專利名稱：房顫消融導(dǎo)管仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及房顫導(dǎo)管消融模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
心房顫動(dòng)(簡稱房顫)，是一種十分常見的心律失常疾病。房顫導(dǎo)管消融手術(shù)作為微創(chuàng)介入手術(shù)的一種，具有療效好、創(chuàng)傷小、恢復(fù)快、花費(fèi)少、住院時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。然而，介入治療手術(shù)過程極其復(fù)雜，醫(yī)生需要經(jīng)過大量的訓(xùn)練才能熟練掌握介入治療的技能；而且這種手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)性高，錯(cuò)誤操作導(dǎo)致的后果極為嚴(yán)重。運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)的房顫導(dǎo)管消融模擬訓(xùn)練系統(tǒng)可以為醫(yī)生提供手術(shù)操作過程的訓(xùn)練與教學(xué)，對(duì)消融導(dǎo)管的仿真是該模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)之一。 現(xiàn)有技術(shù)中與導(dǎo)管相關(guān)的仿真研究，如基于三維梁單元，采用增量有限元模型對(duì)導(dǎo)管/導(dǎo)絲的仿真，仿真效果較為真實(shí)，但過程復(fù)雜，計(jì)算速度慢。采用質(zhì)點(diǎn)-彈簧模型的仿真，速度較快?；贒iscrete Kirchhoff Rods理論,采用彈性桿模型,對(duì)于碰撞采取預(yù)判響應(yīng)，使得結(jié)果更加自然。將力學(xué)問題轉(zhuǎn)換為能量問題，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含內(nèi)部能量與外部碰撞引起的能量，導(dǎo)管移動(dòng)的方向?yàn)槭鼓芰口呌谧钚〉姆较?，仿真結(jié)果較為自然但整個(gè)能量松弛過程較慢。但是這些研究都是針對(duì)導(dǎo)管、導(dǎo)絲在血管介入領(lǐng)域的應(yīng)用情況。在房顫導(dǎo)管消融模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中，需要針對(duì)心臟介入手術(shù)的實(shí)際應(yīng)用情況鞘管從人體下腔靜脈進(jìn)入到右心房，然后通過房間隔進(jìn)入到左心房，導(dǎo)管沿著鞘管進(jìn)入到左心房，導(dǎo)管本身分成兩段，前端70mm是能夠彎曲的可彎部分，后面是導(dǎo)管的主體部分，總長約lm、直徑2. 33mm(7F)，在導(dǎo)管消融操作過程中導(dǎo)管有平移、旋轉(zhuǎn)和打彎操作，在該過程中導(dǎo)管變形機(jī)制更為復(fù)雜，且左心房為近似橢球的腔體，變形空間大，血管介入手術(shù)的導(dǎo)管仿真方法無法直接應(yīng)用到房顫消融導(dǎo)管仿真中。因此，需要根據(jù)房顫導(dǎo)管消融手術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)消融導(dǎo)管仿真技術(shù)進(jìn)行研發(fā)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種適用于在房顫導(dǎo)管消融模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中應(yīng)用的消融導(dǎo)管仿真方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種房顫消融導(dǎo)管仿真方法，其特征是它包括以下步驟步驟L建立導(dǎo)管可視模型消融導(dǎo)管是長約lm、直徑2. 33mm的醫(yī)用塑料導(dǎo)管，其中打彎段約70mm ;在計(jì)算機(jī)中采用三角面片面模型按照該尺寸表示虛擬導(dǎo)管，在導(dǎo)管面模型外面貼上體現(xiàn)實(shí)際導(dǎo)管各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)屬性紋理，使虛擬導(dǎo)管的視覺效果更加真實(shí)；步驟B.