一种支持个性化的经皮冠状动脉成形术模拟训练系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种支持个性化的经皮冠状动脉成形术模拟训练系统及方法，包括：个性化心血管建模、心脏与血管的变形、介入导丝或导管的运动模拟、虚拟X光成像以及力触觉反馈等功能，还可以模拟手术过程中的常见意外事故，比如导丝穿破血管等现象，并且所有的处理过程都可以在一台普通的个人计算机上达到实时交互的计算效率。在采集到病人的数据之后，可以高效地通过简单的交互操作，对病人的心血管进行个性化建模，然后导入到手术模拟系统当中，即可以进行手术过程的模拟排演。

A personalized percutaneous coronary angioplasty simulation training system and method

The invention provides a personalized support for percutaneous transluminal coronary angioplasty simulation training system and method, including: personalized cardiovascular modeling, heart and vascular deformation, guidewire or catheter motion simulation, virtual X optical imaging and haptic feedback and other functions, but also the common accident to simulate the operation process. For example, guidewire perforation of blood vessels and other phenomena, computational efficiency and process all can achieve real-time interaction in a personal computer on. After collecting the patient's data, we can efficiently personalize the patient's cardiovascular by simple interaction operation, and then import it into the surgical simulation system, that is, we can perform the simulated rehearsal of the operation process.

【技术实现步骤摘要】
一种支持个性化的经皮冠状动脉成形术模拟训练系统及方法
本专利技术涉及图像处理、计算机视觉和增强现实
，具体地说是一种支持个性化的经皮冠状动脉成形术模拟训练系统及方法。
技术介绍
随着临床医学的不断进步，医学手术呈现出微创化、精准化、个性化的发展趋势，对医生的基础知识和操作技能两个方面都提出了巨大的挑战。如何通过技术手段缩短手术医生的培养周期、降低医生临床手术风险、提高手术操作精准度是现代医学和信息、自动化等多学科关注的焦点问题。结合虚拟现实和数字医学的虚拟手术技术，以其可重复、低风险、高逼真等优点，得到临床医生的高度认可，为医生手术技能培训和手术预演等提供了一条全新的技术途径。同时，虚拟手术仿真涉及的人体及其器官的高精度建模、软组织器官的实时交互、力触觉计算与反馈、基于人体物理计算模型和生理模型的高真实感绘制等一系列十分困难的基础问题，对信息技术的发展提出了新的挑战。经皮冠状动脉心血管介入手术(PercutaneousCoronaryIntervention,PCI)是当前针对人体心血管疾病最为有效的治疗手段之一。这类介入手术，是指经导管技术疏通狭窄甚至闭塞的冠状动脉管腔，从而改善心肌的血流灌注，其主体部分就是导丝插入心血管并准确到达医生想要进行手术的部位。但是，由于人体心内血管结构的复杂性和多样性，此类手术的危险性通常比较大，这就要求实施手术的外科医生必须具有非常丰富的手术经验，而这些经验又只能通过大量的临床手术训练才能慢慢积累。