很多不同类型的致动器的一种或多种。例如， 在一个实施例中，致动器105可以包括压电致动器。在一个实施例中， 致动器105可以包括电磁致动器。其他实施例可以包括电机、制动器、 螺线管、偏心旋转质块、禾P/或多功能致动器。例如，在一个实施例中， 包括导管的输入装置可以包括配置为在输入装置上提供制动力的电磁 致动器。当对致动器被供能时，该致动器可能导致制动表面接触输入 装置，其从而导致对于输入装置的移动的阻力。在另一实施例中，可 以使用线性谐振致动器来提供振动效果，诸如用以仿真血流或心跳。 在本发明的一个或多个实施例中还可以使用其他类型的致动器。
在一个实施例中，系统100可以配置来创建可使用编辑器103来 编辑的物理系统的模型，该模型诸如要动手术的患者的内脏器官(这 里称为"虚拟器官")的模型。在一个实施例中，系统100能够评估 病人心脏的磁共振成像(MRI)数据以创建心脏的腔的三维表示。心脏 静脉解剖结构的路径的三维表示也可以在系统中创建。外科医师可以使用该系统来评估数据，并创建供系统的仿真使用的病人心脏的合理 近似。系统100由此还能够导入从病人解剖结构的测试得到的数据并 在显示器上提供病人器官的几何形状。由此，系统可以向外科医师提 供病人器官的虚拟复制品，从而使得外科医师能够预先实践外科手术 并检査不同方法来克服特定病例中可能存在的任何困难。要注意，虽 然在这里讨论的模型是心脏，但本发明实施例可以允许编辑任何物理 系统的模型，包括生物系统、机械系统、电学系统或其他系统。
在一个实施例中，该系统能够修改病人的虚拟器官来仿真在手术
期间会发生的事故(mishap)或其他并发症。例如，可以在系统中的编
辑器中修改现有虚拟器官，从而冠状窦周围的几何形状被修改使得套 管的插入对于外科医师更加有挑战性。在另一实例中，心脏静脉的结 构和几何形状可以被操纵为使得接入最可能的目标血管更困难。在又 一实例中，可以在系统中评估和改变会导致并发症的器官的区域以使 得外科医师重新评价他的认知决定做出技能，并且结果是改变用于起 搏器导线的目标位置。所有这些挑战可能在实际病例中发生，其可使 得训练过程更有效。
示例性用户界面
图2示出本发明一个实施例中的物理系统的模型的编辑器103中 的图形用户界面(GUI) 200。在所示实施例中，GUI包括物理系统人 体心脏的模型201的图形表示。图2所示的GUI还包括窗口 202，其 包括多个选项卡(tab)以及与人体心脏201的模型相关联的项目的列 表、不同的图形表示，并且它们的视图在整个附图中示出。用户可以 通过从列表中选择一个或多个项目，通过与上下文相关菜单204交互 来选择一个或多个选项卡，或者通过从下拉菜单205选择选项，来与 图2所示的GUI交互。 一些实施例可以包括附加的界面单元或可以包 括附加方法以与GUI交互。例如，在一个实施例中，GUI可以允许用 户诸如通过利用光标进行选择并移动光标来旋转模型，来直接与模型 的图形表示交互。在本发明一些实施例中可能有利的其他GUI单元对于本领域技术人员是已知的。
如图2所示，多个选项卡203中的一个，模型选项卡，被示出为 激活。模型选项卡可以允许创建和/或修改模型的基本几何形状例如心 脏几何形状。在所示实施例中，在该选项卡中执行的操作可以允许用 户创建新的虚拟器官或修改现有的虚拟器官。模型选项卡的功能性可 以包括，但是不局限于导入基本几何形状(诸如腔和血管解剖结构)
或用于导出几何形状、以专用格式(也就是".evm"文件)来保存/创 建几何形状、修整基本几何形状问题(非流形边缘、？L、不正确的法 线(incorrect normals)、平滑)、单独移动和/或旋转模型、 一同移动 和/或旋转模型点和样条(spline)控制点、以及显示相关模型信息。
