CN106067269A - 虚拟心血管介入手术培训系统中反馈力的确定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟心血管介入手术培训系统中反馈力的确定方法及系统。其中，该方法包括确定导丝位移轨迹线段以及血管四面体网格内部元素拓扑信息和血管内壁三角面片与空间包围盒关联信息；基于该结果，检测导丝与血管之间是否发生碰撞；在导丝与血管之间发生碰撞的情况下，确定碰撞点坐标及导丝节点的力觉交互设备点坐标；根据碰撞点坐标及导丝节点的力觉交互设备点坐标，确定导丝与血管间的虚拟反馈力。通过本发明实施例解决了如何实时、精确地确定导丝‑血管间反馈力的技术问题。

Description

虚拟心血管介入手术培训系统中反馈力的确定方法及系统

技术领域

本发明实施例涉及心血管介入技术领域，具体涉及一种虚拟心血管介入手术培训系统中反馈力的确定方法及系统。

背景技术

据世界卫生组织调查统计，心血管疾病是人类疾病死亡的第一“杀手”，我国每年死于这类疾病的患者有300多万。积极开展心血管介入手术可明显降低死亡率和病残率。心血管介入手术流程为：医生在病人的股动脉切一个小口，然后将导丝插入血管，在数字减影血管造影成像系统(Digital Subtraction Angiography简称DSA)的导引下，操控导丝在人体血管内运动，对病灶进行治疗，达到栓塞畸形血管、溶解血栓、扩张狭窄血管等目的。

对于微创心血管介入手术，医生操控导丝的技能是手术质量和成功与否的关键。例如，如果医生不能控制导丝头部到达病灶点，就无法进行后续放置支架和球囊的操作；如果介入手术操作中导致血管发生破裂，将会产生灾难性的后果。因此，对血管介入手术临床医生的技能培训变得十分重要。目前，血管介入手术技能训练主要可分为：动物实验、模型训练和临床操作三种。但是，上述三种方法都存在局限性。首先，动物实验价格昂贵，导致培训成本较高；其次，血管模型和人体血管组织差异较大，训练的真实感和有效性无法令人满意；最后，在病人身上进行临床操作的训练方式风险较大，并且受训者还要受到长时间射线的辐射，随着医疗制度的完善和技术进步，这种方式将逐渐被淘汰。

将虚拟现实技术引入血管介入手术培训可解决上述问题。虚拟心血管介入手术培训系统具有如下三个优点：(1)受训者可针对特定手术部位反复练习，直到对训练效果满意，由此大大降低了手术培训成本；(2)在虚拟血管介入手术培训系统中可创建和人体血管完全相同的模型，极大地提升了手术培训的真实感；(3)手术训练可以在无射线的环境下进行，避免临床操作培训中对受训者的射线辐射。

为了增强虚拟血管介入手术培训系统的真实性，受训者在感受到仿真系统中导丝和血管之间的作用力应该和真实手术中保持一致。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明实施例的主要目的在于提供一种虚拟心血管介入手术培训系统中反馈力的确定方法，其至少部分地解决了如何实时、精确地确定导丝-血管间反馈力的技术问题。此外，还提供一种虚拟心血管介入手术培训系统中反馈力的确定系统。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了以下技术方案：

