[发明专利]一种机器人辅助心血管介入手术中的安全防护方法

说明书

技术领域

本发明涉及手术导航技术，尤其是涉及一种机器人辅助心血管介入手术中的安全防护方法，直接目的不是获得诊断结果或健康状况，而只是从活的人体或动物体获取作为中间结果的处理方法。

背景技术

随着人类生活水平提高、生活和饮食习惯改变等因素，心血管疾病(Cardiovascular Disease，CVD)的发病率连年攀升，已然构成我国居民死亡率的主要因素。据《中国心血管病报告2015》统计数据显示，近十年来，心血管疾病的发病率同比增长70％。心血管疾病的发病因素复杂多变，包括传统的家族史、吸烟、高血压等因素，潜在的肥胖，糖代谢异常等因素，以及其他社会/经济心理因素，因此很难从发病成因上来控制CVD的增长趋势。近年来,伴随计算机、影像学等技术在医学领域的获得了广泛应用，图像引导下的心血管介入手术因其定位准确、创伤性小、术中风险低等彻底解决了传统的药物治疗和开胸手术带来的隐患，并逐步替代传统的开放性手术，为心血管疾病患者带来了更多的福音。然而，传统的血管介入手术中存在x-射线辐射量大、介入历时较长导致医生的疲劳作业等问题，机器人辅助手术通过机械臂远程操作介入器械，从而大大改善这一现状。因此，在失去直接力反馈的情况下，对血管壁及其他软组织的安全防护是十分必要的。

经过对现有技术的检索发现，张磊在《血管微创介入手术导航系统技术研究》论文中介绍了介入手术中导航路径算法，为医生提供可靠的路径引导，避免医生由于术中图像缺乏充足的三维立体信息而对导管进行错误并重复的操作。周圆圆在《主动导管图像引导技术研究中》论文中基于三维血管模型中心线上，构建导管与血管模型的碰撞检测对，能够反馈介入过程中导管前端与血管壁之间相对位置的信息。针对机器人辅助的介入手术，国内外依然没有一个成熟的通过建立导丝与血管壁之间的防护模型，来达到对血管壁及其他软组织进行安全防护目的的研究。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种机器人辅助心血管介入手术中的安全防护方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种机器人辅助心血管介入手术中的安全防护方法，包括以下步骤：

1)从人体腹部CT图像中分割出目标血管并采用三角形表面网格对血管进行几何建模；

2)基于Voronoi图半自动提取血管的中心线，获得离散的中心点及各个位置半径，并计算血管各个位置点的曲率并进行归一化；

3)依据血管曲率及半径信息，对其内区域进行动态划分，建立机器人辅助心血管介入手术中初级安全防护措施；

4)借助电磁跟踪仪实时追踪导丝前端的位置并采取cardinal样条曲线进行插值重建，建立导丝的几何模型；

5)根据中心线信息，计算出手术路径下血管的拐点及分支，并对导丝推进速度及角度进行动态约束；

6)采取基于k_dops的碰撞检测方法对导丝和血管壁进行碰撞检测；

7)根据碰撞检测结果，预测碰撞响应，判断导丝与血管壁之间发生碰撞的有效性及安全性，建立机器人辅助心血管介入手术中的精准安全防护。

所述的步骤2)基于Voronoi图半自动提取血管的中心线，获得离散的中心点及各个位置半径，并计算血管各个位置点的曲率并进行归一化具体为：

21)首先在分割的目标血管上手动选择入口点及出口点，自动计算出血管各个位置的中心点、半径及分支点；

22)根据各个位置的中心点，采取离散后的空间曲线曲率计算公式可得：

其中，p(k)＝(x(k),y(k),z(k))为空间中任意一点的位置坐标；

23)对22)中曲率进行高斯平滑，并采取如下公式对曲率值进行归一化：

其中C_max、C_min分别为曲率的最大值、最小值。

所述的步骤3)依据血管曲率及半径信息，对其内区域进行动态划分，建立机器人辅助心血管介入手术中初级安全防护措施具体为：

31)根据曲率及半径信息，采取曲率加权的方式，动态得将血管划分为安全区、警告区、危险区；

32)针对导丝前端进入不同区域，分别采取相应措施。

所述的步骤31)根据曲率及半径信息，采取曲率加权的方式，动态得将血管划分为安全区、警告区、危险区具体为：

安全区：

警告区：

危险区：