CN107468334A - 一种三维微导管塑形辅助设计系统及设计方法 - Google Patents

一种三维微导管塑形辅助设计系统及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种三维微导管塑形辅助设计系统及设计方法，辅助设计系统包括数据接收模块、标记模块、路径生成模块、塑形器生成模块和输出模块；数据接收模块用于接收三维血管图像数据；标记模块用于在三维血管图像中标记微导管路径的起点和终点；路径生成模块用于根据微导管路径的起点和终点生成微导管路径的三维数据；塑形器生成模块用于生成微导管路径对应的塑形器的三维数据；输出模块用于输出塑形器的三维数据。本发明利用计算机图像处理技术、CAD辅助设计技术和3D打印技术对微导管的塑形环节进行精确的设计和塑形辅助，微导管塑形更加简单可靠。本发明能够提高设计人员的工作效率，有效地降低微导管塑形的难度和介入手术的门槛。

Description

一种三维微导管塑形辅助设计系统及设计方法
技术领域
本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种三维微导管塑形辅助设计系统及设计方法。
背景技术
微导管是介入手术治疗中常用的一种器械。例如，在颅内动脉瘤的弹簧圈介入栓塞手术中，首先要将相应微导管选择性送达动脉瘤内。该手术过程中很重要的一个环节就是微导管的成功塑形。对微导管前端的形态进行良好的塑形，能够大大提高介入手术中微导管的到位准确性、微导管在栓塞过程中的稳定性和微导管的操控灵活性。成功的微导管塑形是手术成功的基本保证，微导管塑形对于床突旁及微小动脉瘤的介入治疗尤其重要。
然而在实际的手术过程当中，微导管的塑形成功与否与医生的技术水平和临床经验直接相关。虽然颅内动脉瘤栓塞手术中的微导管塑形已有不少国内外临床报告和学术论文进行了深入讨论与总结，脑血管和颅内动脉瘤的三维空间形态可通过数字血管减影技术和3D重建技术获得，血管的精确尺寸也可以通过三维图像测量获得，微导管的塑形还是需要依赖医生丰富的知识和经验，而临床上一直以来都缺少精确有效的辅助设计手段。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种三维微导管塑形辅助设计系统及设计方法。
本发明所采用的技术方案为：一种三维微导管塑形辅助设计系统包括数据接收模块、标记模块、路径生成模块、塑形器生成模块和输出模块；所述数据接收模块用于接收三维血管图像数据；所述标记模块用于在三维血管图像中标记微导管路径的起点和终点；所述路径生成模块用于根据微导管路径的起点和终点生成微导管路径的三维数据；塑形器生成模块用于生成微导管路径对应的塑形器的三维数据；所述输出模块用于输出塑形器的三维数据。
进一步地，所述路径生成模块包括三维血管中心轴生成模块、连接网络建立模块、血管截取模块、血管表面生成模块、微导管折线路径生成模块和平滑处理模块；
所述三维血管中心轴生成模块采用图像侵蚀算法对表示三维血管图像的二元三维矩阵重复进行对称的图像侵蚀处理，得到三维血管中心轴；
所述连接网络建立模块计算三维血管中心轴上各点与其周围所有点之间的距离，并将计算得到的距离与预设的距离阈值进行比较，将距离小于距离阈值的两点作为相邻的点，多个相邻的点建立连接网络；
所述血管截取模块根据连接网络在三维血管中心轴上获得起点到终点的最短路径，对最短路径周围的血管像素值进行处理得到初步截取的血管；
所述血管表面生成模块根据初步截取的血管，将与起点相连且与最短路径上各个点坐标之间的距离小于距离临界值的点作为临界点，将临界点相连得到血管表面；
所述微导管折线路径生成模块根据得到的血管表面计算得到微导管折线路径；