一种虚拟心血管介入手术培训系统中反馈力的确定方法，所述方法可以包括：

步骤1：确定导丝位移轨迹线段以及血管四面体网格内部元素拓扑信息和血管内壁三角面片与空间包围盒关联信息；

步骤2：基于步骤1的结果，检测所述导丝与所述血管之间是否发生碰撞；

步骤3：在所述导丝与所述血管之间发生碰撞的情况下，确定碰撞点坐标及导丝节点的力觉交互设备点坐标；

步骤4：根据所述碰撞点坐标及所述导丝节点的力觉交互设备点坐标，确定所述导丝与所述血管间的反馈力。

优选地，所述确定导丝位移轨迹线段具体可以包括：

将所述导丝离散为N个节点，其中，所述N取正整数；

通过距离固定、不可压缩和伸张的线段，来连接相邻节点；

在每一节点处建立节点坐标系；

通过力觉交互设备确定所述导丝的位移轨迹线段；

所述确定血管四面体网格内部元素拓扑信息具体可以包括：

建立几何元素的相邻关联几何元素集合，其中，所述几何元素包括顶点、棱边和三角面片；

所述确定血管内壁三角面片与空间包围盒关联信息具体可以包括：

采用空间分解法对所述心血管介入手术中涉及的股动脉、腹主动脉、冠状动脉和颈动脉血管模型所占据的空间进行逐层分解；

对分解后的血管模型的各个分支进行编号；

采用方向包围盒的方法确定分解后的血管模型片段的空间坐标范围，并对所有子包围盒建立一维索引；

针对所述血管模型内壁上的三角面片，根据顶点三维坐标范围对所述所有子包围盒进行遍历；

根据所述包围盒及所述三角面片的坐标信息，判断所述血管模型内壁上的三角面片是否和所述包围盒相关联；

若相关联，则将所述三角面片加入到所述包围盒相关联的三角面片集合中。

优选地，所述检测所述导丝与所述血管之间是否发生碰撞具体可以包括：

根据所述导丝的空间坐标确定与所述子包围盒相关联的三角面片集合；

检测所述导丝位移轨迹线段是否与所述子包围盒相交；

在所述导丝位移轨迹线段与所述子包围盒相交的情况下，对所述与子包围盒相关联的三角面片集合内的三角面片进行遍历；

检测所述导丝位移轨迹线段是否与所述三角面片相交；

在所述导丝位移轨迹线段与所述三角面片相交的情况下，确定所述导丝与所述血管之间发生碰撞。

优选地，所述在所述导丝与所述血管之间发生碰撞的情况下，确定碰撞点坐标及导丝节点的力觉交互设备点坐标，具体可以包括：

利用重心坐标法确定所述碰撞点坐标及所述导丝节点的力觉交互设备点坐标。

优选地，所述根据所述碰撞点坐标及所述导丝节点的力觉交互设备点坐标，确定所述导丝与所述血管间的反馈力，具体可以包括：

根据所述血管四面体网格内部元素拓扑信息和所述血管内壁三角面片与空间包围盒关联信息，确定活动约束元素；

基于所述碰撞点坐标及所述导丝节点HIP位置坐标以及所述活动约束元素，计算血管壁对所述导丝的约束力，并将所述约束力在节点坐标系的坐标轴上进行分解；

基于分解后的约束力，利用对分法，迭代求解导丝弯曲力和血管变形力平衡时所述导丝的弯曲角度；

根据所述导丝弯曲力和所述血管变形力平衡时导丝的弯曲角度，确定所述碰撞点处的仿真交互力；

对所有碰撞点处的仿真交互力进行矢量叠加，得到所述导丝与所述血管间的反馈力。

优选地，所述根据所述导丝弯曲力和所述血管变形力平衡时导丝的弯曲角度，确定所述碰撞点处的仿真交互力，具体可以包括：

将所述导丝弯曲力在所述导丝的节点坐标系上分解为一平面内的力及沿一坐标轴的力，其中，所述平面与所述坐标轴垂直；

根据所述血管变形力平衡时导丝的弯曲角度、所述导丝的弯曲常数以及导丝相邻节点间的长度，来确定所述平面内的力及所述沿一坐标轴的力；

基于所述平面内的力及所述沿一坐标轴的力并结合摩擦系数，确定所述碰撞点处的仿真交互力。

为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，还提供了一种虚拟心血管介入手术培训系统中反馈力的确定系统，所述反馈力的确定系统可以包括：

第一确定模块，被配置为确定导丝位移轨迹线段以及血管四面体网格内部元素拓扑信息和血管内壁三角面片与空间包围盒关联信息；

检测模块，被配置为基于所述第一确定模块的确定结果，检测所述导丝与所述血管之间是否发生碰撞；

第二确定模块，被配置为在所述导丝与所述血管之间发生碰撞的情况下，确定碰撞点坐标及导丝节点的力觉交互设备点坐标；

第三确定模块，被配置为根据所述碰撞点坐标及所述导丝节点的力觉交互设备点坐标，确定所述导丝与所述血管间的反馈力。

与现有技术相比，上述技术方案至少具有以下有益效果：

本发明实施例通过先确定导丝位移轨迹线段以及血管四面体网格内部元素拓扑信息和血管内壁三角面片与空间包围盒关联信息；然后基于该结果，检测导丝与血管之间是否发生碰撞；在导丝与血管之间发生碰撞的情况下，确定碰撞点坐标及导丝节点的力觉交互设备点坐标；最后，根据碰撞点坐标及导丝节点的力觉交互设备点坐标，确定导丝与血管间的虚拟反馈力。从而，实现了实时、精确地确定导丝-血管间反馈力的技术效果，增强了虚拟血管介入手术培训系统的真实性，可使受训者感受到的仿真系统中导丝和血管之间的作用力和真实手术中的相一致。

当然，实施本发明的任一产品不一定需要同时实现以上所述的所有优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其它优点可通过在所写的说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的方法来实现和获得。

附图说明

附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1为根据一示例性实施例示出的虚拟心血管介入手术培训系统中反馈力的确定方法的流程示意图；