对于没有经验的年轻医生，直接在人体上进行手术训练的风险极大，可能对病人心脏及血管造成永久性损伤，严重的情况甚至会导致病人死亡。当前现有的心血管介入手术模拟器通常是根据特定的人体数据设计的，其数据与流程通常都是预先设定的，无法临时更改，不能做到根据不同的病人和场景做出相应的变化。目前国内还没有心血管介入手术模拟器相关的报导，医院现有的血管介入模拟器通常都是从国外进口的，较为成熟血管介入模拟器有以色列盛拜安尼公司的AngioMentor模拟器和瑞典MENTICE公司的VIST模拟器，这些模拟器价格十分昂贵，并且大部分模拟器数据与流程通常都是预先设定的，无法临时更改，不能做到根据不同的病人和场景做出相应的变化。本专利技术能够根据不同病人的数据进行个性化心血管建模及心血管模型的动态仿真，为医生提供更多的训练案例。
技术实现思路
本专利技术技术解决问题：为了克服上述现有技术的不足，提供一种支持个性化的经皮冠状动脉成形术模拟训练系统及方法，从临床医学影像数据中提取个性化心血管模型及心室周期性运动模型，进而逼真模拟导丝插入血管全过程，同时能够在X光下显示心血管、导丝、造影剂等医学影像，可以用于外科医生的训练和针对特定病人的术前规划与排演，为医生提供更多的训练案例，最大程度地降低临床手术风险。为完成专利技术目的，本专利技术采用的技术方案是：一种支持个性化的经皮冠状动脉成形术模拟训练系统，包括：个性化心血管建模模块、心脏与血管的变形模块、介入导丝或导管的模拟模块、虚拟X光成像模块以及力触觉反馈模块，其中：个性化心血管建模模块，从CTA数据中分割血管区域并构建血管模型；导入病人数据，通过交互操作，将人体的心脏分割出来，再剔除其余部分，仅剩下冠状动脉和心内的血管结构，在所述血管结构上，自动地提取血管的中心线，在血管中心线上进行采样得到一系列采样点，每个采样点对应一个以该采样点为中心的血管横截面，然后估计出血管在中心线上采样点对应各个位置的横截面的大小，最后通过放样得到的细化血管结构，将血管中心线上所有采样点对应的一系列二维血管横截面连接起来构成三维心血管模型，将得到的建模结果输入至心脏与血管的变形模块中构建心血管动态仿真模型；心脏与血管的变形模块，从MRI序列中获得心室跳动序列以驱动完整心脏模型跳动并带动个性化心血管建模模块得到的血管模型一起跳动，构造心血管动态仿真模型；由真实病患的心血管磁共振(cardiacmagneticresonance，CMR)图像精确分割、建模获得不同时刻下心室的三维重建图像，得到心室跳动序列；原始的心脏模型是基于三角面片的，为获得体积属性，需要将心脏的三角面片模型Delaunary三角剖分获得四面体模型，在四面体的顶点处放置填充球，填充球间使用抗弯、抗拉和抗扭的弹簧连接，将填充球模型和原心脏模型的表面顶点建立映射关系，填充球的运动带动表面顶点运动，将心脏完整模型建立与心室的对应关系，根据基于位置的动力学与心脏弹簧质子模型，利用心室的运动序列驱动心脏运动模拟心脏的周期性跳动，完成对完整心脏的动力学建模；建立完整心脏与个性化心血管建模模块得到的血管模型的顶点之间的对应关系，由心脏跳动带动血管模型一起运动，完成心血管动态仿真模型的构建；介入导丝或导管的模拟模块，模拟心血管介入手术中的导丝在血管中的前进后退、转弯以及旋转等不同的运动；将导丝或导管离散化为多个控制点，每个控制点建立一个局部的坐标系，然后采用Cosserat理论，根据导丝或导管的势能、动能以及能量耗散来描述其运动，得到导丝或导管在心脏与血管的变形模块构造的动态心血管模型中的运动模拟过程；虚拟X光成像模块，根据X光片的成像原理，模拟病人胸腔的X光图像，展现X光下导丝或导管在动态心血管模型中运动过程；使用基于光线追踪算法的仿真方法，从X光光源到探测器每一个像素点发出射线，根据X光衰减规律计算X光通过心脏、血管及导丝等模型后得到的像素值，利用图像均匀性的Raycasting加速方法，实现仿真投影图像(digitallyreconstructedradiograph,DRR)的实时生成；力触觉反馈模块，将导丝与血管碰撞产生的力，通过电机反馈给操作者；导丝在动态心血管模型中运动与血管发生碰撞产生摩擦力，计算碰撞力并通过硬件反馈给操作者。