[发明专利]一种基于弹簧质子模型的医学手术器械导丝的模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于弹簧质子模型的医学手术器械导丝的模拟方法。

背景技术

心血管疾病，又称为循环系统疾病，是一系列涉及循环系统的疾病(循环系统指人体内运送血液的器官和组织，主要包括心脏、血管)，可以细分为急性和慢性，一般都是与动脉硬化有关。目前世界范围内，有心血管以及相关疾病的人口占世界人口的1/4，因此，心血管疾病已经成为世界医学界的难题，是全人类的挑战之一。

放射介入(IR，InterventionalRadiology)疗法是在透视、CT、MRI、B超等医学影像技术引导下，通过穿刺，将导管、导丝等插到病变部位，对身体各脏器疾病进行治疗的新学科。目前，介入手术已经发展成为治疗心血管病患者最有效、最及时的方法之一，介入手术是一种微创手术，具有痛苦小、住院时间短、安全性高等优点。目前，在进行介入手术操作时，要根据实时二维的透视成像技术(比如X光等)得到的图像，对手术器械进行推、拉、旋转等操作，来控制手术器械到达病灶的位置，进行手术治疗，那么就要求进行介入手术操作的医生要具有大量的临床经验以及熟练的操作技术。

所有仿射的培训的基础目的都是培养操作核心仪器的能力。如对于微创手术来说，需要对导丝的操作进行培训如何通过控制导丝的末端，在荧光镜指引下进行手术操作。为了提供训练环境，导丝在人体血管内的运动的模拟真实性对于训练效果非常重要。对于这样的模拟算法，真实性和速度要求都非常重要。

为了解决上述的要求，本发明基于弹簧质子模型，建立导丝模型，并且为了导丝的真实性做出了一些分析，通过对导丝运动过程中添加保持尖端弯角的内力、对导丝动态自适应采样以及对导丝进行碰撞检测和响应等方法达到要求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有的一些模拟导丝的算法的真实性或者速度上的不足，提供了一种基于弹簧质子模型的医学器械导丝的模拟方法。并且通过对导丝运动过程的分析，提供了更真实的算法，保证了真实性和速度的要求。

本发明采用的技术方案为：一种基于弹簧质子模型的医学器械导丝的模拟方法，包括以下四个步骤：

步骤(1)、建立导丝模型：根据导丝的几何特征，将导丝模型离散化成质点模型，根据给定的物理参数对质点之间建立弹簧模型，为了后面的仿真过程建立模型基础。

步骤(2)、对导丝运动过程的模拟，其中对于导丝的推操作，为了防止导丝在血管内运动过程中出现过弯曲的状况，选择导丝的尖端部分更新位置的方法；对于导丝的拉操作，由于没有过弯曲的问题，所以从导丝的体部分更新位置；对于导丝的旋转操作，通过外部设备输入旋转角度，计算旋转轴对位置进行更新。

步骤(3)、导丝的碰撞检测和响应，在对导丝运动的模拟过程中，可能会发生与血管壁的碰撞，这时候需要对碰撞进行响应，防止发生渗透现象，达到更真实的模拟效果。

步骤(4)、对导丝的自适应采样，当导丝在血管中运动时，由于血管结构本身的复杂性，在曲率小的部分，导丝只需要少量的点表达，以达到高的效率，然而在曲率大的地方，只有更多的点才能更真实的模拟，防止出现锯齿现象。

本发明的原理在于：

(1)通过对导丝模型离散化，建立导丝的弹簧质点模型，为了模拟带有尖端的导丝模型，导丝的尖端和体部分别不同的弹簧参数。

(2)为了模拟导丝的运动过程，本发明中考虑了导丝的三种内力和两种外力，分别考虑了导丝质点之间的拉力和弯曲力以及保持导丝尖端形状的力，这三个力的原理是基于胡克定律。两个外力分别是训练者给导丝的输入力以及导丝在运动过程中与血管壁碰撞产生的力。

(3)对于导丝的碰撞响应，对于导丝的第一个碰撞点，在于血管壁发生膨胀时，收到碰撞力大小与穿透距离有关系，将这个力分解成碰撞面法线方向的支持力和切线方向的摩擦力，对于导丝其他的点发生碰撞时，只收到切线方向的摩擦力。

(4)导丝在运动过程中的自适应采样，事先设定一个阈值，当一个点与周围点形成的夹角(曲率)小于阈值，并且点的密度较大时，需要增加两个点，从而使模拟效果更真实。本发明与现有的技术相比优点在于：

1.本发明采用弹簧质点模型进行模拟，这样的模型相比于FEM方法来说，时间效率更高，并且将导丝的尖端和体部赋予了不同的材质参数，模拟不同的物理材质属性。

2.本发明考虑了保持导丝尖端形状的内力，并且考虑了导丝抗拉伸的力。

3.本发明通过建立AABB包围盒的方法进行碰撞检测，并且为了提高检测效率，检测过程在GPU上实现。

附图说明