图2所示的其他选项卡包括电学模型选项卡、Fluoro选项卡、电 映射选项卡、传导路径选项卡、以及数据映射选项卡。这些选项卡可 以允许模型的其他方面的编辑。本发明的另外实施例可以包括附加选 项卡、不同的选项卡、或更少的选项卡。例如，图6示出根据本发明 一个实施例的变形选项卡。该选项卡可以允许编辑与模型或模型的一 部分的移动相关的参数。在另一实例中，图4所示的实施例示出人体 心脏的图形表示。该实施例可以允许用户来修改驱动心脏运动的参数， 诸如位置、幅度以及心脏收縮的数值稳定性。
用户可以通过一个或多个界面单元与GUI 200交互。例如，图3 示出对话框300和上下文相关菜单301，其可以允许用户选择用于模型 的编辑模式。例如，用户可以选择"旋转"选项按钮(radio button)， 其可以允许用户旋转部分或整个模型201。然后，用户能够选择模型 201的一部分并操纵该部分。例如，图2所示的模型201包括多边形框 架(frame)。用户能够在多边形模型中选择一个点来移动、删除或以 另外方式操纵，从而改变模型的形状。用户还可以在多边形模型中添 加点来改变模型的形状，或者修改与该点相关联的信息或参数。图4示出根据本发明一个实施例的用于编辑物理系统的模型的GUI组件400。图4所示的实施例允许用户来创建、重命名和选择物理 系统的模型201的区域。在所示实施例中，模型201是心脏模型，然 而，根据本发明多个实施例可以操纵其他模型。如图4所示，用户可 以创建、重命名或选择心脏的解剖的401、生理的402、病理的402和 /或隐藏的区域404。在一个实施例中，用户能够将模型的一个或多个 区域进行移动、删除、调整大小或以另外方式修改。用户可以通过与 菜单405交互来选择创建或修改的区域。例如，在所示实施例中，用 户能够创建新的区域，并对现有区域分配"角色"(role)(诸如解剖 的、生理的、病理的或其他角色)，或者将区域分配给心脏的腔。在 其他实施例中也可以进行其他修改。例如，在一个实施例中，用户能 够从模型中删除区域。在一个实施例中，GUI组件400可以具有与病 人解剖结构的另一部分诸如另一内脏或系统(例如循环系统)相关的 选项或修改，或者与另一类型的物理系统的模型诸如车辆、视频游戏 中的环境或人物或其他类型的模型相关的选项或修改。在一个实施例中，用户能够查看和/或修改仅仅一部分模型。该特 征可以提供用于增强编辑模型的容易性。例如，如果用户期望仅编辑 心脏的特定腔，则根据本发明一个实施例的编辑器可以允许用户来选 择模型的子部分并显示所选择的子部分。然后，用户能够仅修改所选 的子部分。在类似实施例中，用户能够定制将要査看和/或编辑的子部 分。例如，用户能够在模型上选择可以定义将要査看和/或编辑的模型 的子部分的边界的点。图5示出根据本发明一个实施例的用于编辑物理系统的模型的 GUI组件500。图5中的模型201的图形表示包括定义物理系统的模型 的结构的一部分的样条的图形表示。例如，在图5所示的心脏201的 模型中，样条表示与心脏201相关联的一个或多个血管510的形状。 在一个实施例中，样条可以表示物理系统的模型的特征。例如，在一 个实施例中， 一个或多个样条可以定义引擎模块中的油管、汽缸，或车辆或引擎的其他特征。在另一实施例中， 一个或多个样条可以定义 视频游戏环境中的地形的形状和/或纹理。根据图5所示的实施例，用户可以使用由GUI组件500提供的交 互单元来修改样条。例如，用户可以改变由一个或多个样条表示的血 管的半径，或者通过移动与样条形状相关联的一个或多个点来改变样 条的几何形状。图6示出根据本发明一个实施例的用于编辑物理系统的模型的 GUI组件600。图6所示的模型201的图形表示包括关于物理模型的变 形特性的信息和参数。例如，图6中的模型201包括人体心脏201。关 于人体心脏的变形信息可以包括描述心脏收縮的一个或多个部分期间 心脏201的一个或多个腔的形状的变化的信息。变形信息还可以定义 心脏的各个部分可以如何移动。例如，心脏的一部分可以包括这样的 数据，其指示心脏的该部分是可容易变形但非常快速返回到未变形状态的。图7和8所示图6所示的变形选项卡以及用于修改参数的窗口的 视图700、 800。图7中可见的图形表示示出心脏201的结构的多边形 表示。