[发明专利]一种基于弹簧质子模型的医学手术器械导丝的模拟方法

摘要

本发明提供了一种基于弹簧质子模型的医学手术器械导丝的模拟方法，包括四个步骤：建立导丝模型，将真实的导丝建立虚拟弹簧质点模型；对导丝运动过程的模拟，包括对导丝的推拉和旋转操作；实现导丝运动过程中自适应采样，达到在曲率大的血管弯曲处有更真实的模拟效果；实现导丝在复杂是虚拟手术环境中真实模拟，主要是实现与虚拟血管壁的碰撞与响应以及正确进入血管分支。本发明基于弹簧质点模拟，相比于有限元方法，具有实时性好，计算简单的特点。

主权项

一种基于弹簧质子模型的医学手术器械导丝的模拟方法，其特征在于包括四个步骤：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质点模型，根据给定的物理参数对质点之间建立弹簧模型；导丝由一系列点(X0，…，XN)通过固定长度为λ的弹簧连接；导丝的质量均匀的分给所有质点，导丝的尖端部分由前面的几个点(X0，...，Xtlength)表示，其余的点表示导丝的体部(X0，...，Xtlength)，这两个部分分开处理，在导丝的旋转操作会有不同；步骤(2)、对导丝运动过程的模拟: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更新位置的方法；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更新位置；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；具体为首先计算导丝的尖端(Tip)部分的最后一个点X4和体部(Body)的第一个点X5，他们之间的单位向量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t大小的距离，尖端平移后，体部的点依次更新位置从X5开始；具体为推操作时，当导丝进入血管长度大于导丝总长度的1/2时，在导丝末端动态添加一个点，在对导丝实行拉操作时，当导丝出血管的长度大于导丝总长度的1/2时，动态在导丝末端删除一个点；步骤(3)、导丝的碰撞检测和响应，在对导丝运动的模拟过程中，可能会发生与血管壁的碰撞，这时候需要对碰撞进行响应，防止发生渗透现象，达到更真实的模拟效果；导丝的碰撞检测是基于GPU的AABB包围盒的方法，在GPU上分别对导丝和血管壁创建AABB包围盒再通过三角形和直线相交的检测方法检测发生碰撞的点和发生碰撞的面片序号以及碰撞位置的坐标；一旦检测到发生碰撞，导丝必须移动来限制导丝保持在血管内部运动；对质点的力的限制操作出现在碰撞响应阶段，每次模拟循环都会对导丝施加四种力：外力，弹簧力，2D弯曲力，3D弯曲力；1)碰撞力是对导丝包围盒与血管壁三角形碰撞的反应，导丝在与血管壁发生碰撞时受到的力，并且会受到血管的摩擦力；2)弹簧力限制导丝的拉伸性，根据胡克定律得到；3)2D弯曲力目的是保持导丝体部为直的形状及导丝尖端的初始形状，其力学原理是基于胡克定律；4)3D弯曲力是对于外力施加到导丝尖端做出的响应，通常由于外力作用，导丝的尖端点可能出脱离原来的平面导致不是所有点在同一个平面的情况，对于导丝体部的点则没有这种考虑，因为能够向任意的方向移动；在真实情况中，导丝的尖端必须处于同一个平面内；而2D弯曲力只能保证导丝尖端点之间保持初始角度，但是不足以限制导丝尖端点处于同一个平面；所以在模拟中，为每个导丝尖端的点施加一个3D的力；步骤(4)、对导丝的自适应采样，在导丝模拟的最初通过反复的试验经验，给出导丝控制点之间的间隔大小，然而导丝在血管中运动时，需要动态检查是否需要对导丝进行自适应采样；如果导丝的曲率很大但是控制点之间的间隔不够小，以至于无法精确的表示导丝在血管中运动的状态，那么需要在相应的位置进行点的分裂操作，添加两个控制点以精确表示导丝；类似的，在导丝曲率很小但是控制点之间间隔不够大时而影响计算效率时，为了达到实时模拟，需要在相应位置将两个控制点合并成一个控制点。