所述平滑处理模块对生成的微导管折线路径进行平滑处理，得到微导管路径。
进一步地，所述塑形器生成模块包括旋转矩阵计算模块、塑形器折线路径生成模块、折线路径平滑模块、表面文件生成模块；
所述旋转矩阵计算模块根据微导管路径上的折线点，计算出每段线段的长度及方向，并计算出由两段线段决定的坐标系到下两段线段决定的坐标系的旋转矩阵；
所述塑形器折线路径生成模块根据折线点的坐标和计算得到的旋转矩阵，从第一条线段开始，将微导管路径旋转矩阵对应的旋转角度乘以给定的倍数，得到塑形器下一条线段相对于前一条线段的旋转矩阵，并依据该矩阵得到塑形器下一条线段的方向，同时保证塑形器下一条线段的长度同微导管路径对应线段的长度相同，由此确定下一条线段，直到得到塑形器的全部折线路径；
所述折线路径平滑模块对塑形器的折线路径进行平滑处理，得到表示微导管塑形器的二元三维矩阵；
所述表面文件生成模块根据微导管塑形器的二元三维矩阵，利用Marching Cube的方法，选取像素值为0和2的表面作为微导管塑形器的外表面，像素值为1和2的表面作为微导管塑形器的内表面，得到微导管塑形器的表面文件。
进一步地，所述三维血管图像数据通过数字减影技术、CT技术或MR技术获得，存储在影像归档和通信系统或外部存储设备中。
进一步地，所述微导管路径上每段线段的方向由三维单元向量表示。
进一步地，所述三维微导管塑形辅助设计系统设置在图像工作站中，所述图像工作站连接3D打印机。
一种三维微导管塑形辅助设计方法包括以下步骤：
接收三维血管图像数据；
在三维血管图像中标记微导管路径的起点和终点；
根据微导管路径的起点和终点生成微导管路径的三维数据；
根据微导管路径的三维数据，生成微导管塑形器的三维数据；
输出微导管塑形器的三维数据；
根据微导管塑形器的三维数据，采用3D打印机打印输出辅助设计完成的塑形器；
将微导管嵌入打印输出的微导管塑形器中，并进行水浴加热；冷却后取出微导管，完成对微导管的塑形。
进一步地，所述根据微导管路径的起点和终点生成微导管路径的三维数据的具体过程为：
采用图像侵蚀算法对表示三维血管图像的二元三维矩阵重复进行对称的图像侵蚀处理，得到三维血管中心轴；
采用迪杰斯特拉算法得到沿三维血管中心轴从起点到终点的最短路径；
对最短路径周围的血管像素值进行处理得到初步截取的血管；
将与起点相连且与最短路径上各个点坐标之间的距离小于距离临界值的点作为临界点，将临界点相连得到血管表面；
根据得到的血管表面计算得到微导管折线路径；
对生成的微导管折线路径进行平滑处理，得到微导管路径的三维数据。
进一步地，所述根据微导管路径的三维数据，生成微导管塑形器的三维数据的具体过程为：
根据微导管路径上的折线点，计算出每段线段的长度及方向，并计算出由两段线段决定的坐标系到下两段线段决定的坐标系的旋转矩阵；
根据折线点的坐标和计算得到的旋转矩阵，从第一条线段开始，将微导管路径旋转矩阵对应的旋转角度乘以给定的倍数，得到塑形器下一条线段相对于前一条线段的旋转矩阵，并依据该矩阵得到塑形器下一条线段的方向，同时保证塑形器下一条线段的长度同微导管路径对应线段的长度相同，由此确定下一条线段，直到得到塑形器的全部折线路径；
对塑形器的折线路径进行平滑处理，得到表示微导管塑形器的二元三维矩阵；
利用Marching Cube的方法，选取像素值为0和2的表面作为微导管塑形器的外表面，像素值为1和2的表面作为微导管塑形器的内表面，得到微导管塑形器的表面文件。
更进一步地，所述像素值的计算过程为：假定微导管的半径为r1，塑形器的半径为r2；对每个背景像素，其像素值为0，计算其坐标(x，y，z)与微导管路径上每个点的距离，对得到的距离值进行比较后得到最小距离值d；如果 d<＝r1，则将背景像素的像素值设为1；如果r1<d<＝r2，则将背景像素的像素值设为2；如果d>r2，则将背景像素的像素值设为0。