图2为根据另一示例性实施例示出的导丝建模示意图；

图3为根据一示例性实施例示出的血管建模示意图；

图4a为根据一示例性实施例示出的顶点相邻关联几何元素集合示意图；

图4b为根据一示例性实施例示出的边相邻关联几何元素集合示意图；

图4c为根据一示例性实施例示出的三角面片相邻关联几何元素集合示意图；

图5为根据一示例性实施例示出的对血管分支进行编号的示意图；

图6a为根据一示例性实施例示出的三角面片完全处于包围盒内的示意图；

图6b为根据一示例性实施例示出的三角面片大部分处在包围盒内的示意图；

图6c为根据一示例性实施例示出的三角面片的顶点和包围盒相交的示意图；

图7为根据一示例性实施例示出的导丝节点从自由空间进入约束空间、沿凹形血管壁滑动和解除约束的仿真交互过程示意图；

图8为根据一示例性实施例示出的碰撞检测流程示意图；

图9为根据一示例性实施例示出的导丝节点运动轨迹和血管壁三角面片碰撞的示意图；

图10为根据一示例性实施例示出的碰撞响应的流程示意图；

图11为根据一示例性实施例示出的活动约束元素为顶点时碰撞作用力的确定示意图；

图12为根据一示例性实施例示出的活动约束元素为棱边时碰撞作用力的确定示意图；

图13为根据一示例性实施例示出的活动约束元素为三角面片时碰撞作用力的确定示意图；

图14为根据一示例性实施例示出的将导丝-血管间的碰撞作用力在PQS坐标系中分解为QS平面内的分力和沿P轴方向的分力的示意图；

图15为根据一示例性实施例示出的导丝-血管间的虚拟反馈力合成示意图；

图16为根据一示例性实施例示出的虚拟心血管介入手术培训系统中反馈力的确定系统的结构示意图。

这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明实施例解决的技术问题、所采用的技术方案以及实现的技术效果进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，并不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下，所获的所有其它等同或明显变型的实施例均落在本发明的保护范围内。本发明实施例可以按照权利要求中限定和涵盖的多种不同方式来具体化。

需要说明的是，在下面的描述中，为了方便理解，给出了许多具体细节。但是很明显，本发明的实现可以没有这些具体细节。

需要说明的是，在没有明确限定或不冲突的情况下，本发明中的各个实施例及其中的技术特征可以相互组合而形成技术方案。

本发明实施例提供一种虚拟心血管介入手术培训系统中反馈力的确定方法，如图1所示，该方法可以包括：

S100：确定导丝位移轨迹线段以及血管四面体网格内部元素拓扑信息和血管内壁三角面片与空间包围盒关联信息。

S110：基于步骤S100的结果，检测导丝与所述血管之间是否发生碰撞。

S120：在导丝与血管之间发生碰撞的情况下，确定碰撞点坐标及导丝节点的力觉交互设备点坐标。

S130：根据碰撞点坐标及导丝节点的力觉交互设备点坐标，确定导丝与血管间的虚拟反馈力。

本发明实施例通过采用上述步骤，实现了实时、精确地确定导丝与血管之间反馈力的技术效果，增强了虚拟血管介入手术培训系统的真实性，可使受训者感受到的仿真系统中导丝和血管之间的作用力和真实手术中的相一致。

在一个优选的实施例中，在上述步骤S100中，确定导丝位移轨迹线段具体可以包括：将导丝离散为N(N取正整数)个节点；通过距离固定、不可压缩和伸张的线段，来连接相邻节点；在每一节点处建立节点坐标系；通过力觉交互设备确定所述导丝的位移轨迹线段。确定血管四面体网格内部元素拓扑信息具体可以包括：建立几何元素的相邻关联几何元素集合，其中，几何元素包括顶点、棱边和三角面片。确定血管内壁三角面片与空间包围盒关联信息具体可以包括：采用空间分解法对心血管介入手术中涉及的股动脉、腹主动脉、冠状动脉和颈动脉血管模型所占据的空间进行逐层分解；对分解后的血管模型的各个分支进行编号；采用方向包围盒的方法确定分解后的血管模型片段的空间坐标范围，并对所有子包围盒建立一维索引；针对血管模型内壁上的三角面片，根据顶点三维坐标范围对所有子包围盒进行遍历；根据包围盒及三角面片的坐标信息，判断血管模型内壁上的三角面片是否和包围盒相关联；若相关联，则将三角面片加入到包围盒相关联的三角面片集合中。

