本发明专利技术提供了一种基于一体化链甲模型的医学手术器械导丝的模拟方法，包括四个步骤：建立导丝模型，使用链甲模型对医学手术器械导丝进行建模；对导丝运动过程的模拟，包括对导丝的推拉和旋转操作；导丝与血管壁碰撞处理；一体化链甲模型建模及独立链甲系统间耦合计算。本发明专利技术基于一体化链甲模型方法，相比于有限元方法，具有实时性好，计算简单的特点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术设及，该模拟方 法主要应用于对冠状动脉虚拟手术训练系统中，训练者可W通过操作真实的导丝器械控制 手术进行，达到了解手术了解，提高操作手术熟练度的目的。
技术介绍
屯、血管疾病，又称为循环系统疾病，是一系列设及循环系统的疾病(循环系统指人 体内运送血液的器官和组织，主要包括屯、脏、血管），可W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，有屯、血管W及相关疾病的人口占世界人口的1/4,因此，屯、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，Interventional Radiology)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屯、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W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屯、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，在巧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 运样的模拟算法，真实性和速度要求都非常重要。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是: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，提供了一种基于链甲模型的医学手术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，具有实时性好，计算简单 的特点。 本专利技术采用的技术方案为:一种基于链甲模型.的医学手术器械导丝的模拟方法， 包括W下步骤： 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一段段刚性 体，每段刚性体不能压缩或者拉伸，刚性体之间由链接点连接，在链接点处可W弯曲，链接 点作为一个链甲模型元素，建立链甲模型；[000引根据导丝的物理特征，医学导丝可W被看作易弯曲、扭转，但是很难被拉伸的弹性 物体，通过导丝操作导丝末端可W将移动或者旋转传递到尖端，并通过尖端选择进入血管 分支，本专利技术基于广义链甲模型将导丝离散化成小段连接而成的链，每个段是不可压缩或 者弯曲的刚性杆，段间通过可W弯曲的链接点相连。导丝包括两部分，比较刚性的细的体部 和更柔软的尖端部分，尖端部分更易弯曲。链甲模型的建立方法为:为了模拟尖端有弯曲部 分的导丝，初始化导丝形状，对导丝尖端形状进行计算；然后对导丝模型离散化，根据不同 材质属性设定不同参数，模拟带有尖端的导丝模型，导丝的尖端和体部分别不同的材质参 数;并且对链甲模型的拉伸系数，压缩系数和剪切系数W及元素之间的初始段长、导丝尖端 弯曲角度参数进行初始化，W模拟导丝尖端和体部的不同物理材质属性。 步骤(2)对导丝运动过程的模拟:导丝运动包括推操作、拉操作和旋转操作；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 端部分进行位置更新的;对于导丝的拉操作，由于没有过弯曲的问题，所W从导丝的体部分 进行位置更新;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;计算旋转轴的具体为:通过导丝的尖端部分的最后一个元素和体部的第一个链甲元 素位置之间的单位向量作为旋转轴，为尖端推操作力的方向，将尖端点沿着运个方向平移 输入值大小的距离，解算运个链甲模型元素，更新其他链甲模型元素的位置； 为了不影响计算效率的情况下真实的效果，使用了动态自适应采样的方法，在导 丝实行推操作、拉操作和旋转操作时，事先设定一个阔值，当血管末端的导丝元素大于阔值 时则动态删除元素；同时在对导丝实行拉操作时，当导丝处于血管末端的长度大于导丝总 长度的时，也动态在导丝末端删除元素;相反如果血管末端导丝元素太少，少于设定的 阔值，则需要增加点，即添加该点链甲模型元素，相应地更新链甲模型，从而使模拟效果更 真实。 