[发明专利]一种支持个性化的经皮冠状动脉成形术模拟训练系统及方法

摘要

本发明提供一种支持个性化的经皮冠状动脉成形术模拟训练系统及方法，包括：个性化心血管建模、心脏与血管的变形、介入导丝或导管的运动模拟、虚拟X光成像以及力触觉反馈等功能，还可以模拟手术过程中的常见意外事故，比如导丝穿破血管等现象，并且所有的处理过程都可以在一台普通的个人计算机上达到实时交互的计算效率。在采集到病人的数据之后，可以高效地通过简单的交互操作，对病人的心血管进行个性化建模，然后导入到手术模拟系统当中，即可以进行手术过程的模拟排演。

主权项

一种支持个性化的经皮冠状动脉成形术模拟训练系统，其特征在于：包括个性化心血管建模模块、心脏与血管的变形模块、介入导丝或导管的模拟模块、虚拟X光成像模块以及力触觉反馈模块，其中：个性化心血管建模模块，从CTA数据中分割血管区域并构建血管模型；导入病人数据，通过交互操作，将人体的心脏分割出来，再剔除其余部分，仅剩下冠状动脉和心内的血管结构，在所述血管结构上，自动地提取血管的中心线，在血管中心线上进行采样得到一系列采样点，每个采样点对应一个以该采样点为中心的血管横截面，然后估计出血管在中心线上采样点对应各个位置的横截面的大小，最后通过放样得到的细化血管结构，将血管中心线上所有采样点对应的一系列二维血管横截面连接起来构成三维心血管模型，将得到的建模结果输入至心脏与血管的变形模块中构建心血管动态仿真模型；心脏与血管的变形模块，从MRI序列中获得心室跳动序列以驱动完整心脏模型跳动并带动个性化心血管建模模块得到的血管模型一起跳动，构造心血管动态仿真模型；由真实病患的心血管磁共振(cardiac magnetic resonance，CMR)图像精确分割、建模获得不同时刻下心室的三维重建图像，得到心室跳动序列；原始的心脏模型是基于三角面片的，为获得体积属性，需要将心脏的三角面片模型Delaunary三角剖分获得四面体模型，在四面体的顶点处放置填充球，填充球间使用抗弯、抗拉和抗扭的弹簧连接，将填充球模型和原心脏模型的表面顶点建立映射关系，填充球的运动带动表面顶点运动，将心脏完整模型建立与心室的对应关系，根据基于位置的动力学与心脏弹簧质子模型，利用心室的运动序列驱动心脏运动模拟心脏的周期性跳动，完成对完整心脏的动力学建模；建立完整心脏与个性化心血管建模模块得到的血管模型的顶点之间的对应关系，由心脏跳动带动血管模型一起运动，完成心血管动态仿真模型的构建；介入导丝或导管的模拟模块，模拟心血管介入手术中的导丝在血管中的前进后退、转弯以及旋转等不同的运动；将导丝或导管离散化为多个控制点，每个控制点建立一个局部的坐标系，然后采用Cosserat理论，根据导丝或导管的势能、动能以及能量耗散来描述导丝或导管运动，得到导丝或导管在心脏与血管的变形模块构造的动态心血管模型中的运动模拟过程；虚拟X光成像模块，根据X光片的成像原理，模拟病人胸腔的X光图像，展现X光下导丝或导管在动态心血管模型中运动过程；使用基于光线追踪算法的仿真方法，从X光光源到探测器每一个像素点发出射线，根据X光衰减规律计算X光通过心脏、血管及导丝等模型后得到的像素值，利用图像均匀性的Ray casting加速方法，实现仿真投影图像(digitally reconstructed radiograph,DRR)的实时生成；力触觉反馈模块，将导丝与血管碰撞产生的力，通过电机反馈给操作者；导丝在动态心血管模型中运动与血管发生碰撞产生摩擦力，计算碰撞力并通过硬件反馈给操作者。