在实际实施过程中，在确定虚拟心血管介入手术培训系统中反馈力之前，需要预先进行导丝建模和血管建模。

其中，在导丝建模过程中，本发明实施例将导丝离散为N个节点(N取正整数)，相邻节点之间由距离固定的、不可压缩和伸张的线段连接，并且在每个节点处建立节点坐标系。

如图2所示，其示例性地示出了节点x₀、x₁、x₂……、x_i-1、x_i，并在每个节点处建立PQS节点坐标系。例如，在节点x₀处建立P₀Q₀S₀节点坐标系；在节点x₁处建立P₁Q₁S₁节点坐标系；在节点x_i处建立P_iQ_iS_i节点坐标系。

其中，在血管建模的过程中，本发明实施例将血管模型离散为M个四面体(M取正整数)，并且在每一个四面体上，将血管模型的质量离散到四个顶点上，且顶点之间用相同的弹簧连接。

图3示例性地示出了一种血管模型。其中，血管模型的质量离散到i、j、k、m四个顶点上，且i、j、k、m四个顶点之间用相同的弹簧连接。

在对血管建模之后，需要对血管模型进行信息初始化。

为了加快碰撞检测的计算速度，本发明实施例将血管模型的信息初始化工作离线完成，在反馈力(也即虚拟反馈力)计算中直接调用模型参数。

血管模型信息初始化可以包括两部分内容：(1)血管四面体网格内部元素拓扑信息初始化；(2)血管内壁三角面片与空间包围盒关联信息的初始化。

其中，血管四面体网格内部元素拓扑信息初始化包括：建立各几何元素的相邻关联几何元素集合，也即建立顶点、棱边和四面体各个面(三角面片)的相邻元素坐标集合，这样便于交互仿真中实时提取。

四面体网格上的几何元素包括：顶点、棱边和三角面片。指定元素的相邻关联几何元素集合包括：(1)顶点相邻关联几何元素集合、(2)边相邻关联几何元素集合、(3)三角面片相邻关联几何元素集合。其中，顶点相邻关联几何元素集合包括与该顶点相邻的所有棱边和三角面片，如图4a阴影所示；边相邻关联几何元素集合包括与该边相邻的所有顶点和三角面片，如图4b阴影所示；三角面片相邻关联几何元素集合包括与该三角面片相邻的所有棱边和顶点，如图4c阴影所示。

其中，血管内壁三角面片与空间包围盒关联信息的初始化用于建立三角面片和空间包围盒的联系，以便在导丝-血管间碰撞检测时快速确定碰撞点位置，避免遍历血管内壁上的三角面片，以提升虚拟反馈力计算的实时性。

空间包围盒算法的基本思想是用体积稍大且特性简单的几何体(称为包围盒)来近似地代替复杂的几何对象。本发明实施例中使用空间包围盒代替分解后的血管模型的各个部分，建立元素的相邻关联几何元素集合。当进行导丝-血管间碰撞检测时，只需要检测导丝节点所在的包围盒相关联的三角面片是否和导丝发生碰撞即可，由此排除不可能发生碰撞的对象，从而加速了碰撞检测的速度。

确定血管内壁上的三角面片与空间包围盒关联信息的步骤如下：

S500：采用空间分解法对心血管介入手术中涉及的股动脉、腹主动脉、冠状动脉和颈动脉血管模型所占据的空间进行逐层分解。

S501：对分解后的血管模型的各个分支进行编号。

本步骤的目的在于区分血管模型的不同部分。图5示例性地示出了对血管分支进行编号的示意图。

S502：采用方向包围盒(Oriented Bounding Box,OBB)的方法确定分解后的血管模型片段的空间坐标范围，并对所有子包围盒建立一维索引。

通过本步骤可以便于后续计算时实现快速查找。

S503：针对每一个血管模型内壁上的三角面片，根据顶点三维坐标范围对所有子包围盒进行遍历。

S504：根据包围盒及三角面片的坐标信息，判断血管模型内壁上的三角面片是否和包围盒相关联。若相关联，则执行步骤S505；否则，执行步骤S506。

S505：将该三角面片加入到此包围盒相关联的三角面片集合中；

S506：无需将将该三角面片加入到此包围盒相关的三角面片集合中，结束。

其中，三角面片和空间包围盒相关联的类型包括：三角面片完全处于包围盒内(如图6a所示)、三角面片大部分处在包围盒内(如图6b所示)和三角面片的顶点和包围盒相交(如图6c所示)。

在上述实施例的基础上，进行导丝与血管之间的碰撞检测。

在虚拟血管介入手术培训系统中，碰撞检测问题归结为导丝节点的位移轨迹线段和血管内壁上三角面片网格(即空间包围盒所关联的三角面片)求交的问题。其中，导丝位移轨迹线段是指相邻两个仿真时刻HIP的连线向量。由于血管三角面片网格中单元数目比较多，因此需要进行快速查找，以便找到可能与导丝相交的三角面片集合。

