CN109859848A - 一种心脏血管病变仿真模拟的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种心脏血管病变仿真模拟的方法，涉及医学虚拟现实技术领域，包含以下步骤：采集血管的三维空间位置点数据；渲染血管走向的连线，同时基于几何着色器显示不同形状和粗细的血管线条；计算折角线段之间的过渡点分布，得到平滑的血管显示结果；对病变位置进行参数建模，根据该模型及结合所述血管显示结果，最终显示与真实病变相对应的血管的形状。本技术方案能够在实时环境下表现出真实的心脏病变位置与对应血管之间的显示关系，更为准确的模拟出介入手术的实际情况，提高医生训练和预演的真实性；实现了在多种病变情况下，不同病变对于血管的形变影响，实现可以进行个性化配置与调节，增加模拟过程中的多样性。

Description

一种心脏血管病变仿真模拟的方法

技术领域

本发明涉及医学虚拟现实技术领域，具体涉及一种心脏血管病变仿真模拟的方法。

背景技术

心血管疾病目前是导致死亡的主要疾病之一。其中，尤以心脏冠状动脉中的病变导致死亡最为严重，通常心血管疾病主要在冠状动脉中形成斑块，而这正是严重影响人类健康的一个重要原因。一种有效治疗心血管疾病的技术是经皮冠状动脉介入手术，经皮冠状动脉介入手术的主要过程是：在X光的引导下，医生使用导丝穿过体表血管并送入到人股动脉，导丝经过股动脉，沿动脉逆行进入主动脉，进入到冠状动脉血管网中，接着医生会通过特定的心脏导管操作技术对冠状动脉柱塞等进行确诊测试和治疗。

虽然上述手术属于微创手术，但由于涉及到导丝在血管内部的游走，具体的操作十分复杂。通常情况下，需要手术操作者具有高超的技巧以及丰富的临床经验，然而用于提升医生技巧的培训与教学却难以施展，一个重要原因就是缺少实际的操作实验，而病人的生命是不能用于实验试错的，在这种情况下，为了训练医生的技巧并对该手术过程进行预演和规划，一些专门用于模拟培训的血管介入模拟器便应运而生。

综上所述，现有技术中的血管介入模拟器虽然能够为培训医生和/或医学生的手术操作技巧并对该手术过程进行预演和规划，但由于不同病人之间的血管结构、病变位置存在差异，如何有效地提升进行皮冠状动脉介入手术的模拟过程的准确性，及虚拟训练和预演的真实性等技术问题，是目前本领域技术人员需解决的问题。

发明内容

为实现上述目的，本发明首先提供一种心脏血管病变仿真模拟的方法。

一种心脏血管病变仿真模拟的方法，包含以下步骤：

采集血管的三维空间位置点数据；

渲染血管走向的连线，同时基于几何着色器显示不同形状和粗细的血管线条；

计算折角线段之间的过渡点分布，得到平滑的血管显示结果；

对病变位置进行参数建模，根据该模型及结合所述血管显示结果，最终显示与真实病变相对应的血管的形状。

进一步地，所述采集血管的三维空间位置点数据，是基于医学影像设备提取出来的三维血管数据中筛选出三维空间位置点的数据，再过滤掉已筛选出的三维空间位置点的数据中的重复与无效的部分。

进一步地，所述渲染血管走向的连线，是送入显示单元的三维空间位置点数据的各数据点具有空间连续的关系，将各数据点依次连接起来组成表征血管走向的连线。

进一步地，将三维空间位置点数据送入渲染血管走向的连线，在几何着色器部分将三维空间位置点扩充为矩形表示，并构建三维面片网格，实现增加复杂数据的显示。

进一步地，所述基于几何着色器显示不同形状和粗细的血管线条步骤中还包括去除数据之间不连续的过程。

进一步地，所述去除数据之间不连续的过程，是相邻并交叉的矩形之间形成两个三角形，根据两个三角形的顶点的前后两段直线段的方向向量，计算前后两段直线段的方向向量之和，及视平面方向的法线方向座位延伸的真实方向，根据计算结果得到v，将v与-v进行数据延伸。

进一步地，所述计算折角线段之间的过渡点分布，包含以下步骤：

获得相邻矩形中的两截线段方向向量，计算它们之间的夹角；

根据线段方向向量在视平面上的投影关系获得补偿点，送入像素着色器进行数据显示，得到平滑的血管过度区域，形成平滑的血管图像。

进一步地，基于平滑的血管图像，病变部位显示在CT图像上表现为血管部分变窄，使用数据模型改变血管显示的宽度值，实现参数化模型来显示病变。

进一步地，所述的对病变进行参数建模，包含以下步骤：

针对单侧病变，选择并使用参数模型应用在血管单侧形变显示上；

针对双侧病变，选择并使用参数模型应用在血管两侧形变显示上。

进一步地，所述渲染血管走向的连线过程中的渲染方式为：

通过顶点着色器转换三维空间；

通过几何着色器调整顶点输出；

通过像素着色器输出图像结果。

有益效果

1、使用真实的临床CT扫描数据中提取出的个性化的心血管模型的三维空间位置点数据，对三维空间位置点数据进行数据过滤后，在实时环境下表现出真实的心脏病变位置与对应血管之间的显示关系，更为准确的模拟出介入手术的实际情况，提高医生训练和预演的真实性；