该图形表示还示出质点701和质点之间的关系，标记为"弹簧" 702。在本发明一个实施例中，质点701可以包括两个参数质点701 的质量以及恢复弹簧常数(restorative spring constant)。在该实施例中， 质点701的质量可以表示由沿着一个或多个弹簧施加到质点的力施加 的对质点701的运动的阻力。例如，用户可以采用图8所示的窗口 801 和参数802来修改质点701使之具有较高质量值，其可能导致质点701 基本上保持固定。如果用户修改质点701使之具有较低的质量值，则 质点701可以容易地运动，或导致系统变得不稳定。恢复弹簧常数可 以提供在被移动后，诸如在心脏收縮期间，质点701可以多快和/或多 稳固地返回到其初始位置的指示。用户可以修改该恢复弹簧常数来使 质点701快速或缓慢地返回到其初始位置。在一个实施例中，质块可以具有相关的附加参数要修改，或具有更少的相关参数要修改。例如， 在一个实施例中，质点701可以不具有用户可修改的质量和/或恢复弹 簧常数。在一个实施例中，质块可以具有附加的参数，诸如质点701 的最大位移，或参数的不同组合，其可以描述质点701。
在图7和8所示的实施例中，用户还可以修改一个或多个弹簧702。 在图7所示的实施例中，弹簧702可以具有弹簧常数和收縮系数 (contraction fraction)。弹簧常数可以具有指示连接到质点的弹簧702 的强度的值。例如，被修改为具有较高弹簧常数的弹簧702可以比被 修改为具有较低弹簧常数的弹簧702更强烈地阻止运动。
图9和10示出根据本发明一个实施例的用于编辑物理系统的模型 的GUI组件卯0、 1000。图9和10所示的GUI组件900、 1000可以允 许用户将数据映射到模型201的区域上。例如，用户能够通过将对应 于小梁(trabeculae) 901的度的值映射到模型201的几何形状，来在心 内膜的特定方面的表面上控制小梁901的度。图10所示的GUI组件 1000示出可以对其映射数据的模型201的一部分的纹理，而图9示出 可以对其映射数据的模型201的一部分。由此，所示实施例可以提供 这样的优点，也就是可以提供模型201的多个不同图形表示，以允 许用户更准确地修改物理系统的模型或并将修改应用于物理系统的模 型。
图11和12示出根据本发明一个实施例的用于编辑物理系统的模 型的GUI组件1100、 1200。在所示实施例中，用户能够修改与仿真的 外科手术设备相关联的特性。例如，图11示出导管的远部尖端的模型 1101和导管尖端的扫描图像1102。模型1101包括对应于模型1101的 一个或多个物理特性的一个或多个数据点1103。用户能够通过改变、 移动、修改、删除数据点、或创建附加的数据点1103来修改工具的模 型1101。例如，如图12所示，通过调节模型1101中的一个或多个数 据点1103的位置，可以修改导管尖端的模型1101来更准确地表示扫描的导管1102。在该实施例中，用户能够创建或修改可以仿真的一个 或多个工具的模型。在本发明一个实施例中，用户可以通过将工具的期望形状的扫描 图像加载到存储器中并且加载类似于扫描图像中所示出的工具的模 型，来修改工具的模型，其中，该模型包括一个或多个点。然后，用 户可以修改一个或多个点以与扫描图像的形状对应，并且存储修改的 模型。然后，用户可以通过分析存储的模型来验证模型的准确性。图13示出根据本发明一个实施例的用于编辑物理系统的模型的GUI组件1300。图13所示的GUI组件1300包括人体心脏和诸如多个 肋骨和两个肺的周边解剖系统的模型1301的荧光透视图的图形表示。 用户可以通过例如调节与模型1301的一部分的透明度相关联的数据， 来修改与模型1301的荧光透视图相关联的一个或多个参数。例如，与 模型1301相关联的一个或多个肋骨可以包括透明度参数。每个肋骨的 透明度可以独立修改，或者所有肋骨共享相同的透明度参数。例如， 在本发明一个实施例中，为了便利编辑模型，多个肋骨可以具有共同的透明度参数。