由于采用以上技术方案，本发明的有益效果为：本发明利用成熟的计算机图像处理技术、CAD辅助设计技术和3D打印技术对微导管的塑形环节进行精确的设计和塑形辅助，相对于利用临床经验进行塑形更加的简单可靠。通过将 3D打印技术应用到介入手术准备当中，能够实现对微导管形态的精准控制，同时在CAD辅助设计技术的帮助下，能够有效的降低微导管塑形的难度和介入手术的门槛。本发明能够自动生成微导管塑形器的表面文件，进而为塑形器的制作提供设计参考。本发明能够有效地指导设计人员设计微导管塑形器的工作，提高设计人员的工作效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。
图1是本发明一实施例提供的一种三维微导管塑形辅助设计系统的结构框图；
图2是本发明一实施例提供的一种三维微导管塑形辅助设计方法的流程图。
图中：1-数据接收模块；2-标记模块；3-路径生成模块；4-塑形器生成模块； 5-输出模块；31-三维血管中心轴生成模块；32-连接网络建立模块；33-血管截取模块；34-血管表面生成模块；35-微导管折线路径生成模块；36-平滑处理模块；41-旋转矩阵计算模块；42-塑形器折线路径生成模块；43-折线路径平滑模块；44-表面文件生成模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种三维微导管塑形辅助设计系统，其包括数据接收模块1、标记模块2、路径生成模块3、塑形器生成模块4和输出模块5。数据接收模块1用于接收三维血管图像数据。标记模块2用于在三维血管图像中标记微导管路径的起点和终点。路径生成模块3用于根据微导管路径的起点和终点生成微导管路径的三维数据。塑形器生成模块4用于生成微导管路径对应的塑形器的表面文件。输出模块5用于输出塑形器的表面文件。
三维血管图像数据通过数字减影技术、CT技术或MR技术获得，存储在 PACS(Picture Archiving and Communication Systems，影像归档和通信系统) 或外部存储设备中。
上述实施例中，路径生成模块3包括三维血管中心轴生成模块31、连接网络建立模块32、血管截取模块33、血管表面生成模块34、微导管折线路径生成模块35和平滑处理模块36。
其中，三维血管中心轴生成模块31采用图像侵蚀算法对表示三维血管图像的二元三维矩阵重复进行对称的图像侵蚀处理，直到得到三维血管中心轴。
连接网络建立模块32计算三维血管中心轴上各点与其周围所有点之间的距离，并将计算得到的距离与预设的距离阈值进行比较，将距离小于距离阈值的两点作为相邻的点，多个相邻的点建立连接网络。
血管截取模块33根据连接网络，在三维血管中心轴上获得起点到终点的最短路径，对最短路径周围的血管像素值进行处理得到初步截取的血管。根据获取的最短路径，得到最短路径上各个点的坐标。对于二元三维矩阵的每个非0 的血管像素点，定义该像素点与最短路径上各个点沿最短路径的距离为该像素点的坐标(x，y，z)同最短路径上各个点坐标的距离的最小值。计算二元三维矩阵的每个非0的血管像素点与最短路径上各个点坐标之间的距离。预设距离临界值，如果计算得到的距离大于距离临界值，则将该距离对应的血管像素值设为背景值0，以此将与沿最短路径较远的血管点设为背景值，仅保留沿最短路径附近的血管，得到初步截取的血管。
血管表面生成模块34根据初步截取的血管，将与起点相连且与最短路径上各个点坐标之间的距离小于距离临界值的点作为临界点，将临界点相连得到血管表面。
