介入栓塞手术过程的模拟方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种介入栓塞手术过程的模拟方法及装置，其中方法包括：根据栓塞物质包围球的几何形状，在极坐标系内建立栓塞物质的缠绕路径公式；选定血管瘤，采用基于网络邻接信息的搜索算法并设置相应的边界条件，将所有属于血管瘤的三角形面片分离出来，并求取血管瘤的内切球球心及半径；控制导管到达血管瘤处，根据栓塞物质的缠绕路径公式及血管瘤的内切球球心及半径，将栓塞物质通过导管向血管瘤内进行推送。本发明专利技术可以在保证手术模拟实时性的同时，提高介入栓塞物质缠绕的模拟真实性。

Simulation method and device for interventional embolization

The invention discloses a method and device for simulating interventional procedure, wherein the method comprises the following steps: according to the embolic material bounding sphere geometry, a winding path formula embolic material in polar coordinates; selected hemangioma, using the network adjacency information search algorithm based on cable and set the corresponding boundary conditions, separated all belong to the hemangioma of the triangles, and inscribed sphere and the radius of hemangioma; control catheter reaches hemangioma, embolization material according to the winding path formula and hemangioma of the inscribed sphere centre and radius, the embolic material through the catheter to hemangioma push. The invention can improve the simulation authenticity of the interventional embolic material while ensuring the real-time performance of the operation simulation.

