[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

说明书

本发明涉及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：第一步，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，对每一段小血管建立流体模型；第四步，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，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。与现有技术相比，本发明具有计算稳定、实时性好、真实感强、应用灵活等优点。

技术领域

本发明涉及一种虚拟手术的模拟方法，尤其是涉及到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。

背景技术

随着科学技术的高速发展，虚拟手术的应用为医疗的现代化提供了越来越多的帮助。虚拟的微创血管手术训练系统可以快速有效地帮助实习医生提高手术技能，让更多的心脑血管疾病患者可以接受微创介入治疗。导丝的实时运动仿真是微创血管介入手术系统最重要的一部分，也是众多学者研究的课题。

在导丝实时运动仿真的研究过程中，早期的学者受限于当时硬件的计算水平采用非物理的几何模型，例如B样条曲线，这种非物理模型从几何角度描述导丝形态，虽然计算速度快，但是完全忽略了导丝的物理特性，也无法描述导丝的受力情况，所以真实感比较差；也有其他学者采用基于物理的质点弹簧模型、弹性杆模型等对导丝的运动仿真进行建模，这一类物理模型考虑了导丝的物理特性，且易于对导丝与血管之间的交互进行物理建模，在硬件水平不断发展之后也能达到实时计算的要求，并且相比于非物理模型，在真实感上有比较大的提升，被广泛采用，例如Basdogan等学者在《Virtual Environments forMedical Training:Graphical and Haptic Simulation of Laparoscopic Common BileDuct Exploration》一文中采用的质点弹簧模型、Tang等学者在《A realistic elasticrodmodel for real-time simulation of minimally invasive vascularinterventions》一文中采用的弹性杆模型等。

然而，虽然手术中导丝是在血流中运动的，大多数学者却都没有考虑导丝在血流中运动时手动的血流作用；微创血管介入手术训练系统要为用户提供一个高度还原的具有沉浸感的虚拟训练环境，这就要求仿真的导丝具有很高的物理可信度，因此在考虑导丝本身的物理属性的基础上，还需要对血管内的血流进行计算，分析导丝在运动中收到的血流作用情况。

要对受血流作用的导丝实时仿真主要的挑战有以下几点：

1)由于流体方程本身的复杂性，流体计算通常计算复杂且需要消耗大量的时间；

2)血管是不规则的三维模型，在不规则的模型中建立流体模型比较困难，并且会增加流体计算的复杂度；

3)导丝的物理仿真要求较高的实时性，整合流体计算必然导致仿真效率的降低，甚至难以达到实时；

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，通过简化流体方程、不规则血管的离散化描述、采用硬件加速等手段，提供了一种计算稳定、实时性好、真实感强、应用灵活的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。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

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；