CN110729051A - 一种介入手术中的导丝力学分析方法、系统及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种介入手术中的导丝力学分析方法、系统及电子设备。所述方法包括：步骤a：获取成像物体的三维影像；步骤b：从所述三维影像中提取导丝的三维形态；步骤c：对所述导丝的三维形态进行中心线计算，获得其在三维空间中的一维拓扑结构，并根据所述一维拓扑结构计算得到单位元上的体积力；步骤d：根据所述单位元上的体积力计算已知外界约束条件下外界对导丝的接触力。本申请通过血管内复杂受力环境下的力学分析，可以对血管受力进行分析，有助于实现预警功能；并可以对医疗机器人推进机构施力进行分析，增加力反馈模块的功能，有助于推进机构控制自动化的实现。
Description
技术领域
本申请属于医学工程技术领域，特别涉及一种介入手术中的导丝力学分析方法、系统及电子设备。
背景技术
传统的血管介入手术中，因为手术位于放射成像环境内，介入医师暴露于X光射线环境下，需要身穿铅质防护服，为手术带来诸多不便。为改善手术环境，保护医师免于射线辐射，现开发远程控制医疗机器人实施血管介入手术，介入医师基于X光影像和触感反馈远程控制医疗机器人在放射影像室内实施手术。远程控制医疗机器人的方案，通过Omega-3触感交互设备进行人机交互，控制机器人电机进行双向旋转推进后退的操作，医师则借助于X光成像结果控制机器人进行血管介入手术。实际控制中，控制对象为介入导丝尖端的运动状态，系统输入的信号则为旋转和推进电机的控制信号。为配合图像信号优化实际控制操作，需要对导丝进行动力学建模以得出导丝的力学环境。通过导丝的力学环境可以还原出模拟真实传统非遥控的手术环境，以及对血管内模型受力情况的估测。现有的导丝形态提取依靠视觉，由于导丝手术中位于病人体内，其基本没有临床应用的可能。已知形态通过有限元计算软件，其计算耗时难以实现即时反馈。
现有技术中，导丝的力学环境估计方法主要包括：
一、通过对导丝形态的视觉提取，借助Abaqus商业有限元计算软件进行力学环境分析而获得血管介入环境的接触力的估测[M.Razban,J.Dargahi,and B.Boulet.Asensor-less catheter contact force estimation approach in endovascularintervention procedures*.In 2018IEEE/RSJ International Conference onIntelligent Robots and Systems(IROS),pages 2100–2106,Oct2018.]。该方法基于二维影像处理，较之三维环境的力学分析复杂度大大降低，然而实际手术要求则需要进行三维的影像重建接触力的环境。
二、通过激光反射传感器测量导丝的微小形变，将其映射到磁流变液体介质当中，通过控制磁流变液外部施加的磁场来控制插入磁流变液容器中的导丝的触感变化[S.Guo,Y.Song,X.Yin,L.Zhang,T.Tamiya,H.Hirata,and H.Ishihara.A novel robot-assistedendovascular catheterization system with haptic force feedback.IEEE Transac-tions on Robotics,35(3):685–696,June 2019.]。该方法缺少传感器数据的重建和对应数据映射到人机触觉交互界面的具体方案。
三、基于准刚体假设对导丝构建力学模型模拟从而对其进行仿真，获得导丝在已知力学环境里的形态[T.Greigarn,R.Jackson,T.Liu,and M.C.
oglu.Experimental validation of the pseudo-rigid-body model of the mri-actuatedcatheter.In 2017IEEE International Confe-rence on Robotics and Automation(ICRA),pages 3600–3605,May 2017.]。该方法仅提供已知边界条件下的导丝形态估测。
发明内容
本申请提供了一种介入手术中的导丝力学分析方法、系统及电子设备，旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。
为了解决上述问题，本申请提供了如下技术方案：
一种介入手术中的导丝力学分析方法，包括以下步骤：
步骤a：获取成像物体的三维影像；
步骤b：从所述三维影像中提取导丝的三维形态；
步骤c：对所述导丝的三维形态进行中心线计算，获得其在三维空间中的一维拓扑结构，并根据所述一维拓扑结构计算得到单位元上的体积力；
步骤d：根据所述单位元上的体积力计算已知外界约束条件下外界对导丝的接触力。
本申请实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤a中，所述获取成像物体的三维影像具体为：通过C臂X光对成像物体进行180度扫描，得到成像物体的一组X光透视影像。