【技术实现步骤摘要】
介入栓塞手术过程的模拟方法及装置
本专利技术涉及虚拟手术
，尤其涉及介入栓塞手术过程的模拟方法及装置。
技术介绍
虚拟手术是利用医学影像数据，使用虚拟现实技术在计算机中建立虚拟环境，使医生能够借助虚拟环境中的信息进行手术计划、训练，以及实际手术中引导手术。传统的手术过程存在风险高、病人痛苦大、术后效果不理想等缺点，手术效果受医生个人业务水平影响很大。采用增强现实技术可以使医务工作者沉浸于虚拟的场景内，可以通过视、听、触觉感知并学习各种手术实际操作，体验并学习如何应付临床手术中的实际情况。这样节约了培训医务人员的费用和时间，使非熟练人员进行手术的风险性大大降低，对提高医学教育与训练的效率和质量以及改善医学手术水平的发展不平衡的现状有着特殊的意义。利用虚拟现实技术模拟实际手术过程，准确、快速地模拟手术器械与人体器官(在介入手术模拟领域，主要指血管等)交互作用对提高手术模拟的真实性和用户的沉浸感十分重要。第一，从训练者的角度，真实、准确的手术模拟过程可以提供训练者全面的、直观的手术操作感受，有助于训练者理解手术过程、掌握手术技能。第二，从医生的角度，于术前在模拟系统上进行介入手术过程的预演，可以预防性地对将来实际手术过程中可能出现的突发情况进行模拟处理，以提高实际手术的成功率。介入栓塞术，也称栓塞治疗，是经动脉或静脉内导管将塞物有控制地注入到病变器官的供应血管内，使之发生闭塞，中断供血，以达到控制出血、治疗肿瘤和血管性病变以及消除患病器官功能之目的。栓塞术是介入治疗中的重要技术，也是介入放射学的三大技术之一，并成为日常工作的主要部分。一名介入手术医师在获得进行临床手术资格之前，需要经过长时间的、严格的术前训练。随着科学技术的发展，通过计算机模拟介入栓塞治疗的整个手术过程，尤其是栓塞物在病变部位的缠绕过程，可以很好地帮助介入手术医师快速掌握介入栓塞术的关键技术细节，缩短培训周期。因此，在虚拟手术领域，尤其是手术技能训练、手术过程演练等方面，通过计算机准确、真实地模拟整个手术过程十分重要。目前的虚拟手术过程中针对介入栓塞过程模拟所采用的技术方案主要由以下两种：Dequidt等在08年提出一种基于样条的方法模拟栓塞物质在血管瘤内的缠绕过程(DequidtJ,MarchalM,DuriezC,KerienE,CotinS.Interactivesimulationofembolizationcoils:Modelingandexperimentalvalidation.MedicalImageComputingandComputer-AssistedIntervention-MICCAI2008.SpringerBerlinHeidelberg.2008:695-702)。该方法将栓塞物质建模为一段段首尾相连的样条曲线，计算样条曲线的刚性矩阵，通过建立并求解牛顿第二定律平衡方程计算每段短小的时间间隔内样条曲线的形状变化。Morales等提出一种基于动态路径规划的方法模拟栓塞物质在血管瘤内的缠绕过程(MoralesHG,LarrabideI,KimM,Villa-UriolMC,MachoJM,BlascoJ,FrangiAF.Virtualcoilingofintracranialaneurysmsbasedondynamicpathplanning.MedicalImageComputingandComputer-AssistedIntervention-MICCAI2011.SpringerBerlinHeidelberg.2008:355-362)。该方法对栓塞物质的可能的前进路线进行预测，排除刺穿血管瘤的路径，然后选择剩余路径中最符合栓塞物质几何特性的路径，以此确定栓塞物质的前进方向，进而模拟栓塞物质在血管瘤中的缠绕过程。然而，Dequidt等提出的基于样条的方法，由于需要建立维度较高的刚性矩阵并求解二次方程，其计算量会随着进入血管瘤的栓塞物质的长度的增加而增加，计算效率难以保持，手术模拟的实时性要求难以保证。Morales等提出的基于路径动态规划的方法，没有考虑到栓塞物质自身的材料特性，而是完全基于肿瘤的形状对栓塞物质的前进路线进行规划。在肿瘤形状不规则时，模拟得到的填充效果较差，栓塞物质的形变生硬，手术模拟的真实性要求难以得到保证。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种介入栓塞手术过程的模拟方法，用以在保证手术模拟实时性的同时，提高介入栓塞物质缠绕的模拟真实性，该方法包括：根据栓塞物质包围球的几何形状，在极坐标系内建立栓塞物质的缠绕路径公式；选定血管瘤，采用基于网络邻接信息的搜索算法并设置相应的边界条件，将所有属于血管瘤的三角形面片分离出来，并求取血管瘤的内切球球心及半径；控制导管到达血管瘤处，根据栓塞物质的缠绕路径公式及血管瘤的内切球球心及半径，将栓塞物质通过导管向血管瘤内进行推送。一个实施例中，所述栓塞物质包围球的几何形状为球形、椭球形或圆锥形。一个实施例中，所述根据栓塞物质包围球的几何形状，在极坐标系内建立栓塞物质的缠绕路径公式，包括：在所述栓塞物质包围球的几何形状为球形时，根据栓塞球囊的半径以及球囊内栓塞物质的形状变化，按如下公式在极坐标系内建立栓塞球囊的缠绕路径公式：Px＝rsinβcosα+Cx；Py＝rsinβsinα+Cy；Pz＝rcosβ+Cz；其中，P(x,y,z)为栓塞球囊缠绕路径上的点，C(x,y,z)为栓塞球囊的球心，r为栓塞球囊的半径，α为栓塞球囊表面一点与球心形成的向量与x轴的夹角，β为该向量与y轴的夹角。一个实施例中，所述根据栓塞物质包围球的几何形状，在极坐标系内建立栓塞物质的缠绕路径公式，还包括：在所述栓塞物质包围球的几何形状为球形时，按如下公式控制变量α和β：αi+1＝αi+f(i)；βi+1＝βi+g(i)；其中，αi和βi为第i次向血管瘤内推送栓塞球囊时新产生的缠绕轨迹点控制变量；f(i)和g(i)分别为产生第i次推送操作时变量α和β的增量；f(i)和g(i)满足如下条件：每次产生的增量都与上一次不同，且产生的增量控制在预设范围内。一个实施例中，所述根据栓塞物质包围球的几何形状，在极坐标系内建立栓塞物质的缠绕路径公式，还包括：在所述栓塞物质包围球的几何形状为球形时，采用如下增量控制函数控制增量f(i)和g(i)：f(i)＝A(sin(i×a)+1.0)；g(i)＝B(sin(i×b)+1.0)；其中，参数a控制f(i)的周期，参数b控制g(i)的周期，参数A控制f(i)生成增量的范围，参数B控制g(i)生成增量的范围。一个实施例中，所述选定血管瘤，采用基于网络邻接信息的搜索算法并设置相应的边界条件，将所有属于血管瘤的三角形面片分离出来，并求取血管瘤的内切球球心及半径，包括：将三角形面片的邻面角度作为停止条件，通过逐层搜索邻面的方式将所有属于血管瘤的三角形面片分离出来，并求取血管瘤的内切球球心及半径。一个实施例中，所述将三角形面片的邻面角度作为停止条件，通过逐层搜索邻面的方式将所有属于血管瘤的三角形面片分离出来，并求取血管瘤的内切球球心及半径，包括：获得组成血管瘤的任意一个三角形面片；以该三角形面片为起点逐层向外搜索邻面，如果邻面之间的夹角θ大于βmin，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种介入栓塞手术过程的模拟方法，其特征在于，包括：根据栓塞物质包围球的几何形状，在极坐标系内建立栓塞物质的缠绕路径公式；选定血管瘤，采用基于网络邻接信息的搜索算法并设置相应的边界条件，将所有属于血管瘤的三角形面片分离出来，并求取血管瘤的内切球球心及半径；控制导管到达血管瘤处，根据栓塞物质的缠绕路径公式及血管瘤的内切球球心及半径，将栓塞物质通过导管向血管瘤内进行推送。