在该实施例中，模型的焦点可以是心脏，从而使得不 大需要对于关于肋骨的参数的精细程度的控制。在一个实施例中，模 型的每个部分可以具有一个或多个独特可修改的参数。例如，心脏的 模型可以包括与透明度相关联的参数、与聚焦或模糊水平相关联的参 数、与颜色相关联的参数以及与部分模型的可变形性相关联的参数。图14和15示出根据本发明一个实施例的用于编辑物理系统的模 型的GUI组件1400和1500。本发明一个实施例可以允许将与物理系 统的模型201相关联的信息映射到模型201的点或部分。例如，在所 示实施例中，与关于心脏的传导路径相关联的信息和/或参数1401可以 与描述心脏结构的数据分开地获得。在本发明一个实施例中，用户可 以从数据文件导入与定义传导路径的一个或多个数据点相关的数据， 并将这些数据点映射到人体心脏的模型201。例如，图15示出将与己经映射的传导路径相关联的数据点映射到人体心脏的模型201的图形 表示上的点。
在本发明一个实施例中，例如可以使用MRI、数字化仪或扫描仪 来捕捉关于物理系统的信息。例如，诸如汽车的三维对象的结构可以 被数字化并以计算机可读格式保存。然后，关于汽车中的系统的信息 可以被捕捉并保存在另外的数据文件中。例如，关于电气布线的信息 可以独立于与模型的三维结构相关联的数据地保存在文件中。在本发 明一个实施例中，编辑器可以加载与三维结构相关联的数据。此外， 编辑器也可以加载与电气布线相关联的数据。利用该编辑器，可以将 与电气布线相关联的数据映射到与三维结构相关联的数据上，以提供 更鲁棒的物理系统的模型。上述实施例涉及汽车的部件，然而，其他 类型的物理系统可以包括多个数据源，其可以被映射以形成物理系统 的更完整的单个模型，所述物理系统诸如解剖系统、机械系统、电学 系统、建筑规划或其他物理系统，其可以有利地利用本发明的一个或 多个实施例进行编辑。
图16-21示出根据本发明一个实施例的编辑器的GUI组件。图 16-21的每一个提供物理系统的模型的不同图形表示，其中可能不允许 修改。例如在一个实施例中，编辑器可以基于与模型相关联的一个或 多个参数允许操作中的模型的可视化。例如，图18示出人体心脏的模 型201的电生理表示。图18中的图形表示可以提供人体心脏201的电 系统的操作的图形表示。本发明一个实施例可以提供一个或多个系统 的可视化，其能够允许用户至少部分地基于与模型相关联的参数査看 物理系统的模型的一个方面。例如，图16示出人体心脏201的电系统 的图形表示，而图19示出显影流系统(contrast flow system)的图形表 示，其示出流过与心脏201相关联的多个血管的血流。用户能够与该 图形表示交互以查看关于模型的数据和参数，然而在一个实施例中， 用户可能不能够修改与人体心脏201的模型相关联的参数。用于编辑模型的示例性方法
图22示出根据本发明一个实施例的用于编辑物理系统的模型的
方法2200的流程图。例如，计算机102可以执行编辑器103并在显示 器103上提供GUI以供用户在编辑物理系统的模型时与该GUI交互。 该方法始于块2201，其中在一个实施例中，计算机102显示与物理系 统的模型相关联的至少一个参数。计算机102可以将参数限制为文本。 例如，计算机102可以显示窗口，其中，参数名称连同滑块、文本框 或配置来接收用户输入的其他单元一起显示。在一个实施例中，可以 显示参数的图形表示，诸如模型上的点，或者模型的突出显示的部分。
在块2202中，用户修改与物理系统的模型相关联的参数。用户可 以使用如上所述根据本发明实施例所述的GUI或经由其他实施例中的 其他装置来修改参数。例如，用户可以输入值到显示至少一个参数的 窗口中，其中，该值与该参数相关联。在一个实施例中，用户可以与 模型的图形表示交互，从而修改与模型相关联的参数。例如，用户可 以与模型交互并拖曳模型的一部分以与扫描图像对应。用户可以通过 拖曳该点来改变与模型相关联的参数。在一个实施例中，用户可以通 过移动滑动条、旋转转盘、或者从诸如数字化仪、电压计、热电偶或 其他传感器的外部装置提供输入，来修改与模型相关联的参数。