建立基于質(zhì)量-彈簧模型的導(dǎo)管計(jì)算模型采用離散化的改進(jìn)質(zhì)量-彈簧模型表示導(dǎo)管的計(jì)算模型，使所述導(dǎo)管可視模型根據(jù)該計(jì)算模型作相應(yīng)的可視顯示；該計(jì)算模型為為使打彎段打彎時(shí)能夠平滑過渡，導(dǎo)管前端打彎段由N個(gè)節(jié)點(diǎn)(Xtl, X1,…，XnJ組成；導(dǎo)管主體根據(jù)導(dǎo)管相對(duì)鞘管伸出的長度由可變數(shù)量的節(jié)點(diǎn)組成；導(dǎo)管主體初始節(jié)點(diǎn)數(shù)為不超過L/λ.的整數(shù)M，其中為鞘管的長度，Afflax為導(dǎo)管節(jié)點(diǎn)之間完全伸展開后的最大距離；這兩部分節(jié)點(diǎn)及兩個(gè)部分內(nèi)部節(jié)點(diǎn)之間連接著一個(gè)長度為λ的彈簧，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)彎曲法向量e及彎曲角度Θ，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管的變形計(jì)算；步驟C.導(dǎo)管平移的仿真當(dāng)導(dǎo)管沒有伸出鞘管前端之前，導(dǎo)管默認(rèn)位置為導(dǎo)管前端可彎部分具有N個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間的距離為O. 2mm;當(dāng)導(dǎo)管向前平移并伸出鞘管時(shí)，導(dǎo)管節(jié)點(diǎn)數(shù)不變，同時(shí)均衡增加前端可彎部分各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離；當(dāng)前端可彎部分節(jié)點(diǎn)之間的距離均達(dá)到最大值λ _時(shí)，導(dǎo)管再繼續(xù)平移前進(jìn)時(shí)，檢查導(dǎo)管主體部分節(jié)點(diǎn)之間的距離是否有小于λ max的，如果存在，增加該節(jié)點(diǎn)之間的距離直到達(dá)到λ _，如果不存在這樣的節(jié)點(diǎn)或繼續(xù)平移前進(jìn)時(shí)，增加導(dǎo)管主體部分的節(jié)點(diǎn)，并增長節(jié)點(diǎn)之間的距離直到最大值，以此類推進(jìn)行下去；當(dāng)導(dǎo)管向后撤時(shí)，與此前的增長過程相反，先縮小導(dǎo)管主體末端節(jié)點(diǎn)之間的距離，當(dāng)距離達(dá)到一個(gè)最小設(shè)定的閾值時(shí)減少導(dǎo)管主體的節(jié)點(diǎn)數(shù)，重復(fù)該過程，直到主體節(jié)點(diǎn)數(shù)減到Μ，再繼續(xù)后撤時(shí)，同時(shí)均衡縮短前端可彎部分各節(jié)點(diǎn)之間的距離，直到節(jié)點(diǎn)之間的距離為O. 2mm ；步驟D.導(dǎo)管旋轉(zhuǎn)的仿真旋轉(zhuǎn)包括順時(shí)針旋轉(zhuǎn)和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程導(dǎo)管彎曲角度Θ不發(fā)生變化，而位置與法向量均繞主軸旋轉(zhuǎn)；以節(jié)點(diǎn)xi+1繞軸Xp1Xi旋轉(zhuǎn)S i度為例說明彎曲角度θ i保持不變，法向量ei、Xi+1均繞軸U旋轉(zhuǎn)，得到新的法向量e' i、X' i+1 ;旋轉(zhuǎn)過程可用公式表示
權(quán)利要求
1.一種房顫消融導(dǎo)管仿真方法，其特征是它包括以下步驟 步驟A.建立導(dǎo)管可視模型 消融導(dǎo)管是長約lm、直徑2. 33mm的醫(yī)用塑料導(dǎo)管，其中打彎段約70_ ;在計(jì)算機(jī)中采用三角面片面模型按照該尺寸表示虛擬導(dǎo)管，在導(dǎo)管面模型外面貼上體現(xiàn)實(shí)際導(dǎo)管各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)屬性紋理，使虛擬導(dǎo)管的視覺效果更加真實(shí)； 步驟B.