【技术特征摘要】
1.一种介入栓塞手术过程的模拟方法，其特征在于，包括：根据栓塞物质包围球的几何形状，在极坐标系内建立栓塞物质的缠绕路径公式；选定血管瘤，采用基于网络邻接信息的搜索算法并设置相应的边界条件，将所有属于血管瘤的三角形面片分离出来，并求取血管瘤的内切球球心及半径；控制导管到达血管瘤处，根据栓塞物质的缠绕路径公式及血管瘤的内切球球心及半径，将栓塞物质通过导管向血管瘤内进行推送。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述栓塞物质包围球的几何形状为球形、椭球形或圆锥形。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据栓塞物质包围球的几何形状，在极坐标系内建立栓塞物质的缠绕路径公式，包括：在所述栓塞物质包围球的几何形状为球形时，根据栓塞球囊的半径以及球囊内栓塞物质的形状变化，按如下公式在极坐标系内建立栓塞球囊的缠绕路径公式：Px＝rsinβcosα+Cx；Py＝rsinβsinα+Cy；Pz＝rcosβ+Cz；其中，P(x,y,z)为栓塞球囊缠绕路径上的点，C(x,y,z)为栓塞球囊的球心，r为栓塞球囊的半径，α为栓塞球囊表面一点与球心形成的向量与x轴的夹角，β为该向量与y轴的夹角。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据栓塞物质包围球的几何形状，在极坐标系内建立栓塞物质的缠绕路径公式，还包括：在所述栓塞物质包围球的几何形状为球形时，按如下公式控制变量α和β：αi+1＝αi+f(i)；βi+1＝βi+g(i)；其中，αi和βi为第i次向血管瘤内推送栓塞球囊时新产生的缠绕轨迹点控制变量；f(i)和g(i)分别为产生第i次推送操作时变量α和β的增量；f(i)和g(i)满足如下条件：每次产生的增量都与上一次不同，且产生的增量控制在预设范围内。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据栓塞物质包围球的几何形状，在极坐标系内建立栓塞物质的缠绕路径公式，还包括：在所述栓塞物质包围球的几何形状为球形时，采用如下增量控制函数控制增量f(i)和g(i)：f(i)＝A(sin(i×a)+1.0)；g(i)＝B(sin(i×b)+1.0)；其中，参数a控制f(i)的周期，参数b控制g(i)的周期，参数A控制f(i)生成增量的范围，参数B控制g(i)生成增量的范围。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述选定血管瘤，采用基于网络邻接信息的搜索算法并设置相应的边界条件，将所有属于血管瘤的三角形面片分离出来，并求取血管瘤的内切球球心及半径，包括：将三角形面片的邻面角度作为停止条件，通过逐层搜索邻面的方式将所有属于血管瘤的三角形面片分离出来，并求取血管瘤的内切球球心及半径。7.如利要求6所述的方法，其特征在于，所述将三角形面片的邻面角度作为停止条件，通过逐层搜索邻面的方式将所有属于血管瘤的三角形面片分离出来，并求取血管瘤的内切球球心及半径，包括：获得组成血管瘤的任意一个三角形面片；以该三角形面片为起点逐层向外搜索邻面，如果邻面之间的夹角θ大于βmin，则停止该方向的搜索，如果邻面之间的夹角θ小于αmax，则继续向更外层搜索，直至搜索得到所有属于血管瘤的三角形面片的集合A；其中βmin为血管瘤与血管交界处的邻边夹角的最小值，αmax为组成血管瘤的邻边夹角的最大值；求组成集合A中的三角形面片的所有顶点位置的平均值，得到血管瘤的内切球的球心C；求球心C到集合A中所有三角形面片的最短距离R，得到血管瘤的内切球的半径R。8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制导管到达血管瘤处，根据栓塞物质的缠绕路径公式及血管瘤的内切球球心及半径，将栓塞物质通过导管向血管瘤内进行推送，包括：在导管头部设置临时包围球，与所有血管瘤的内切球进行碰撞检测，所述临时包围球的半径与血管瘤内切球的半径之差小于阈值；将与所述临时包围球发生碰撞的血管瘤确定为即将进行栓塞治疗的血管瘤，获得该血管瘤的内切球球心及半径。9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制导管到达血管瘤处，根据栓塞物质的缠绕路径公式及血管瘤的内切球球心及半径，将栓塞物质通过导管向血管瘤内进行推送...

【专利技术属性】
技术研发人员：王浩宇，吴剑煌，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44