本发明实施例通过力觉交互设备控制虚拟环境中导丝的进给运动，当导丝和血管壁不发生碰撞时，导丝节点的力觉交互设备点HIP(Haptic Interface Points)和导丝节点的仿真空间点SSP(Simulation Space Points)重合；当导丝和血管壁发生碰撞后，HIP和SSP发生分离，HIP嵌入血管壁，SSP停留在血管内壁。

图7示例性地示出了导丝节点从自由空间进入约束空间、沿凹形血管壁滑动和解除约束的仿真交互过程。该过程反映出了导丝的位移轨迹线段。其中，1、2、3、4表示仿真时刻。A、、D、E、表H示顶I点。

在仿真时刻1和仿真时刻2之间，导丝节点处于自由状态，HIP和SSP重合；在仿真时刻2，导丝和血管壁发生碰撞；在仿真时刻2和仿真时刻3之间，导丝节点处于约束状态，此过程中约束元素的迭代序列为：三角面片ABC→棱边AC→三角面片ADC→棱边CD→三角面片CDE→棱边DE→三角面片DEF→棱边EF→三角面片EFG→棱边FG→三角面片FGH→棱边HG→三角面片GHI；在仿真时刻3，导丝节点重新进入自由状态，HIP和SSP重合；在仿真时刻3到仿真时刻4之间，导丝在自由空间中运动，导丝节点的HIP和SSP重合。

下面以一优选实施例来详细说明碰撞检测的过程。

如图8所示，该碰撞检测过程可以包括：

S800：获取导丝位移轨迹线段和血管模型信息初始化的结果。

本步骤可以加速碰撞检测过程，从而实现了加速计算的目的。

S801：根据导丝的空间坐标确定与该子包围盒相关联的三角面片集合。

通过上述步骤可以将碰撞检测的搜索范围从整个血管模型缩小到子包围盒相关联的三角面片集合。

S802：检测导丝位移轨迹线段是否与子包围盒相交；若是，则执行步骤S803；否则，执行步骤S804。

S803：对与子包围盒相关联的三角面片集合内的三角面片进行遍历。

S804：设置碰撞分离标志。

S805：检测导丝位移轨迹线段是否与三角面片相交；若是，则执行步骤S806；否则，执行步骤S807。

S806：确定导丝与血管之间发生碰撞，并利用重心坐标法确定碰撞点坐标及导丝节点的力觉交互设备点坐标。

本步骤中的碰撞点就是碰撞交点。

S807：判断所有包围盒遍历是否完毕；若是，则执行步骤S808；否则，执行步骤S803。

S808：设置碰撞分离标志。

S809：设置碰撞发生标志。

碰撞检测也就是将导丝节点的位移轨迹线段和空间包围盒所关联的三角面片求交，如果存在交点(也就是碰撞点)则表示发生碰撞。

下面以一优选实施例来详细说明求解碰撞点坐标的过程。

图9为根据一示例性实施例示出的导丝节点运动轨迹和血管壁三角面片碰撞的示意图。其中，A₁,A₂,A₃表示可能发生碰撞的三角面片顶点坐标，O表示节点上一仿真时刻的SSP，O’表示本次循环仿真的位置HIP，d表示导丝进给方向的单位矢量，P表示碰撞点，t表示相邻两个仿真时刻内的导丝进给量。

根据重心坐标的定义，碰撞点P的重心坐标(λ₁,λ₂,λ₃)满足：

其中，t≥0。

求解公式(1)线性方程组。若t小于距离|OP|，则导丝-血管间发生碰撞，反之不发生碰撞。

在具体的血管介入手术中，医生操控导丝进入人体内，当相邻两个仿真时刻内的导丝进给量小于导丝节点和三角面片之间的距离时，导丝与血管之间不发生碰撞；否则，导丝与血管之间发生碰撞。