微导管折线路径生成模块35根据得到的血管表面计算得到微导管折线路径。以通过起点的沿最短路径方向为起始方向，以直线的方式延伸路径，方向记为x。如果路径抵达血管壁，则记录下对应血管壁的坐标W，找到与坐标W 距离最小的沿最短路径上的点C，求得方向x相对于点C的对称方向y，并保证从坐标W开始，延方向y延伸会使得路径朝向血管内部，直到再次碰到血管壁。然后重复上述过程，直到路径与终点E之间的距离小于距离临界值，得到微导管折线路径。其中，依照完成截取的二元化三维矩阵，是否为血管壁以0 和1的边界点为判断依据。
平滑处理模块36对生成的微导管折线路径进行平滑处理，得到微导管路径。
上述实施例中，塑形器生成模块4包括旋转矩阵计算模块41、塑形器折线路径生成模块42、折线路径平滑模块43和表面文件生成模块44。
其中，旋转矩阵计算模块41根据微导管路径上的折线点，计算出每段线段的长度及方向，其中方向由三维单元向量表示，并计算出由两段线段决定的坐标系到下两段线段决定的坐标系的旋转矩阵。利用旋转矩阵得到相邻线段组之间的角度。每个线段组中包含两条相邻的线段。
塑形器折线路径生成模块42根据折线点的坐标和计算得到的旋转矩阵，从第一条线段开始，将微导管路径旋转矩阵对应的旋转角度乘以给定的倍数α，得到塑形器下一条线段相对于前一条线段的旋转矩阵，并依据该矩阵得到塑形器下一条线段的方向，同时保证塑形器下一条线段的长度同微导管路径对应线段的长度相同，由此确定下一条线段，直到得到塑形器的全部折线路径。
折线路径平滑模块43对塑形器的折线路径进行平滑处理，得到表示微导管塑形器的二元三维矩阵。
表面文件生成模块44根据微导管塑形器的二元三维矩阵，利用Marching Cube的方法，选取像素值为0和2的表面作为微导管塑形器的外表面，像素值为1和2的表面作为微导管塑形器的内表面，得到微导管塑形器的表面文件。假定微导管的半径为r1，塑形器的半径为r2。对每个背景像素(像素值为0)，计算其坐标(x，y，z)与微导管路径上每个点的距离，对得到的距离值进行比较后得到最小距离值d。如果d<＝r1，则将背景像素的像素值设为1。如果 r1<d<＝r2，则将背景像素的像素值设为2。如果d>r2，则将背景像素的像素值设为0。选取像素值为0和2的表面作为微导管塑形器的外表面，像素值为1 和2的表面作为微导管塑形器的内表面，得到微导管塑形器的表面文件。
如图2所示，本发明提供了一种三维微导管塑形辅助设计方法，其包括以下步骤：
S1、接收三维血管图像数据。
S2、在三维血管图像中标记微导管路径的起点和终点。
S3、根据微导管路径的起点和终点生成微导管路径的三维数据，其具体过程为：
采用图像侵蚀算法对表示三维血管图像的二元三维矩阵重复进行对称的图像侵蚀处理，得到三维血管中心轴。
采用迪杰斯特拉算法得到沿三维血管中心轴从起点到终点的最短路径。
对最短路径周围的血管像素值进行处理得到初步截取的血管。
将与起点相连且与最短路径上各个点坐标之间的距离小于距离临界值的点作为临界点，将临界点相连得到血管表面。
根据得到的血管表面计算得到微导管折线路径。
对生成的微导管折线路径进行平滑处理，得到微导管路径的三维数据。
S4、根据微导管路径的三维数据，生成微导管塑形器的三维数据，其具体过程为：
根据微导管路径上的折线点，计算出每段线段的长度及方向，并计算出由两段线段决定的坐标系到下两段线段决定的坐标系的旋转矩阵。
根据折线点的坐标和计算得到的旋转矩阵，从第一条线段开始，将微导管路径旋转矩阵对应的旋转角度乘以给定的倍数α，得到塑形器下一条线段相对于前一条线段的旋转矩阵，并依据该矩阵得到塑形器下一条线段的方向，同时保证塑形器下一条线段的长度同微导管路径对应线段的长度相同，由此确定下一条线段，直到得到塑形器的全部折线路径。
对塑形器的折线路径进行平滑处理，得到表示微导管塑形器的二元三维矩阵。
