一种基于图搜索的介入手术路径规划方法、系统及电子设备技术方案

本申请涉及一种基于图搜索的介入手术路径规划方法、系统及电子设备。所述方法包括：步骤a：获取血管的三维影像以及中心线数据；步骤b：基于所述血管的三维影像以及中心线数据，采用图论算法构建血管拓扑结构的全局图；步骤c：对所述全局图进行简化，得到基于全局图的稀疏图；步骤d：通过路径搜索算法对所述稀疏图进行路径搜索，得到介入起始点与目标位置之间的最优路径，将该最优路径作为血管介入手术路径。本申请极大地降低了路径搜索算法的计算量，提高了介入手术计划方法成型的速度，显著改善了介入手术的成功率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于图搜索的介入手术路径规划方法、系统及电子设备
本申请属于医学工程
，特别涉及一种基于图搜索的介入手术路径规划方法、系统及电子设备。
技术介绍
血管介入手术过程中，由于人体内血管繁多，其拓扑结构非常复杂，医生需要通过病人血管的拓扑结构来选取手术介入起始点与目标需要治疗点之间的介入路径，这一过程被称为血管介入手术路径规划。目前，已存在[ZhouS,WangC,ZhangD.Newmethodofvesselcenterlineextractionfrom3DCTcoronaryangiographybasedonopen-snake[C]//IetInternationalConferenceonBiomedicalImage&SignalProcessing.IET,2015.]、[ZhangF,LuP,LiuX,etal.VascularcenterlineextractionofCTAimagesbasedonminimalpathandBayesiantracking[C]//201710thInternationalCongressonImageandSignalProcessing,BioMedicalEngineeringandInformatics(CISP-BMEI).IEEE,2017.]等方法得到血管的三维模型以及中心线结构。而对于血管介入手术路径规划这一领域，已经有一些学者提出了自己的规划算法，例如，上海大学在文献[佚名.基于改进蚁群算法的血管介入手术路径规划[J].上海大学学报(自然科学版),2019.]中提出的基于改进蚁群算法的血管介入手术路径规划。该方法在综合考虑了导管的直径、血管的长度、最小直径、最大曲率和最大挠度的基础上，引入端节点因子，改进蚁群算法中的启发式函数和信息素更新机制最终得到全局最优的规划路径。此方法通常选择管径较大的血管进行手术而不会考虑其他更优的路径，往往会因为其算法的时间复杂度高，导致规划速度较慢且准确度不高的问题。同时这种路径规划在运行的时候无法在手术中对易出错的关键位置做出标注让医生或者机器人的控制策略加以重点关注。
技术实现思路
本申请提供了一种基于图搜索的介入手术路径规划方法、系统及电子设备，旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为了解决上述问题，本申请提供了如下技术方案：一种基于图搜索的介入手术路径规划方法，包括以下步骤：步骤a：获取血管的三维影像以及中心线数据；步骤b：基于所述血管的三维影像以及中心线数据，采用图论算法构建血管拓扑结构的全局图；步骤c：对所述全局图进行简化，得到基于全局图的稀疏图；步骤d：通过路径搜索算法对所述稀疏图进行路径搜索，得到介入起始点与目标位置之间的最优路径，将该最优路径作为血管介入手术路径。本申请实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤b中，所述采用图论算法构建血管拓扑结构的全局图具体包括：首先，基于血管三维影像建立血管拓扑结构分析，将血管结构的中心线表示成一系列带有位置坐标的点，将所述点按照位置关系分别顺序编号，构建一个n乘n的阵列，其中n表示从所述中心线提取的点的个数；其次，根据血管拓扑结构，用1和0表示所有点之间的连接关系，假设矩阵中的第x个点与第y个点相连，则在第x行、y列的数值以及第y行、x列的数值均为1，没有连接关系的位置的数值均为0，最终得到的阵列即为全局图。本申请实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤c中，所述对全局图进行简化，得到基于全局图的稀疏图具体包括：将所述全局图中的所有端点与分支点提取出来，并重新编号，形成一个m乘m的新的阵列，其中m表示提取的端点和分支点的个数；当一个节点在通过一段单支血管与下一个节点相连时，在稀疏图中的相应位置标记为1，在与所有其他不相邻的位置标记0，稀疏图中的索引为y，则y＝x-z，其中z为此节点之前所有在血管单支上除了端点与分支点以外的其余所有节点的个数。本申请实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤d中，所述通过路径搜索算法对稀疏图进行路径搜索具体为：先从血管结构的三维影像中得到介入起始点与目标位置；基于稀疏图，根据迪杰斯特拉算法从介入起始点开始分别对与所述介入起始点连接的各个节点进行权重的计算，在下一个点上计算与其相连的各个节点的权重，根据权重求出所有其他节点到介入起始点的最短距离，并据与稀疏图中节点间的连接关系，从介入起始点开始搜寻与其连接的最优点，再以所搜寻到的点作为新的起始点，搜寻与其连接的最优点，直到搜寻到目标位置的点为止，通过搜寻到的所有点即可得到介入起始点与目标位置之间的最优路径。本申请实施例采取的技术方案还包括：所述步骤d还包括：利用所述全局图计算出手术过程中所潜在的错误路径以及可能发生错误的区域，对错误路径和区域进行标记，在手术过程中判断导丝是否进入错误路径或区域，并在进入错误路径或区域时对医生进行提醒。本申请实施例采取的另一技术方案为：一种基于图搜索的介入手术路径规划系统，包括：数据获取模块：用于获取血管的三维影像以及中心线数据；图构建模块：用于基于所述血管的三维影像以及中心线数据，采用图论算法构建血管拓扑结构的全局图；图优化模块：用于对所述全局图进行简化，得到基于全局图的稀疏图；路径搜索模块：用于通过路径搜索算法对所述稀疏图进行路径搜索，得到介入起始点与目标位置之间的最优路径，将该最优路径作为血管介入手术路径。本申请实施例采取的技术方案还包括：所述图构建模块采用图论算法构建血管拓扑结构的全局图具体包括：首先，基于血管三维影像建立血管拓扑结构分析，将血管结构的中心线表示成一系列带有位置坐标的点，将所述点按照位置关系分别顺序编号，构建一个n乘n的阵列，其中n表示从所述中心线提取的点的个数；其次，根据血管拓扑结构，用1和0表示所有点之间的连接关系，假设矩阵中的第x个点与第y个点相连，则在第x行、y列的数值以及第y行、x列的数值均为1，没有连接关系的位置的数值均为0，最终得到的阵列即为全局图。本申请实施例采取的技术方案还包括：所述图优化模块对全局图进行简化，得到基于全局图的稀疏图具体包括：将所述全局图中的所有端点与分支点提取出来，并重新编号，形成一个m乘m的新的阵列，其中m表示提取的端点和分支点的个数；当一个节点在通过一段单支血管与下一个节点相连时，在稀疏图中的相应位置标记为1，在与所有其他不相邻的位置标记0，稀疏图中的索引为y，则y＝x-z，其中z为此节点之前所有在血管单支上除了端点与分支点以外的其余所有节点的个数。本申请实施例采取的技术方案还包括：所述路径搜索模块通过路径搜索算法对稀疏图进行路径搜索具体为：先从血管结构的三维影像中得到介入起始点与目标位置；基于稀疏图，根据迪杰斯特拉算法从介入起始点开始分别对与所述介入起始点连接的各个节点进行权重的计算，在下一个点上计算与其相连的各个节点的权重，根据权重求出所有其他节点到介入起始点的最短距离，并据与稀疏图中节点间的连接关系，从介入起始点开始搜寻本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于图搜索的介入手术路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤a：获取血管的三维影像以及中心线数据；/n步骤b：基于所述血管的三维影像以及中心线数据，采用图论算法构建血管拓扑结构的全局图；/n步骤c：对所述全局图进行简化，得到基于全局图的稀疏图；/n步骤d：通过路径搜索算法对所述稀疏图进行路径搜索，得到介入起始点与目标位置之间的最优路径，将该最优路径作为血管介入手术路径。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于图搜索的介入手术路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a：获取血管的三维影像以及中心线数据；
步骤b：基于所述血管的三维影像以及中心线数据，采用图论算法构建血管拓扑结构的全局图；
步骤c：对所述全局图进行简化，得到基于全局图的稀疏图；
步骤d：通过路径搜索算法对所述稀疏图进行路径搜索，得到介入起始点与目标位置之间的最优路径，将该最优路径作为血管介入手术路径。


