[发明专利]微创血管介入手术中导丝受血流作用的实时运动仿真方法

权利要求书

1.一种微创血管介入手术中导丝受血流作用的实时运动仿真方法，包括以下几个步骤：

第一步，根据病人的CT扫描图像预先分割出血管部位的数据，采用三角形表面网格对血管进行建模；

第二步，求取血管网格的中心线，按照中心线将连续的血管网格模型离散化表示为一组圆柱体状小血管的组合，并抽象为一个有向图；

第三步，根据泊松法则对每一段小血管建立流体模型，用于描述每一段小血管中流量与两端压力差的关系；

第四步，根据小血管之间的位置关系、进出的流量一致和小血管两端的压力差这些条件，对抽象为有向图的血管模型整体建立流体计算矩阵，计算血管中的流量和压力分布；

第五步，使用弹性杆模型对导丝建模，并根据导丝在血管中的相对位置，计算血流对导丝的作用力并施加到导丝的仿真模型上，更新导丝的形态；

第六步，对导丝进行三维渲染；

所述的第五步中计算血流对导丝的作用力并施加到导丝的仿真模型的步骤如下：

51)查找导丝质点在血管中的相对位置，确定其所属的小血管；将离散化的血管描述为V_1～n，所有的导丝质点描述为m_1～n，为了加快查找的速度，不针对每一个质点搜索所有的血管，而只对第一个质点m₁搜索所有的血管并找到对应的血管V_1′，而对于后续的任意一个质点m_i，只需要搜索上一个质点所属的血管V_(i-1)′的一个邻域V_(i-1)，±n，即快速找到每个质点所在的血管；使用这种查找方法有效地提高仿真的速度；

52)根据质点在血管中的位置，求取血流在质点上的作用力，表示如下

x表示质点在血管轴向方向的距离，d表示质点在血管径向方向的距离，Q表示这段血管中的流量，ΔP表示血管两端的压力差，r表示血管的半径，η表示血液的粘度系数；

53)将血流的作用整合进导丝的物理仿真中，基于弹性杆模型的导丝每一帧的计算如下

其中，Δx和Δv分别表示各个质点的位置和速度变化，Δt是时间间隔，f表示各个质点的受力情况的雅可比矩阵，包括导丝受到的推拉、旋转以及碰撞的力，M是依赖于导丝各个质点的位置信息的一个对角矩阵，v_t,x_t分别表示在t时刻质点的速度和位置；

在每个质点上都加入血流的作用如下，得到受血流作用影响的导丝仿真计算模型：

2.根据权利要求1所述的一种微创血管介入手术中导丝受血流作用的实时运动仿真方法，其特征在于，根据中心线将连续的网格模型离散化表示为一组圆管的集合，并抽象为一个有向图，表示为G(N_n,N_e)，其中包含了N_n个节点和N_e条边，节点为离散点，边为圆管。

3.根据权利要求1所述的一种微创血管介入手术中导丝受血流作用的实时运动仿真方法，其特征在于，根据泊松法则对每一段小血管建立流体模型如下：

其中，Q表示这段血管中的流量，Δp表示血管两端的压力差，L表示该段血管的长度，r表示血管的半径，η表示血液的粘度系数，R表示该段血管的阻力，由L、r、η描述。

4.根据权利要求1所述的一种微创血管介入手术中导丝受血流作用的实时运动仿真方法，其特征在于，对抽象为有向图的血管模型整体建立流体计算矩阵如下:

41)使用节点-边矩阵描述抽象为有向图后的血管的拓扑结构：

其中，如果第j条边从第i个节点出发，则A_i,j＝1，如果第j条边到第i个节点结束，则A_i,j＝-1；

42)由于每个节点流入流量与流出流量是相等的，因此表示为

AQ＝0

其中Q表示这段血管中的流量，A为描述血管拓扑结构的节点-边矩阵；

43)又因为每一段小血管中的流体都有所述的模型，整个血管的整体流体计算表示为：

CQ＝ΔP

其中，C为对角阵R_i表示第i段血管的阻力，其中i＝1…n，ΔP是一个列向量，包括了每一条边的压力差；

44)使用一个正弦函数表示心脏输出的血压在收缩压和舒张压之间的变化p_source(t)

其中，P₁和P₂分别为收缩压和舒张压，ω用来控制输出压力的周期；

45)整合前面列出的方程，整个血管整体血流计算过程表示为：

其中，是一个稀疏的可逆矩阵，P表示心脏输出的压力，方程的求解方式如下

由于矩阵K的值只与血管的拓扑结构有关，而血管的结构是固定不变的，因此K的逆在开始仿真之前提前求好，以提高仿真的速度。