在上述检测到碰撞的基础上进行导丝与血管之间的碰撞响应，以确定导丝与血管间的反馈力。

具体地，碰撞响应用于求解一次虚拟仿真循环结束时的导丝节点位置，由此确定导丝节点嵌入血管的深度和相应的血管变形量。

下面以一优选实施例来详细说明碰撞响应的流程，如图10所示。

S1001：获取碰撞点坐标及导丝节点HIP坐标。

其中，碰撞点坐标及导丝节点HIP坐标是由碰撞检测过程获得的。

S1002：根据血管拓扑信息确定活动约束元素。

其中，血管拓扑信息为血管四面体网格内部元素拓扑信息和血管内壁三角面片与空间包围盒关联信息。活动约束元素用于约束导丝。

这里，活动约束元素为顶点、棱边和三角面片。

S1003：基于碰撞点坐标及导丝节点HIP位置坐标以及活动约束元素，计算血管壁对导丝的约束力，并将其在节点坐标系的坐标轴上进行分解。

其中，节点坐标系可以是在导丝建模时建立的PQS节点坐标系。

S1004：利用对分法，迭代求解导丝弯曲力和血管变形力平衡时导丝的弯曲角度。

其中，导丝弯曲力也即导丝与活动约束元素发生碰撞时的碰撞作用力。导丝弯曲角度也就是导管的夹角，是相邻离散导丝刚体间的夹角。导丝弯曲角度可以根据导丝节点嵌入血管的深度以及导丝的弯曲力并利用对分法而得到。

S1005：根据导丝弯曲力和血管变形力平衡时导丝的弯曲角度，确定碰撞点处的仿真交互力。

此处的仿真交互力也就是仿真作用力。

S1006：对所有碰撞点处的仿真交互力进行矢量叠加，得到导丝与血管间的虚拟反馈力。

下面分别以优选实施例的方式说明得到导丝与活动约束元素发生碰撞时的碰撞作用力的过程。

图11为根据一示例性实施例示出的活动约束元素为顶点时碰撞作用力的计算示意图。其中，顶点P点沿着的方向进行平移，当前仿真时刻导丝节点的HIP为P'，和P点相连的所有弹簧产生的碰撞作用力为其为作用合力。

图12示例性地示出了活动约束元素为棱边时碰撞作用力的计算示意图。其中，P是碰撞点，在导丝与棱边AB发生碰撞后，棱边AB沿着方向整体平移至A'B'，P点平移至P'。棱边AB的平移引起和点A和B相连的弹簧力为和则导丝-血管间的碰撞作用力(也即碰撞作用合力)为：

图13示例性地示出了活动约束元素为三角面片时碰撞作用力的计算示意图。其中，ABC三角面片。P是碰撞点。在导丝与三角面片发生碰撞后，三角面片ABC沿着方向整体平移至A'B'C'，P点平移至P'。三角面片ABC平移引起和点A、B、C相连的弹簧力为和则导丝-血管间的碰撞作用力为：

在一个优选的实施例中，根据导丝弯曲力和血管变形力平衡时导丝的弯曲角度，确定碰撞点处的仿真交互力，具体可以包括：将导丝弯曲力在导丝的节点坐标系上分解为一平面内的力及沿一坐标轴的力，其中，平面与坐标轴垂直；根据血管变形力平衡时导丝的弯曲角度、导丝的弯曲常数以及导丝相邻节点间的长度，来确定平面内的力及沿一坐标轴的力；基于平面内的力及沿一坐标轴的力并结合摩擦系数，确定碰撞点处的仿真交互力。

下面以一优选实施例来详细说明根据导丝与活动约束元素发生碰撞时的碰撞作用力和血管变形力平衡时导丝的弯曲角度来确定碰撞点处的仿真交互力，并最终由仿真交互力得到导丝与血管间的虚拟反馈力的步骤。

S1401：将导丝-血管间的碰撞作用力在PQS坐标系中分解为QS平面内的分力F_QS和沿P轴方向的分力F_P。

其中，F_P是沿P轴的分力；F_QS是在QS平面内的分力，也即节点处的探查力。

图14示例性地示出了将导丝-血管间的碰撞作用力在PQS坐标系中分解为QS平面内的分力和沿P轴方向的分力的示意图。其中，i、i-1、i-2表示节点；γ_i表示血管变形力平衡时的导丝弯曲角度。

S1402：根据以下公式确定F_QS和F_P：

$F_{QS}=\frac{c_i{\mathrm{\γ}}_i}{{\mathrm{\λ}}_{i+1}},F_P={\mathrm{cos\γ}}_i$

其中，γ_i表示血管变形力平衡时的导丝弯曲角度；c_i表示导丝的弯曲常数；λ_i+1为导丝相邻节点间的长度。

S1403：基于F_QS和F_P，并根据以下公式，确定碰撞点处的仿真交互力：

f_i＝F_P+μF_QS

其中，μ是摩擦系数，f_i的方向沿着方向。

S1404：根据以下公式，将所有碰撞点的仿真交互力进行矢量叠加，获得导丝-血管间的虚拟反馈力：

$F_{res}=\underset{e}{\Σ}{f}_i$

其中，F_res表示导丝-血管间的虚拟反馈力；e∈[1,i]表示血管壁发生碰撞的导丝节点集合；f_i表示碰撞点的仿真交互力。

上述步骤得到的F_res也就是培训者从虚拟仿真环境中感觉到的反馈力。图15示例性地示出了导丝-血管间的虚拟反馈力合成示意图。其中，f_i表示碰撞点i的仿真交互力；f_i-1表示碰撞点i-1的仿真交互力；以此类推，f₁表示碰撞点1的仿真交互力。