2、使用渲染管线进行数据扩展，高效的对病变治疗过程进行模拟；

3、将血管病变位置进行了参数化模拟，并实现了在多种病变情况下，不同病变对于血管的形变影响，实现可以进行个性化配置与调节，增加模拟过程中的多样性。

附图说明

图1为本实施例中的一种心脏血管病变仿真模拟的方法的流程示意简图；

图2为本实施例中的一种心脏血管病变仿真模拟的方法的另一种流程示意简图；

图3为本实施例中的渲染血管走向连线的线条扩展示意简图；

图4为本实施例中的血管过渡区域的示意简图；

图5为本实施例中的另一种血管过渡区域的示意简图。

附图中的附图标记为：

1、第一截线段；2、第二截线段；3、血管过渡区域。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

如图1、图3、图4、和图5所示，一种心脏血管病变仿真模拟的方法，包含以下步骤：

采集血管的三维空间位置点数据，使用序列化的三维空间数据点组成的连线数据，所述三维空间数据点代表用于模拟的血管数据在三维空间分段表示；

渲染血管走向的连线，同时基于几何着色器显示不同形状和粗细的血管线条；

所述三维空间位置点数据使用序列化的三维空间数据点计算折角线段之间的过渡点分布，得到平滑的血管显示结果；

对病变位置进行参数建模，根据该模型及结合所述血管显示结果，最终显示与真实病变相对应的血管的形状。

如图3所示，所述采集血管的三维空间位置点数据，是基于医学影像设备，例如计算机断层显像(CT)等提取出来的三维血管数据中筛选出三维空间位置点的数据，再过滤掉已筛选出的三维空间位置点的数据中的重复与无效的部分，以保证后续数据的有效性。所述过滤掉已筛选出的三维空间位置点的数据中的重复与无效的部分的方法为：从仅有的三维空间位置信息中提取了三维数据欧氏距离与方向向量的信息来实实际的数据剔除工作，

cosθ＝abs(χ)

其中，χ为点积结果，dot是点积运算符，是第一截线段的方向向量,是第二截线段的方向向量，cos为余弦操作符，θ为向量夹角，abs为绝对值运算符。当点积χ为负时，说明第一截线段1和第二截线段2朝向是相反的，对χ为负的情况，设定一个角度阈值α，当θ<α时，说明存在线段折返现象，需要对该点进行处理：记录上一点，并进行新的方向向量的计算，计算并判定新的方向向量和原始方向向量是否具有一致的方向，方向一致则继续增加余下的数据，否则跳过这一点。

如图3所示，所述渲染血管走向的连线，是送入显示单元的三维空间位置点数据的各数据点具有空间连续的关系，将各数据点依次连接起来组成表征血管走向的连线。

人体血管的模拟并不能用简单的直线来模拟，根据视点的远近以及血管类型与位置的不同，人体血管都是具有不同的粗细的，因此，将三维空间位置点数据送入渲染血管走向的连线，在几何着色器部分将三维空间位置点扩充为矩形表示，并构建三维面片网格，实现增加复杂数据的显示。

使用矩形进行数据拼接会导致图像出现明显的错位，因此，所述基于几何着色器显示不同形状和粗细的血管线条步骤中还包括去除数据之间不连续的过程。

所述去除数据之间不连续的过程，是相邻并交叉的矩形之间形成两个三角形，根据两个三角形的顶点的前后两段直线段的方向向量，计算前后两段直线段的方向向量之和，及视平面方向的法线方向作为延伸的真实方向，根据计算得到延伸向量并沿着方向向量与对数据延伸进行延伸。该方法一方面能够去掉数据之间不连续的问题，另一方面也能够获得稳定且宽度可控的血管显示。

计算公式为：

其中，为前后两段直线段的方向向量之和，为第一截线段方向向量，为第二截线段方向向量，为两段相连线段连接点处合适的扩展方向，norm为单位化方法，×为向量求叉积，为视角朝向。

所述计算折角线段之间的过渡点分布，包含以下步骤：

获得相邻矩形中的两截线段方向向量，计算它们之间的夹角。其中，两截线段包括第一截线段1和第二截线段2；

根据线段方向向量在视平面上的投影关系获得补偿点，送入像素着色器进行数据显示，得到平滑的血管过渡区域，形成平滑的血管图像，如图4和图5所示，血管过渡区域3为补偿出来的过渡区域，第一截线段1和第二截线段2在延伸后形成两个矩形区域，矩形的连接存在端点不连续的情况，对连接处外侧，利用如下三点：第一截线段1和第二截线段2共同的端点，该端点为靠近血管过渡区域3的第一截线段1延伸的端点，靠近血管过渡区域3的第二截线段2延伸的端点，并以共同端点为圆心，作出经过其他两点的圆弧。由于计算机在处理图形数据时只能接受非连续的数据，所以需要将这段圆弧离散化为多段连接区域，最后连接起来实现分段平滑，表现为连续的圆弧；对于第一截线段1和第二截线段2共同的端点，该端点为靠近血管过渡区域3对侧的第一截线段1延伸的端点，靠近血管过渡区域3对侧的第二截线段2延伸的端点，由于扩展形成的区域包含了该端点，可以直接去除这两点。