建立基于質(zhì)量-彈簧模型的導(dǎo)管計(jì)算模型 采用離散化的改進(jìn)質(zhì)量-彈簧模型表示導(dǎo)管的計(jì)算模型，使所述導(dǎo)管可視模型根據(jù)該計(jì)算模型作相應(yīng)的可視顯示；該計(jì)算模型為為使打彎段打彎時(shí)能夠平滑過渡，導(dǎo)管前端打彎段由N個(gè)節(jié)點(diǎn)(Xtl, X1,…，XnJ組成；導(dǎo)管主體根據(jù)導(dǎo)管相對(duì)鞘管伸出的長度由可變數(shù)量的節(jié)點(diǎn)組成；導(dǎo)管主體初始節(jié)點(diǎn)數(shù)為不超過L/λ _的整數(shù)Μ，其中為鞘管的長度，λ_為導(dǎo)管節(jié)點(diǎn)之間完全伸展開后的最大距離；這兩部分節(jié)點(diǎn)及兩個(gè)部分內(nèi)部節(jié)點(diǎn)之間連接著ー個(gè)長度為λ的彈簧，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含ー個(gè)彎曲法向量e及彎曲角度Θ，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管的變形計(jì)算； 步驟C.導(dǎo)管平移的仿真 當(dāng)導(dǎo)管沒有伸出鞘管前端之前，導(dǎo)管默認(rèn)位置為導(dǎo)管前端可彎部分具有N個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間的距離為O. 2mm ;當(dāng)導(dǎo)管向前平移井伸出鞘管吋，導(dǎo)管節(jié)點(diǎn)數(shù)不變，同時(shí)均衡増加前端可彎部分各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離；當(dāng)前端可彎部分節(jié)點(diǎn)之間的距離均達(dá)到最大值吋，導(dǎo)管再繼續(xù)平移前進(jìn)時(shí)，檢查導(dǎo)管主體部分節(jié)點(diǎn)之間的距離是否有小于λ _的，如果存在，増加該節(jié)點(diǎn)之間的距離直到達(dá)到λ _，如果不存在這樣的節(jié)點(diǎn)或繼續(xù)平移前進(jìn)時(shí)，増加導(dǎo)管主體部分的節(jié)點(diǎn)，并增長節(jié)點(diǎn)之間的距離直到最大值，以此類推進(jìn)行下去； 當(dāng)導(dǎo)管向后撤時(shí)，與此前的增長過程相反，先縮小導(dǎo)管主體末端節(jié)點(diǎn)之間的距離，當(dāng)距離達(dá)到ー個(gè)最小設(shè)定的閾值時(shí)減少導(dǎo)管主體的節(jié)點(diǎn)數(shù)，重復(fù)該過程，直到主體節(jié)點(diǎn)數(shù)減到Μ，再繼續(xù)后撤時(shí)，同時(shí)均衡縮短前端可彎部分各節(jié)點(diǎn)之間的距離，直到節(jié)點(diǎn)之間的距離為O.2mm ； 步驟D.導(dǎo)管旋轉(zhuǎn)的仿真 旋轉(zhuǎn)包括順時(shí)針旋轉(zhuǎn)和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程導(dǎo)管彎曲角度Θ不發(fā)生變化，而位置與法向量均繞主軸旋轉(zhuǎn)；以節(jié)點(diǎn)Xi+1繞軸Xi-Ji旋轉(zhuǎn)S i度為例說明彎曲角度Θ i保持不變，法向量ei、Xi+1均繞軸I1Xi旋轉(zhuǎn)，得到新的法向量e' pX' i+1 ;旋轉(zhuǎn)過程可用公式表示
全文摘要
本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及房顫導(dǎo)管消融模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。其技術(shù)方案是一種房顫消融導(dǎo)管仿真方法，包括以下步驟步驟A.建立導(dǎo)管可視模型；步驟B.建立基于質(zhì)量-彈簧模型的導(dǎo)管計(jì)算模型；步驟C.導(dǎo)管平移的仿真；步驟D.導(dǎo)管旋轉(zhuǎn)的仿真；步驟E.導(dǎo)管打彎/松彎的仿真。本發(fā)明可以在房顫導(dǎo)管消融模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中對(duì)消融導(dǎo)管做逼真的可視及運(yùn)動(dòng)仿真，并具有計(jì)算速度快的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102663158SQ20121006532
公開日2012年9月12日 申請日期2012年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月14日
發(fā)明者張炎, 晁建剛, 杜芳, 湯日波, 熊穎, 王金坤, 董建增, 陳學(xué)文, 馬長生, 黃鵬 申請人:中國航天員科研訓(xùn)練中心, 首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安貞醫(yī)院