本专利技术的一种支持个性化的经皮冠状动脉成形术模拟训练方法，包括以下步骤：(1)使用不同病人的临床术前CT扫描数据，通过简单的交互操作，建立不同病人的心血管模型；导入病人CTA数据后，根据体绘制结果对病人的情况有一个初步的判断，然后设置初始参数，并通过简单的交互操作，便可以将人体的心脏分割出来，最后再剔除其余部分，仅剩下冠状动脉和心内血管结构，上述得到的血管结构通常还比较粗糙，不适于直接用于手术模拟，所以在这组粗糙血管的基础之上，自动地提取血管的中心线，在血管中心线上进行采样得到一系列采样点，每个采样点对应一个以该点为中心的血管横截面，然后估计出血管在中心线上各个采样点对应的横截面的大小，最后通过放样，将血管中心线上所有采样点对应的一系列二维血管横截面连接起来构成三维心血管模型；(2)使用病人心脏位置的4DCMR数据，还原出病人心脏的一个心动周期下的运动状态；由真实病患的心血管磁共振(cardiacmagneticresonance，CMR)图像精确分割、建模获得不同时刻下心室的三维重建图像，得到心室跳动序列；原始的心脏模型是基于三角面片的，为获得体积属性，需要将心脏的三角面片模型Delaunary三角剖分获得四面体模型，在四面体的顶点处放置填充球，填充球间使用抗弯、抗拉和抗扭的弹簧连接，将填充球模型和原心脏模型的表面顶点建立映射关系，填充球的运动带动表面顶点运动，将心脏完整模型建立与心室的对应关本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种支持个性化的经皮冠状动脉成形术模拟训练系统，其特征在于：包括个性化心血管建模模块、心脏与血管的变形模块、介入导丝或导管的模拟模块、虚拟X光成像模块以及力触觉反馈模块，其中：个性化心血管建模模块，从CTA数据中分割血管区域并构建血管模型；导入病人数据，通过交互操作，将人体的心脏分割出来，再剔除其余部分，仅剩下冠状动脉和心内的血管结构，在所述血管结构上，自动地提取血管的中心线，在血管中心线上进行采样得到一系列采样点，每个采样点对应一个以该采样点为中心的血管横截面，然后估计出血管在中心线上采样点对应各个位置的横截面的大小，最后通过放样得到的细化血管结构，将血管中心线上所有采样点对应的一系列二维血管横截面连接起来构成三维心血管模型，将得到的建模结果输入至心脏与血管的变形模块中构建心血管动态仿真模型；心脏与血管的变形模块，从MRI序列中获得心室跳动序列以驱动完整心脏模型跳动并带动个性化心血管建模模块得到的血管模型一起跳动，构造心血管动态仿真模型；由真实病患的心血管磁共振(cardiac magnetic resonance，CMR)图像精确分割、建模获得不同时刻下心室的三维重建图像，得到心室跳动序列；原始的心脏模型是基于三角面片的，为获得体积属性，需要将心脏的三角面片模型Delaunary三角剖分获得四面体模型，在四面体的顶点处放置填充球，填充球间使用抗弯、抗拉和抗扭的弹簧连接，将填充球模型和原心脏模型的表面顶点建立映射关系，填充球的运动带动表面顶点运动，将心脏完整模型建立与心室的对应关系，根据基于位置的动力学与心脏弹簧质子模型，利用心室的运动序列驱动心脏运动模拟心脏的周期性跳动，完成对完整心脏的动力学建模；建立完整心脏与个性化心血管建模模块得到的血管模型的顶点之间的对应关系，由心脏跳动带动血管模型一起运动，完成心血管动态仿真模型的构建；介入导丝或导管的模拟模块，模拟心血管介入手术中的导丝在血管中的前进后退、转弯以及旋转等不同的运动；将导丝或导管离散化为多个控制点，每个控制点建立一个局部的坐标系，然后采用Cosserat理论，根据导丝或导管的势能、动能以及能量耗散来描述导丝或导管运动，得到导丝或导管在心脏与血管的变形模块构造的动态心血管模型中的运动模拟过程；虚拟X光成像模块，根据X光片的成像原理，模拟病人胸腔的X光图像，展现X光下导丝或导管在动态心血管模型中运动过程；使用基于光线追踪算法的仿真方法，从X光光源到探测器每一个像素点发出射线，根据X光衰减规律计算X光通过心脏、血管及导丝等模型后得到的像素值，利用图像均匀性的Ray casting加速方法，实现仿真投影图像(digitally reconstructed radiograph,DRR)的实时生成；力触觉反馈模块，将导丝与血管碰撞产生的力，通过电机反馈给操作者；导丝在动态心血管模型中运动与血管发生碰撞产生摩擦力，计算碰撞力并通过硬件反馈给操作者。...