所述的对病变进行参数建模，包含以下步骤：

针对单侧病变，选择并使用参数模型应用在血管单侧形变显示上；

针对双侧病变，选择并使用参数模型应用在血管两侧形变显示上。

基于平滑的血管图像，病变部位显示在CT图像上表现为血管部分变窄，使用数据模型改变血管显示的宽度值，实现参数化模型来显示病变，例如常见的椭球表达式：

x²/a²+y²/b²＝1

a>b>0

其中a，b为控制病变形状的常量，x为参数化模型在血管走向上的分布，y为参数化模型在垂直血管走向上的分布，基于设定好的模型在给定的位置调节血管的形变，最终得到血管病变的仿真图像。

所述渲染血管走向的连线过程中的渲染方式为：

通过顶点着色器转换三维空间；

通过几何着色器调整顶点输出，在所述几何着色器中通过增加插值出来的顶点数据让直线的渲染转化为面片的渲染，以获得具有不同宽度的线条显示；

通过像素着色器输出图像结果。

如图2-5所示，本发明也可以包含以下步骤：

采集血管的三维空间位置点数据，本步骤通过顶点着色器转换三维空间；

渲染血管走向的连线，同时基于几何着色器显示不同形状和粗细的血管线条，本步骤通过几何着色器调整顶点输出；

计算折角线段之间的过渡点分布，得到平滑的血管显示结果；

对病变位置进行参数建模，根据该模型及结合所述血管显示结果，最终显示与真实病变相对应的血管的形状。本步骤中显示与真实病变相对应的血管的形状是通过像素着色器输出图像结果实现。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种心脏血管病变仿真模拟的方法，其特征在于，包含以下步骤：

采集血管的三维空间位置点数据；

渲染血管走向的连线，同时基于几何着色器显示不同形状和粗细的血管线条；

计算折角线段之间的过渡点分布，得到平滑的血管显示结果；

对病变位置进行参数建模，根据该模型及结合所述血管显示结果，最终显示与真实病变相对应的血管的形状。

2.如权利要求1所述的心脏血管病变仿真模拟的方法，其特征在于，所述采集血管的三维空间位置点数据，是基于医学影像设备提取出来的三维血管数据中筛选出三维空间位置点的数据，再过滤掉已筛选出的三维空间位置点的数据中的重复与无效的部分。

3.如权利要求1所述的心脏血管病变仿真模拟的方法，其特征在于，所述渲染血管走向的连线，是送入显示单元的三维空间位置点数据的各数据点具有空间连续的关系，将各数据点依次连接起来组成表征血管走向的连线。

4.如权利要求1所述的心脏血管病变仿真模拟的方法，其特征在于，将三维空间位置点数据送入渲染血管走向的连线，在几何着色器部分将三维空间位置点扩充为矩形表示，并构建三维面片网格，实现增加复杂数据的显示。

5.如权利要求1所述的心脏血管病变仿真模拟的方法，其特征在于，所述基于几何着色器显示不同形状和粗细的血管线条步骤中还包括去除数据之间不连续的过程。

6.如权利要求5所述的心脏血管病变仿真模拟的方法，其特征在于，所述去除数据之间不连续的过程，是相邻并交叉的矩形之间形成两个三角形，根据两个三角形的顶点的前后两段直线段的方向向量，计算前后两段直线段的方向向量之和，及视平面方向的法线方向座位延伸的真实方向，根据计算结果得到v，将v与-v进行数据延伸。

7.如权利要求1所述的心脏血管病变仿真模拟的方法，其特征在于，

所述计算折角线段之间的过渡点分布，包含以下步骤：

获得相邻矩形中的两截线段方向向量，计算它们之间的夹角；

根据线段方向向量在视平面上的投影关系获得补偿点，送入像素着色器进行数据显示，得到平滑的血管过度区域，形成平滑的血管图像。

8.如权利要求7所述的心脏血管病变仿真模拟的方法，其特征在于，基于平滑的血管图像，病变部位显示在CT图像上表现为血管部分变窄，使用数据模型改变血管显示的宽度值，实现参数化模型来显示病变。

9.如权利要求1所述的心脏血管病变仿真模拟的方法，其特征在于，

所述的对病变进行参数建模，包含以下步骤：

针对单侧病变，选择并使用参数模型应用在血管单侧形变显示上；

针对双侧病变，选择并使用参数模型应用在血管两侧形变显示上。

10.如权利要求2所述的心脏血管病变仿真模拟的方法，其特征在于，

所述渲染血管走向的连线过程中的渲染方式为：

通过顶点着色器转换三维空间；

通过几何着色器调整顶点输出；

通过像素着色器输出图像结果。