血管介入手术的增强现实辅助方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种血管介入手术的增强现实辅助方法。在术前，将病患的体数据与模板人体模型进行非刚性匹配，得到病患的静态人体模型，所述模板人体模型包含人体表面三维网格模型以及嵌入在人体表面内的血管几何三维网格模型；在术中，实时获取病患的血管造影图像P及人体表面深度图像，并计算血管造影图像P到静态人体模型的配准变换函数f1以及静态人体模型到人体表面深度图像的配准变换函数f2，然后将血管造影图像P通过映射f2(f1(P))变换后投影至病患身体上，获得与三维物理空间一致且包含导丝导管位置和血管几何信息的血管造影图像三维投影。本发明专利技术还公开了一种血管介入手术的增强现实辅助装置。本发明专利技术可将病患二维CT数据实时投射至三维实体空间中。据实时投射至三维实体空间中。据实时投射至三维实体空间中。

【技术实现步骤摘要】
血管介入手术的增强现实辅助方法及装置


[0001]本专利技术涉及一种医学增强现实辅助技术，具体涉及一种血管介入手术的增强现实辅助方法。

技术介绍

[0002]血管介入手术是治疗心血管疾病的微创手术，在医学影像的辅助下，通过在血管中递入导丝导管，完成血管支架放入等不同操作。血管介入手术中，医生需要时刻知道导丝导管递送的状态。现有技术使用血管造影及CT扫描，医生通过观察二维屏幕上的医学影像，结合解剖学先验知识判断导丝导管的位置。
[0003]现有技术中存在一些基于增强现实技术的手术辅助方案可用于血管介入手术。然而现有手术导航中的增强现实依然多在二维显示器上进行展示无法保证与真实场景的无缝融合。使用此类方法医生需要在脑中完成从二维CT数据到三维空间再到病患所处位置的映射，影像展示效果不直观，医生记忆负担较重，对医生手术操作需要高度集中注意力，从而也带来了一定的手术风险。另一方面，现有技术使用商用的头戴式增强现实眼镜存在着视野小的问题，在增加了医生在手术中的负担的同时，也难以保证医生及助手实时准确地共享展示的虚拟数据。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种血管介入手术的增强现实辅助方法，可将病患二维CT数据准确且实时地投射至三维实体空间中病患身体上，在病患身体上展示血管几何及介入手术中导丝导管递送过程，医生可在真实物理空间内实时观察导丝导管递送的透视效果，通过就地观察介入手术进程以更好的控制导丝导管的递入过程。
[0005]本专利技术具体采用以下技术方案：一种血管介入手术的增强现实辅助方法，在术前，将病患的体数据与模板人体模型进行非刚性匹配，得到病患的静态人体模型，所述模板人体模型包含人体表面三维网格模型以及嵌入在人体表面内的血管几何三维网格模型；在术中，实时获取病患的血管造影图像P及人体表面深度图像，并计算血管造影图像P到静态人体模型的配准变换函数f1以及静态人体模型到人体表面深度图像的配准变换函数f2，然后将血管造影图像P通过映射f2(f1(P))变换后投影至病患身体上，获得与三维物理空间一致且包含导丝导管位置和血管几何信息的血管造影图像三维投影。
[0006]优选地，所述配准变换函数f1是基于血管骨架的先验知识，使用基于模拟退火的随机采样算法计算得到。
[0007]进一步优选地，所述基于模拟退火的随机采样算法中的配准打分函数设置如下：以图像中心的骨架分支点为根结点，建立树结构T；对血管造影图像P中的树结构
与静态人体模型中树结构进行树结构匹配搜索，在上一时刻的静态人体模型附近搜索分支点x，遍历其骨架图上的邻居节点，形成树结构T
’
；在T
’
中寻找子树与血管造影图像P中获得的树结构进行匹配，若不存在匹配，则配准分数S设置为0；如匹配，则以各分支点之间的坐标差求和的倒数作为配准分数S。