上述实施例中虽然将各个步骤按照上述先后次序的方式进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本实施例的效果，不同的步骤之间不必按照这样的次序执行，其可以同时(并行)执行或以颠倒的次序执行，这些简单的变化都在本发明的保护范围之内。

基于与方法实施例相同的技术构思，本发明实施例还提供一种虚拟心血管介入手术培训系统中反馈力的确定系统。该反馈力的确定系统可以执行上述方法实施例。如图16所示，该反馈力的确定系统1600至少包括：第一确定模块1602、检测模块1604、第二确定模块1606及第三确定模块1608。其中，第一确定模块1602被配置为确定导丝位移轨迹线段以及血管四面体网格内部元素拓扑信息和血管内壁三角面片与空间包围盒关联信息。检测模块1604被配置为基于第一确定模块1602的确定结果，检测导丝与血管之间是否发生碰撞。第二确定模块1606被配置为在导丝与血管之间发生碰撞的情况下，确定碰撞点坐标及导丝节点的力觉交互设备点坐标。第三确定模块1608被配置为根据碰撞点坐标及导丝节点的力觉交互设备点坐标，确定导丝与血管间的反馈力。

需要说明的是，上述实施例提供的虚拟心血管介入手术培训系统中反馈力的确定系统在进行反馈力的确定时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

本领域技术人员可以理解，上述虚拟心血管介入手术培训系统中反馈力的确定系统还包括一些其他公知结构，例如处理器、控制器、存储器等，为了不必要地模糊本公开的实施例，这些公知的结构未在图16中示出。

应该理解，图16中的各个模块的数量仅仅是示意性的。根据实际需要，可以具有任意数量的各模块。

上述系统实施例可以用于执行上述方法实施例，其技术原理、所解决的技术问题及产生的技术效果相似，所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

应指出的是，上面分别对本发明的系统实施例和方法实施例进行了描述，但是对一个实施例描述的细节也可应用于另一个实施例。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。本领域技术人员应该理解：本发明实施例中的模块或者步骤还可以再分解或者组合。例如上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细的介绍。虽然本文应用了具体的个例对本发明的原理和实施方式进行了阐述，但是，上述实施例的说明仅适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域技术人员来说，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围之内均会做出改变。

需要说明的是，本文中涉及到的流程图或框图不仅仅局限于本文所示的形式，其还可以进行划分和/或组合。

需要说明的是：附图中的标记和文字只是为了更清楚地说明本发明，不视为对本发明保护范围的不当限定。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

如本文中所使用的，术语“模块”可以指代在计算系统上执行的软件对象或例程。可以将本文中所描述的不同模块实现为在计算系统上执行的对象或过程(例如，作为独立的线程)。虽然优选地以软件来实现本文中所描述的系统和方法，但是以硬件或者软件和硬件的组合的实现也是可以的并且是可以被设想的。

本发明的各个步骤可以用通用的计算装置来实现，例如，它们可以集中在单个的计算装置上，例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备或者多处理器装置，也可以分布在多个计算装置所组成的网络上，它们可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。因此，本发明不限于任何特定的硬件和软件或者其结合。

本发明提供的方法可以使用可编程逻辑器件来实现，也可以实施为计算机程序软件或程序模块(其包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件或数据结构等等)，例如根据本发明的实施例可以是一种计算机程序产品，运行该计算机程序产品使计算机执行用于所示范的方法。所述计算机程序产品包括计算机可读存储介质，该介质上包含计算机程序逻辑或代码部分，用于实现所述方法。所述计算机可读存储介质可以是被安装在计算机中的内置介质或者可以从计算机主体上拆卸下来的可移动介质(例如：采用热插拔技术的存储设备)。所述内置介质包括但不限于可重写的非易失性存储器，例如：RAM、ROM、快闪存储器和硬盘。所述可移动介质包括但不限于：光存储介质(例如：CD－ROM和DVD)、磁光存储介质(例如：MO)、磁存储介质(例如：磁带或移动硬盘)、具有内置的可重写非易失性存储器的媒体(例如：存储卡)和具有内置ROM的媒体(例如：ROM盒)。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种虚拟心血管介入手术培训系统中反馈力的确定方法，其特征在于，所述方法至少包括：

