[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明涉及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，该模拟方法主要应用于对冠状动脉虚拟手术训练系统中，训练者可以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。

背景技术

心血管疾病，又称为循环系统疾病，是一系列涉及循环系统的疾病(循环系统指人体内运送血液的器官和组织，主要包括心脏、血管)，可以细分为急性和慢性，一般都是与动脉硬化有关。目前世界范围内，有心血管以及相关疾病的人口占世界人口的1/4，因此，心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，InterventionalRadiology)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心血管病患者最有效、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以及熟练的操作技术。

所有仿射的培训的基础目的都是培养操作核心仪器的能力。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，在荧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。对于这样的模拟算法，真实性和速度要求都非常重要。

发明内容

本发明解决的技术问题是：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。

本发明采用的技术方案为：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；

根据导丝的物理特征，医学导丝可以被看作易弯曲、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以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，本发明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，段间通过可以弯曲的链接点相连。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以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，以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，所以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，将尖端点沿着这个方向平移输入值大小的距离，解算这个链甲模型元素，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，事先设定一个阈值，当血管末端的导丝元素大于阈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1/2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，少于设定的阈值，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。