在块2203中，执行整合了修改的参数的至少该部分模型的仿真。 例如，在一个实施例中，模型可以包括人体心脏和向心脏提供营养的 一个或多个血管。在编辑心脏的模型的同时，用户可以修改模型的一 部分，诸如其中一个血管的直径。然后，可以运行血管的隔离仿真， 从而使得不执行整个物理模型的仿真。例如，该仿真可以仅计算输入 装置与血管的交互而不是与整个心脏的交互。这可以提供这样的优点 用户可以关注对血管进行的改变而不是与该血管相互作用的另外的系 统。例如，用户可以仿真与血管的交互而不考虑输入装置104的运动 是否会导致可能干扰对于血管的修改的测试的模型的另一部分的反 应。由此，用户能够更快更容易地感知对于与血管直径的变化相关联的导管的触觉效果，而无需执行心脏的整个模型的仿真。在一个实施例中，用户可以仿真模型的一部分，其中，模型的该 部分是模型的子系统、子部分、用户定义区域、组件或其他机械或电 学特性。在一个实施例中，用户可以仿真模型的一部分，其中，该部 分包括时期、重复行为的单个循环、两个组件的相互作用、或者模型 的其他时间或空间特性。在一个实施例中，用户可以仿真对于刺激的 脉冲响应、对于刺激的稳态响应、对于变化的刺激的响应的变化率、 或对模型的另一隔离输入。在又一实施例中，模型的一部分包括模型 的视觉或图形表示、模型的可听的表示、或模型的触觉表示。在另一 实施例中，模型的一部分可以包括模型的前述部分的一些组合，或这 里未列举的模型的另外部分。在块2204中，用户可以操纵诸如导管的输入装置104，其可以使 计算机102从输入装置104接收输入信号。例如，在用户操纵导管时， 可以改变导管的位置、取向、速度、加速度或其他状态的变化。该变 化可以被传送到计算机102。在块2205中，计算机102可以至少部分地基于该输入信号来确定 将要在输入装置104上输出的力。例如，计算机102可以从输入装置 104接收指示速度的输入信号。在一个实施例中，计算机102可以基于 该速度和修改后的参数确定力。在一个实施例中，计算机102可以基 于输入信号和未修改的参数来确定力。在一个实施例中，计算机102 可以基于输入信号、未修改的参数和修改后的参数来确定力。然后， 计算机102可以使致动器105在输入装置104上输出力。已经为说明和描述的目的提出了本发明实施例的前述描述，其意 图不是排他性的或将本发明限制为公开的特定形式。对于本领域技术 人员来说，很多修改及其改变是显而易见的而不偏离本发明的精神和 范围。
权利要求
1.一种用于修改物理系统的医学模型的系统，包括图形用户界面，其配置来显示与所述医学模型相关的至少一个参数，以及接收所述至少一个参数的修改；以及处理器，其配置来从所述图形用户界面接收所述至少一个参数的修改，以及执行包括所述至少一个参数的修改的一部分所述医学模型的仿真。
2. 根据权利要求l所述的系统，其中，所述处理器被配置来存储 包括所述至少一个参数的修改的所述物理系统的所述模型。
3. 根据权利要求l所述的系统，进一步包括与所述处理器通信的 输入装置，所述输入装置被配置来发送输入信号到所述处理器，所述 输入信号与所述输入装置的状态相关。
4. 根据权利要求3所述的系统，还包括致动器，所述致动器被配 置来接收致动器信号并向所述输入装置施加力，所述力至少部分地基 于所述输入信号和所述仿真。
5. 根据权利要求l所述的系统，其中，所述物理系统包括生物体 的一部分。
6. 根据权利要求5所述的系统，其中，所述仿真包括血管内仿真。
7. 根据权利要求3所述的系统，其中，所述输入装置包括荧光透 视装置。
8. 根据权利要求l所述的系统，其中，所述模型包括人类心脏的 模型。
9. 根据权利要求l所述的系统，其中，所述至少一个参数包括尺 寸、形状、厚度或病理的一个或多个。
10. —种用于修改物理系统的医学模型的方法，包括 显示与所述物理系统的所述模型相关的至少一个参数； 接收所述至少一个参数的修改；以及执行包括所述至少一个参数的修改的所述物理系统的所述模型的 一部分的仿真。