步骤1：确定导丝位移轨迹线段以及血管四面体网格内部元素拓扑信息和血管内壁三角面片与空间包围盒关联信息；

步骤2：基于步骤1的结果，检测所述导丝与所述血管之间是否发生碰撞；

步骤3：在所述导丝与所述血管之间发生碰撞的情况下，确定碰撞点坐标及导丝节点的力觉交互设备点坐标；

步骤4：根据所述碰撞点坐标及所述导丝节点的力觉交互设备点坐标，确定所述导丝与所述血管间的反馈力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述确定导丝位移轨迹线段具体包括：

将所述导丝离散为N个节点，其中，所述N取正整数；

通过距离固定、不可压缩和伸张的线段，来连接相邻节点；

在每一节点处建立节点坐标系；

通过力觉交互设备确定所述导丝的位移轨迹线段；

所述确定血管四面体网格内部元素拓扑信息具体包括：

建立几何元素的相邻关联几何元素集合，其中，所述几何元素包括顶点、棱边和三角面片；

所述确定血管内壁三角面片与空间包围盒关联信息具体包括：

采用空间分解法对所述心血管介入手术中涉及的股动脉、腹主动脉、冠状动脉和颈动脉血管模型所占据的空间进行逐层分解；

对分解后的血管模型的各个分支进行编号；

采用方向包围盒的方法确定分解后的血管模型片段的空间坐标范围，并对所有子包围盒建立一维索引；

针对所述血管模型内壁上的三角面片，根据顶点三维坐标范围对所述所有子包围盒进行遍历；

根据所述包围盒及所述三角面片的坐标信息，判断所述血管模型内壁上的三角面片是否和所述包围盒相关联；

若相关联，则将所述三角面片加入到所述包围盒相关联的三角面片集合中。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述检测所述导丝与所述血管之间是否发生碰撞具体包括：

根据所述导丝的空间坐标确定与所述子包围盒相关联的三角面片集合；

检测所述导丝位移轨迹线段是否与所述子包围盒相交；

在所述导丝位移轨迹线段与所述子包围盒相交的情况下，对所述与子包围盒相关联的三角面片集合内的三角面片进行遍历；

检测所述导丝位移轨迹线段是否与所述三角面片相交；

在所述导丝位移轨迹线段与所述三角面片相交的情况下，确定所述导丝与所述血管之间发生碰撞。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述在所述导丝与所述血管之间发生碰撞的情况下，确定碰撞点坐标及导丝节点的力觉交互设备点坐标，具体包括：

利用重心坐标法确定所述碰撞点坐标及所述导丝节点的力觉交互设备点坐标。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述碰撞点坐标及所述导丝节点的力觉交互设备点坐标，确定所述导丝与所述血管间的反馈力，具体包括：

根据所述血管四面体网格内部元素拓扑信息和所述血管内壁三角面片与空间包围盒关联信息，确定活动约束元素；

基于所述碰撞点坐标及所述导丝节点HIP位置坐标以及所述活动约束元素，计算血管壁对所述导丝的约束力，并将所述约束力在节点坐标系的坐标轴上进行分解；

基于分解后的约束力，利用对分法，迭代求解导丝弯曲力和血管变形力平衡时所述导丝的弯曲角度；

根据所述导丝弯曲力和所述血管变形力平衡时导丝的弯曲角度，确定所述碰撞点处的仿真交互力；

对所有碰撞点处的仿真交互力进行矢量叠加，得到所述导丝与所述血管间的反馈力。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述导丝弯曲力和所述血管变形力平衡时导丝的弯曲角度，确定所述碰撞点处的仿真交互力，具体包括：

将所述导丝弯曲力在所述导丝的节点坐标系上分解为一平面内的力及沿一坐标轴的力，其中，所述平面与所述坐标轴垂直；

根据所述血管变形力平衡时导丝的弯曲角度、所述导丝的弯曲常数以及导丝相邻节点间的长度，来确定所述平面内的力及所述沿一坐标轴的力；

基于所述平面内的力及所述沿一坐标轴的力并结合摩擦系数，确定所述碰撞点处的仿真交互力。

7.一种虚拟心血管介入手术培训系统中反馈力的确定系统，其特征在于，所述反馈力的确定系统至少包括：

第一确定模块，被配置为确定导丝位移轨迹线段以及血管四面体网格内部元素拓扑信息和血管内壁三角面片与空间包围盒关联信息；

检测模块，被配置为基于所述第一确定模块的确定结果，检测所述导丝与所述血管之间是否发生碰撞；

第二确定模块，被配置为在所述导丝与所述血管之间发生碰撞的情况下，确定碰撞点坐标及导丝节点的力觉交互设备点坐标；

第三确定模块，被配置为根据所述碰撞点坐标及所述导丝节点的力觉交互设备点坐标，确定所述导丝与所述血管间的反馈力。