利用Marching Cube的方法，选取像素值为0和2的表面作为微导管塑形器的外表面，像素值为1和2的表面作为微导管塑形器的内表面，得到微导管塑形器的表面文件。
S5、输出微导管塑形器的三维数据。
S6、根据微导管塑形器的三维数据，采用3D打印机打印输出辅助设计完成的塑形器。
S7、将微导管嵌入打印输出的微导管塑形器中，并进行水浴加热；冷却后取出微导管，完成对微导管的塑形。
本发明三维微导管塑形辅助设计系统设置在图像工作站中，图像工作站连接3D打印机。本发明三维微导管塑形辅助设计系统使用时，启动图像工作站，运行三维微导管塑形辅助设计系统，将PLA(聚乳酸)耗材送入3D打印机中。用户将三维血管图像数据导入三维微导管塑形辅助设计系统中，并标记患者三维血管图像数据中病患部位的起点和终点，病患部位的起点和终点即为介入治疗中微导管路径的起点和终点。根据标记的病患部位的起点和终点，截取病患部位的血管。路径生成模块3根据微导管路径的起点和终点生成微导管路径。用户对自动产生的微导管路径进行调整，得到最优的微导管路径。塑形器生成模块4根据微导管路径自动生成微导管塑形器的三维数据。3D打印机根据微导管塑形器的三维数据打印输出辅助设计完成的塑形器。塑形器上包含有微导管塑形槽。用户将实际微导管的前端手工嵌入塑形器的微导管塑形槽中，对嵌有微导管的塑形器进行整体水浴加热，冷却后取出微导管，即完成对微导管的塑形。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种三维微导管塑形辅助设计系统，其特征在于，它包括数据接收模块、标记模块、路径生成模块、塑形器生成模块和输出模块；所述数据接收模块用于接收三维血管图像数据；所述标记模块用于在三维血管图像中标记微导管路径的起点和终点；所述路径生成模块用于根据微导管路径的起点和终点生成微导管路径的三维数据；塑形器生成模块用于生成微导管路径对应的塑形器的三维数据；所述输出模块用于输出塑形器的三维数据。
2.如权利要求1所述的一种三维微导管塑形辅助设计系统，其特征在于，所述路径生成模块包括三维血管中心轴生成模块、连接网络建立模块、血管截取模块、血管表面生成模块、微导管折线路径生成模块和平滑处理模块；
所述三维血管中心轴生成模块采用图像侵蚀算法对表示三维血管图像的二元三维矩阵重复进行对称的图像侵蚀处理，得到三维血管中心轴；
所述连接网络建立模块计算三维血管中心轴上各点与其周围所有点之间的距离，并将计算得到的距离与预设的距离阈值进行比较，将距离小于距离阈值的两点作为相邻的点，多个相邻的点建立连接网络；
所述血管截取模块根据连接网络在三维血管中心轴上获得起点到终点的最短路径，对最短路径周围的血管像素值进行处理得到初步截取的血管；
所述血管表面生成模块根据初步截取的血管，将与起点相连且与最短路径上各个点坐标之间的距离小于距离临界值的点作为临界点，将临界点相连得到血管表面；
所述微导管折线路径生成模块根据得到的血管表面计算得到微导管折线路径；
所述平滑处理模块对生成的微导管折线路径进行平滑处理，得到微导管路径。
3.如权利要求1所述的一种三维微导管塑形辅助设计系统，其特征在于，所述塑形器生成模块包括旋转矩阵计算模块、塑形器折线路径生成模块、折线路径平滑模块、表面文件生成模块；
所述旋转矩阵计算模块根据微导管路径上的折线点，计算出每段线段的长度及方向，并计算出由两段线段决定的坐标系到下两段线段决定的坐标系的旋转矩阵；
所述塑形器折线路径生成模块根据折线点的坐标和计算得到的旋转矩阵，从第一条线段开始，将微导管路径旋转矩阵对应的旋转角度乘以给定的倍数，得到塑形器下一条线段相对于前一条线段的旋转矩阵，并依据该矩阵得到塑形器下一条线段的方向，同时保证塑形器下一条线段的长度同微导管路径对应线段的长度相同，由此确定下一条线段，直到得到塑形器的全部折线路径；