【技术特征摘要】
1.一种支持个性化的经皮冠状动脉成形术模拟训练系统，其特征在于：包括个性化心血管建模模块、心脏与血管的变形模块、介入导丝或导管的模拟模块、虚拟X光成像模块以及力触觉反馈模块，其中：个性化心血管建模模块，从CTA数据中分割血管区域并构建血管模型；导入病人数据，通过交互操作，将人体的心脏分割出来，再剔除其余部分，仅剩下冠状动脉和心内的血管结构，在所述血管结构上，自动地提取血管的中心线，在血管中心线上进行采样得到一系列采样点，每个采样点对应一个以该采样点为中心的血管横截面，然后估计出血管在中心线上采样点对应各个位置的横截面的大小，最后通过放样得到的细化血管结构，将血管中心线上所有采样点对应的一系列二维血管横截面连接起来构成三维心血管模型，将得到的建模结果输入至心脏与血管的变形模块中构建心血管动态仿真模型；心脏与血管的变形模块，从MRI序列中获得心室跳动序列以驱动完整心脏模型跳动并带动个性化心血管建模模块得到的血管模型一起跳动，构造心血管动态仿真模型；由真实病患的心血管磁共振(cardiacmagneticresonance，CMR)图像精确分割、建模获得不同时刻下心室的三维重建图像，得到心室跳动序列；原始的心脏模型是基于三角面片的，为获得体积属性，需要将心脏的三角面片模型Delaunary三角剖分获得四面体模型，在四面体的顶点处放置填充球，填充球间使用抗弯、抗拉和抗扭的弹簧连接，将填充球模型和原心脏模型的表面顶点建立映射关系，填充球的运动带动表面顶点运动，将心脏完整模型建立与心室的对应关系，根据基于位置的动力学与心脏弹簧质子模型，利用心室的运动序列驱动心脏运动模拟心脏的周期性跳动，完成对完整心脏的动力学建模；建立完整心脏与个性化心血管建模模块得到的血管模型的顶点之间的对应关系，由心脏跳动带动血管模型一起运动，完成心血管动态仿真模型的构建；介入导丝或导管的模拟模块，模拟心血管介入手术中的导丝在血管中的前进后退、转弯以及旋转等不同的运动；将导丝或导管离散化为多个控制点，每个控制点建立一个局部的坐标系，然后采用Cosserat理论，根据导丝或导管的势能、动能以及能量耗散来描述导丝或导管运动，得到导丝或导管在心脏与血管的变形模块构造的动态心血管模型中的运动模拟过程；虚拟X光成像模块，根据X光片的成像原理，模拟病人胸腔的X光图像，展现X光下导丝或导管在动态心血管模型中运动过程；使用基于光线追踪算法的仿真方法，从X光光源到探测器每一个像素点发出射线，根据X光衰减规律计算X光通过心脏、血管及导丝等模型后得到的像素值，利用图像均匀性的Raycasting加速方法，实现仿真投影图像(digitallyreconstructedradiograph,DRR)的实时生成；力触觉反馈模块，将导丝与血管碰撞产生的力，通过电机反馈给操作者；导丝在动态心血管模型中运动与血管发生碰撞产生摩擦力，计算碰撞力并通过硬件反馈给操作者。2.一种支持个性化的经皮冠状动脉成形术模拟训练方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)使用不同病人的临床术前CT扫描数据，通过简单的交互操作，建立不同病人的心血管模型；导入病人CTA数据后，根据体绘...

【专利技术属性】
技术研发人员：李帅，谢志军，郝爱民，
申请(专利权)人：北京众绘虚拟现实技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11