2.根据权利要求1所述的基于图搜索的介入手术路径规划方法，其特征在于，在所述步骤b中，所述采用图论算法构建血管拓扑结构的全局图具体包括：首先，基于血管三维影像建立血管拓扑结构分析，将血管结构的中心线表示成一系列带有位置坐标的点，将所述点按照位置关系分别顺序编号，构建一个n乘n的阵列，其中n表示从所述中心线提取的点的个数；其次，根据血管拓扑结构，用1和0表示所有点之间的连接关系，假设矩阵中的第x个点与第y个点相连，则在第x行、y列的数值以及第y行、x列的数值均为1，没有连接关系的位置的数值均为0，最终得到的阵列即为全局图。


3.根据权利要求2所述的基于图搜索的介入手术路径规划方法，其特征在于，在所述步骤c中，所述对全局图进行简化，得到基于全局图的稀疏图具体包括：将所述全局图中的所有端点与分支点提取出来，并重新编号，形成一个m乘m的新的阵列，其中m表示提取的端点和分支点的个数；当一个节点在通过一段单支血管与下一个节点相连时，在稀疏图中的相应位置标记为1，在与所有其他不相邻的位置标记0，稀疏图中的索引为y，则y＝x-z，其中z为此节点之前所有在血管单支上除了端点与分支点以外的其余所有节点的个数。


4.根据权利要求1至3任一项所述的基于图搜索的介入手术路径规划方法，其特征在于，在所述步骤d中，所述通过路径搜索算法对稀疏图进行路径搜索具体为：先从血管结构的三维影像中得到介入起始点与目标位置；基于稀疏图，根据迪杰斯特拉算法从介入起始点开始分别对与所述介入起始点连接的各个节点进行权重的计算，在下一个点上计算与其相连的各个节点的权重，根据权重求出所有其他节点到介入起始点的最短距离，并据与稀疏图中节点间的连接关系，从介入起始点开始搜寻与其连接的最优点，再以所搜寻到的点作为新的起始点，搜寻与其连接的最优点，直到搜寻到目标位置的点为止，通过搜寻到的所有点即可得到介入起始点与目标位置之间的最优路径。


5.根据权利要求4所述的基于图搜索的介入手术路径规划方法，其特征在于，所述步骤d还包括：利用所述全局图计算出手术过程中所潜在的错误路径以及可能发生错误的区域，对错误路径和区域进行标记，在手术过程中判断导丝是否进入错误路径或区域，并在进入错误路径或区域时对医生进行提醒。


6.一种基于图搜索的介入手术路径规划系统，其特征在于，包括：
数据获取模块：用于获取血管的三维影像以及中心线数据；
图构建模块：用于基于所述血管的三维影像以及中心线数据，采用图论算法构建血管拓扑结构的全局图；
图优化模块：用于对所述全局图进行简化，得到基于全局图的稀疏图；
路径搜索模块：用于通过路径搜索算法对...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱瀚欣，王澄，李迟迟，周寿军，马雅，
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