[0008]进一步优选地，所述基于模拟退火的随机采样算法的搜索方案设置如下：初始化时，在导丝导管递入初始位置附近进行随机采样；初始化之后的配准中，以上一时刻所计算的配准变化f1
’
为参考值，使用对变换f1
’
进行随机扰动获得随机采样的配准变换。
[0009]更进一步优选地，扰动中分别对变换f1
’
的平移和旋转加上服从高斯分布的噪声，高斯分布的标准差随着模拟退火中温度的降低而变小。
[0010]进一步地，所述血管介入手术的增强现实辅助方法还包括：在术中，根据导丝导管位置和血管几何信息实时计算导丝导管前端处的血流流量、血压，并将其映射成颜色展示在骨架上，从而得到仿真分析数据；然后使用配准变换函数f2将所述仿真分析数据变换后投影至病患身体上，获得与三维物理空间一致的仿真分析结果投影。
[0011]优选地，血流流量、血压的计算方法具体如下：根据导丝导管位置和血管几何信息构建血管骨架树(V,E)，其中V为血管骨架树上的顶点集合，E为血管骨架树上顶点的连接边集合；对于每条骨架树上的边e={vi, vj}，其中vi，vj是边e的两个顶点，根据Poiseuille模型建立vi、vj处流量Q
e
与血压ΔP
e
变化的线性关系Q
e
=k
e
ΔP
e
，其中系数k
e
是与血管半径相关的常数；然后根据血管树的邻接关系，以心脏血压为边界条件，综合每条边上的线性方程，加入分叉点处流量流入流出值相等的线性方程，形成线性方程组；最后通过求解此线性方程组实时获得各血管处的血压分布及血流流量。
[0012]优选地，通过透明度设置将仿真分析结果投影与血管造影图像三维投影叠加显示。
[0013]基于同一专利技术构思还可以得到以下技术方案：一种血管介入手术的增强现实辅助装置，包括：造影模块，用于在术中实时获取病患的血管造影图像P；人体几何采集模块，用于在术中实时获取病患的人体表面深度图像；配准模块，用于在术中实时计算血管造影图像P到静态人体模型的配准变换函数f1以及静态人体模型到人体表面深度图像的配准变换函数f2；所述静态人体模型是通过在术前将病患的体数据与模板人体模型进行非刚性匹配得到，所述模板人体模型包含人体表面三维网格模型以及嵌入在人体表面内的血管几何三维网格模型；投影模块，用于将血管造影图像P通过映射f2(f1(P))变换后投影至病患身体上，获得与三维物理空间一致且包含导丝导管位置和血管几何信息的血管造影图像三维投影。
[0014]优选地，所述配准变换函数f1是基于血管骨架的先验知识，使用基于模拟退火的随机采样算法计算得到。
[0015]进一步优选地，所述基于模拟退火的随机采样算法中的配准打分函数设置如下：以图像中心的骨架分支点为根结点，建立树结构T；对血管造影图像P中的树结构与静态人体模型中树结构进行树结构匹配搜索，在上一时刻的静态人体模型附近搜索分支点x，遍历其骨架图上的邻居节点，形成树结构T
’
；在T
’
中寻找子树与血管造影图像P中获得的树结构进行匹配，若不存在匹配，则配准分数S设置为0；如匹配，则以各分支点之间的坐
标差求和的倒数作为配准分数S。
[0016]进一步优选地，所述基于模拟退火的随机采样算法的搜索方案设置如下：初始化时，在导丝导管递入初始位置附近进行随机采样；初始化之后的配准中，以上一时刻所计算的配准变化f1
’
为参考值，使用对变换f1
’
进行随机扰动获得随机采样的配准变换。
[0017]更进一步优选地，扰动中分别对变换f1
’
的平移和旋转加上服从高斯分布的噪声，高斯分布的标准差随着模拟退火中温度的降低而变小。