步骤(3)导丝碰撞检测和响应:所述步骤(2)，在对导丝运动过程的模拟中，可能会 发生与血管壁的碰撞，进行导丝碰撞检测和响应，防止发生渗透现象，达到更真实的模拟效 果。 导丝碰撞检测和响应采用广义的符号距离场（SDF)的方法，通过对血管壁建立符 号距离场，导丝在运动过程模拟中，处于任何位置均能够通过计算它的符号距离获得其相 对血管壁的位置，即血管内或者血管外，通过碰撞响应算法，将于血管壁距离过近的或者发 生穿透的元素限定在血管内；符号距离场的方法可W有效的检测到发生穿透元素并施加惩 罚力修正元素位置； 碰撞响应算法为:将导丝在运动过程中，受到的力有分为外力、内部力、碰撞力和 摩擦力；外力通过触力设备输入获得；内部力传递运动状态，通过解算链甲模型，根据胡克 定律得到；导丝在血管壁放生碰撞时，碰撞力计算是通过碰撞响应，施加给导丝的一个惩罚 力，使导丝形变，限制在血管内部获得;摩擦力的计算是在导丝与血管壁发生碰撞时，通过 库伦定理获得。 步骤(4)导丝与血液流场的禪合:在对导丝运动过程的模拟中，要进行导丝与血液 流场的禪合，过程为：实现导丝及血液流场之间的禪合计算，统一对流场建立链甲模型，通 过设定参数达到不同材质的模拟效果，把链甲模型内部的各元素关系成为实链接，更新任 意元素的位置，将Ξ维链甲模元素的形变从一个模型通过虚拟链接传递到另一个模型，运 种的改变会通过实链接传递到整个链甲模型，避免导丝运动过程中受到流场的影响;有了 导丝模型和血液流场的模型W后，为了实现跨模型的运动传导，采用动态建立虚拟链接的 方法，即模型之间的虚拟链接，动态在模型之间建立虚拟链接，然后通过求解虚拟链接达到 不同模型之间传递运动状态的目的，避免了由于流场数据太大影响模拟效率，无法达到实 时的限制，由于统一采用了链甲模型，可w达到很高的时间效率，实时模拟。 本专利技术的原理在于： (1)通过对导丝模型离散化，建立导丝的链甲模型，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材质参数。 (2)为了模拟导丝的运动过程，本专利技术中考虑了导丝的外力、内力和摩擦力，分别 考虑了基于胡克定律的导丝元素之间的内力和基于库伦定理的摩擦力W及触力设备输入 的外力。导丝在运动过程中可W自适应采样。事先设定一个阔值，当血管末端的导丝元素大 于阔值时则动态删除元素，相反如果末端导丝元素太少则需要增加点，从而使模拟效果更 真实。 (3)对于导丝的碰撞检测，采用符号距离场的方法进行检测，具体原理为对血管模 型的Ξ角面片沿着面法线两个方向延伸，得到面片的棱柱模型，对每个棱柱模型求包围盒， 对于包围盒内的点可W计算符号距离，从而通过Ξ线性插值的到处于包围盒的任意点的符 号距离，通过符号距离可W判断导丝的点是否发生穿透或者离血管壁太近，如果满足运两 个条件，则要进行碰撞响应，修正点的位置。 (4)为了实现导丝运动过程中受到流场的影响，并且避免由于流场数据太大影响 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于一体化链甲模型的医学手术器械导丝的模拟方法，其特征在于包括以下步骤：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一段刚性体，每段刚性体不能压缩或者拉伸，刚性体之间由链接点连接，在链接点处可以弯曲，链接点作为一个链甲模型元素，建立链甲模型；步骤(2)对导丝运动过程的模拟：导丝运动包括推操作、拉操作和旋转操作；其中对于导丝的推操作，选择导丝的尖端部分进行位置更新的；对于导丝的拉操作，从导丝的体部分进行位置更新；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)导丝碰撞检测和响应：在对导丝运动过程的模拟中，使用符号距离场方法进行导丝碰撞检测，在发生渗透现象时进行碰撞响应，达到更真实的模拟效果。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李帅，王伟唯，郝爱民，秦洪，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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