11. 根据权利要求IO所述的方法，还包括接收与输入装置的状态 相关的输入信号。
12. 根据权利要求11所述的方法，还包括向所述输入装置输出力， 所述力至少部分地基于所述输入信号和对包括所述至少一个参数的修 改的所述物理系统的所述模型的至少该部分的仿真。
13. 根据权利要求IO所述的方法，存储包括所述至少一个参数的 修改的所述物理系统的所述模型。
14. 根据权利要求IO所述的方法，其中，所述物理系统包括生物 体的一部分。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中，所述仿真包括血管内仿真。
16. 根据权利要求11所述的方法，其中，所述输入装置包括荧光 透视装置。
17. 根据权利要求IO所述的方法，其中，所述模型包括人体心脏 的模型。
18. 根据权利要求IO所述的方法，其中，所述至少一个参数包括 尺寸、形状、厚度或病理的一个或多个。
19. 一种计算机可读介质，其包括用于修改物理系统的模型的程序代码，所述计算机可读介质包括用于显示与所述物理系统的模型相关的至少一个参数的程序代码；用于接收所述至少一个参数的修改的程序代码；以及 用于执行包括所述至少一个参数的修改的一部分所述物理系统的 模型的仿真的程序代码。
20. 根据权利要求19所述的计算机可读介质，还包括用于接收与 输入装置的状态相关的输入信号的程序代码。
21. 根据权利要求20所述的计算机可读介质，还包括用于向所述 输入装置输出力的程度代码，所述力至少部分地基于所述输入信号以 及对包括所述至少一个参数的修改的这部分所述物理系统的模型的仿 真。
22. 根据权利要求19所述的计算机可读介质，还包括用于存储包 括所述至少一个参数的修改的所述物理系统的模型的程序代码。
23. 根据权利要求19所述的计算机可读介质，其中，所述物理系 统包括生物体的一部分。
24. 根据权利要求23所述的计算机可读介质，其中，所述仿真包括血管内仿真。
25. 根据权利要求19所述的计算机可读介质，其中，所述输入装 置包括荧光透视装置。
26. 根据权利要求19所述的计算机可读介质，其中，所述模型包 括人类心脏的模型。
27. 根据权利要求19所述的计算机可读介质，其中，所述至少一 个参数包括尺寸、形状、厚度或病理的一个或多个。
28. —种用于修改物理系统的医学模型的系统，包括 用于显示与所述医学模型相关的至少一个参数的装置； 用于接收所述至少一个参数的修改的装置；以及 用于执行包括所述至少一个参数的修改的一部分所述医学模型的仿真的装置。
29. 根据权利要求28所述的系统，还包括用于存储包括所述至少 一个参数的修改的所述物理系统的所述模型的装置。
30. 根据权利要求28所述的系统，还包括与用于执行所述仿真的 装置进行通信的输入装置，所述输入装置被配置来发送输入信号到用 于执行所述仿真的装置，所述输入信号与所述输入装置的状态相关。
31. 根据权利要求30所述的系统，还包括致动器，所述致动器配 置来接收致动器信号并向所述输入装置施加力，所述力至少部分地基 于所述输入信号和所述仿真。
全文摘要
本申请公开了用于修改物理系统的医学模型的系统和方法。一个公开的系统包括图形用户界面，其配置来显示与医学模型相关的至少一个参数并接收该至少一个参数的修改。该系统还包括处理器，其配置来从图形用户界面接收该至少一个参数的修改并执行包括该至少一个参数的修改的一部分医学模型的仿真。
文档编号G06F19/00GK101310249SQ200680042465
公开日2008年11月19日 申请日期2006年11月14日 优先权日2005年11月14日
发明者休·康那舍尔, 依扬卡·庞南佩鲁马, 卢艾·阿扎米, 唐纳德·D·纳尔逊, 米兰·依基茨, 罗伯特·B·法尔克, 莱昂内尔·格勒尼耶, 达南贾伊·乔希, 迈克尔·迪库乔 申请人:伊梅森公司