所述折线路径平滑模块对塑形器的折线路径进行平滑处理，得到表示微导管塑形器的二元三维矩阵；
所述表面文件生成模块根据微导管塑形器的二元三维矩阵，利用MarchingCube的方法，选取像素值为0和2的表面作为微导管塑形器的外表面，像素值为1和2的表面作为微导管塑形器的内表面，得到微导管塑形器的表面文件。
4.如权利要求1或2或3所述的一种三维微导管塑形辅助设计系统，其特征在于，所述三维血管图像数据通过数字减影技术、CT技术或MR技术获得，存储在影像归档和通信系统或外部存储设备中。
5.如权利要求1或2或3所述的一种三维微导管塑形辅助设计系统，其特征在于，所述微导管路径上每段线段的方向由三维单元向量表示。
6.如权利要求1或2或3所述的一种三维微导管塑形辅助设计系统，其特征在于，所述三维微导管塑形辅助设计系统设置在图像工作站中，所述图像工作站连接3D打印机。
7.一种三维微导管塑形辅助设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
接收三维血管图像数据；
在三维血管图像中标记微导管路径的起点和终点；
根据微导管路径的起点和终点生成微导管路径的三维数据；
根据微导管路径的三维数据，生成微导管塑形器的三维数据；
输出微导管塑形器的三维数据；
根据微导管塑形器的三维数据，采用3D打印机打印输出辅助设计完成的塑形器；
将微导管嵌入打印输出的微导管塑形器中，并进行水浴加热；冷却后取出微导管，完成对微导管的塑形。
8.如权利要求7所述的一种三维微导管塑形辅助设计方法，其特征在于，所述根据微导管路径的起点和终点生成微导管路径的三维数据的具体过程为：
采用图像侵蚀算法对表示三维血管图像的二元三维矩阵重复进行对称的图像侵蚀处理，得到三维血管中心轴；
采用迪杰斯特拉算法得到沿三维血管中心轴从起点到终点的最短路径；
对最短路径周围的血管像素值进行处理得到初步截取的血管；
将与起点相连且与最短路径上各个点坐标之间的距离小于距离临界值的点作为临界点，将临界点相连得到血管表面；
根据得到的血管表面计算得到微导管折线路径；
对生成的微导管折线路径进行平滑处理，得到微导管路径的三维数据。
9.如权利要求7所述的一种三维微导管塑形辅助设计方法，其特征在于，所述根据微导管路径的三维数据，生成微导管塑形器的三维数据的具体过程为：
根据微导管路径上的折线点，计算出每段线段的长度及方向，并计算出由两段线段决定的坐标系到下两段线段决定的坐标系的旋转矩阵；
根据折线点的坐标和计算得到的旋转矩阵，从第一条线段开始，将微导管路径旋转矩阵对应的旋转角度乘以给定的倍数，得到塑形器下一条线段相对于前一条线段的旋转矩阵，并依据该矩阵得到塑形器下一条线段的方向，同时保证塑形器下一条线段的长度同微导管路径对应线段的长度相同，由此确定下一条线段，直到得到塑形器的全部折线路径；
对塑形器的折线路径进行平滑处理，得到表示微导管塑形器的二元三维矩阵；
利用Marching Cube的方法，选取像素值为0和2的表面作为微导管塑形器的外表面，像素值为1和2的表面作为微导管塑形器的内表面，得到微导管塑形器的表面文件。
10.如权利要求9所述的一种三维微导管塑形辅助设计方法，其特征在于，所述像素值的计算过程为：假定微导管的半径为r1，塑形器的半径为r2；对每个背景像素，其像素值为0，计算其坐标(x，y，z)与微导管路径上每个点的距离，对得到的距离值进行比较后得到最小距离值d；如果d<＝r1，则将背景像素的像素值设为1；如果r1<d<＝r2，则将背景像素的像素值设为2；如果d>r2，则将背景像素的像素值设为0。
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