[0018]进一步地，所述血管介入手术的增强现实辅助装置还包括仿真分析模块，用于在术中根据导丝导管位置和血管几何信息实时计算导丝导管前端处的血流流量、血压，并将其映射成颜色展示在骨架上，从而得到仿真分析数据；所述投影模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种血管介入手术的增强现实辅助方法，其特征在于，在术前，将病患的体数据与模板人体模型进行非刚性匹配，得到病患的静态人体模型，所述模板人体模型包含人体表面三维网格模型以及嵌入在人体表面内的血管几何三维网格模型；在术中，实时获取病患的血管造影图像P及人体表面深度图像，并计算血管造影图像P到静态人体模型的配准变换函数f1以及静态人体模型到人体表面深度图像的配准变换函数f2，然后将血管造影图像P通过映射f2(f1(P))变换后投影至病患身体上，获得与三维物理空间一致且包含导丝导管位置和血管几何信息的血管造影图像三维投影。2.如权利要求1所述血管介入手术的增强现实辅助方法，其特征在于，所述配准变换函数f1是基于血管骨架的先验知识，使用基于模拟退火的随机采样算法计算得到。3.如权利要求2所述血管介入手术的增强现实辅助方法，其特征在于，所述基于模拟退火的随机采样算法中的配准打分函数设置如下：以图像中心的骨架分支点为根结点，建立树结构T；对血管造影图像P中的树结构与静态人体模型中树结构进行树结构匹配搜索，在上一时刻的静态人体模型附近搜索分支点x，遍历其骨架图上的邻居节点，形成树结构T
’
；在T
’
中寻找子树与血管造影图像P中获得的树结构进行匹配，若不存在匹配，则配准分数S设置为0；如匹配，则以各分支点之间的坐标差求和的倒数作为配准分数S。4.如权利要求2所述血管介入手术的增强现实辅助方法，其特征在于，所述基于模拟退火的随机采样算法的搜索方案设置如下：初始化时，在导丝导管递入初始位置附近进行随机采样；初始化之后的配准中，以上一时刻所计算的配准变化f1
’
为参考值，使用对变换f1
’
进行随机扰动获得随机采样的配准变换。5.如权利要求4所述血管介入手术的增强现实辅助方法，其特征在于，扰动中分别对变换f1
’
的平移和旋转加上服从高斯分布的噪声，高斯分布的标准差随着模拟退火中温度的降低而变小。6.如权利要求1～5任一项所述血管介入手术的增强现实辅助方法，其特征在于，还包括：在术中，根据导丝导管位置和血管几何信息实时计算导丝导管前端处的血流流量、血压，并将其映射成颜色展示在骨架上，从而得到仿真分析数据；然后使用配准变换函数f2将所述仿真分析数据变换后投影至病患身体上，获得与三维物理空间一致的仿真分析结果投影。7.如权利要求6所述血管介入手术的增强现实辅助方法，其特征在于，血流流量、血压的计算方法具体如下：根据导丝导管位置和血管几何信息构建血管骨架树(V,E)，其中V为血管骨架树上的顶点集合，E为血管骨架树上顶点的连接边集合；对于每条骨架树上的边e={vi, vj}，其中vi，vj是边e的两个顶点，根据Poiseuille模型建立vi、vj处流量Q
e
与血压ΔP
e
变化的线性关系Q
e
=k
e
ΔP
e
，其中系数k
e
是与血管半径相关的常数；然后根据血管树的邻接关系，以心脏血压为边界条件，综合每条边上的线性方程，加入分叉点处流量流入流出值相等的线性方程，形成线性方程组；最后通过求解此线性方程组实时获得各血管处的血压分布及血流流量。8.如权利要求6所述血管介入手术的增强现实辅助方法，其特征在于，通过透明度设置将仿真分析结果投影与血管造影图像三维投影叠加显示。
9.一种血管介入手术的增强现实辅助装置，其特征在于，包括：造影模块，用于在术中实时获取...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏薇薇，朱利丰，杨世伟，殷杰，贾占军，张爱华，黄松明，陈红兵，李袁媛，王倩，
申请(专利权)人：南京市儿童医院，
类型：发明
国别省市：