本申请实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤b中，所述从三维影像中提取导丝的三维形态具体为：通过灰度值阈值的调整过滤，从获取的三维影像中提取导丝三维点阵模型，确定导丝的三维形态。
本申请实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤c中，所述对导丝的三维形态进行中心线计算，获得其在三维空间中的一维拓扑结构，并根据所述一维拓扑结构计算得到单位元上的体积力具体为：基于连续介质力学方法，根据导丝受力后的形变计算其应变，保留应变中的高阶项得出导丝内部应力，由导丝内部应力进行二阶近似离散化，利用泰勒公式计算一阶二阶形变的偏导数并重构得出单位元上的体积力。
本申请实施例采取的技术方案还包括：所述步骤d还包括：根据外界对应的环境确定边界条件，得到外界约束条件。
本申请实施例采取的另一技术方案为：一种介入手术中的导丝力学分析系统，包括：
影像获取模块：用于获取成像物体的三维影像；
导丝形态提取模块：用于从所述三维影像中提取导丝的三维形态；
应力计算模块：用于对所述导丝的三维形态进行中心线计算，获得其在三维空间中的一维拓扑结构，并根据所述一维拓扑结构计算得到单位元上的体积力；
接触力计算模块：用于根据所述单位元上的体积力计算已知外界约束条件下外界对导丝的接触力。
本申请实施例采取的技术方案还包括：所述影像获取模块获取成像物体的三维影像具体为：通过C臂X光对成像物体进行180度扫描，得到成像物体的一组X光透视影像。
本申请实施例采取的技术方案还包括：所述导丝形态提取模块从三维影像中提取导丝的三维形态具体为：通过灰度值阈值的调整过滤，从获取的三维影像中提取导丝三维点阵模型，确定导丝的三维形态。
本申请实施例采取的技术方案还包括：所述应力计算模块对导丝的三维形态进行中心线计算，获得其在三维空间中的一维拓扑结构，并根据所述一维拓扑结构计算得到单位元上的体积力具体为：基于连续介质力学方法，根据导丝受力后的形变计算其应变，保留应变中的高阶项得出导丝内部应力，由导丝内部应力进行二阶近似离散化，利用泰勒公式计算一阶二阶形变的偏导数并重构得出单位元上的体积力。
本申请实施例采取的技术方案还包括外界环境确定模块，所述外界环境确定模块用于根据外界对应的环境确定边界条件，得到外界约束条件。
本申请实施例采取的又一技术方案为：一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述的介入手术中的导丝力学分析方法的以下操作：
步骤a：获取成像物体的三维影像；
步骤b：从所述三维影像中提取导丝的三维形态；
步骤c：对所述导丝的三维形态进行中心线计算，获得其在三维空间中的一维拓扑结构，并根据所述一维拓扑结构计算得到单位元上的体积力；
步骤d：根据所述单位元上的体积力计算已知外界约束条件下外界对导丝的接触力。
相对于现有技术，本申请实施例产生的有益效果在于：本申请实施例的介入手术中的导丝力学分析方法、系统及电子设备基于连续介质力学的非线性弹力理论，考虑到大形变情况下高阶项不可忽略的情况，提供了三维形态的重建和力的估测，从而得以重建介入导丝的外界接触力以及触感反馈。本申请通过血管内复杂受力环境下的力学分析，可以对血管受力进行分析，有助于实现预警功能；并可以对医疗机器人推进机构施力进行分析，增加力反馈模块的功能，有助于推进机构控制自动化的实现。
附图说明
图1是本申请实施例的介入手术中的导丝力学分析方法的流程图；
图2是本申请实施例的介入手术中的导丝力学分析系统的结构示意图；
图3是本申请实施例提供的介入手术中的导丝力学分析方法的硬件设备结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
请参阅图1，是本申请实施例的介入手术中的导丝力学分析方法的流程图。本申请实施例的介入手术中的导丝力学分析方法包括以下步骤：
步骤100：通过C臂X光获取成像物体的三维影像；
步骤100中，三维影像获取方式具体为：C臂X光对成像物体进行180度扫描，得到成像物体的一组X光透视影像。
步骤200：通过灰度值阈值的调整过滤，从获取的三维影像中提取导丝三维点阵模型，确定导丝的三维形态；
步骤300：对导丝的三维形态进行中心线计算，获得其在三维空间中的一维拓扑结构，并根据一维拓扑结构计算得到单位元上的体积力；
步骤300中，单位元上的体积力计算方法为基于连续介质力学方法的非线性弹力理论，考虑到大形变情况下高阶项不可忽略的情况，由应力应变关系出发，基于导丝受力后的形变计算其应变，保留应变中的高阶项得出导丝内部应力，由导丝内部应力进行二阶近似离散化，利用泰勒公式计算一阶二阶形变的偏导数并重构得出单位元上的体积力。
步骤400：根据外界对应的环境确定边界条件，得到外界约束条件；
步骤500：根据单位元上的体积力计算已知外界约束条件下外界对导丝的接触力；
步骤500中，可根据外界对导丝的接触力计算结果进行触感重建或血管介入风险预警等操作。经由实验可以得出导丝离散化计算结果的内部应力，结果与传感器拟合可以得出校正后的外部约束条件下的接触力。
请参阅图2，是本申请实施例的介入手术中的导丝力学分析系统的流程图。本申请实施例的介入手术中的导丝力学分析系统包括影像获取模块、导丝形态提取模块、应力计算模块、外界环境确定模块和接触力计算模块。
影像获取模块：用于获取成像物体的三维影像；其中，三维影像获取方式具体为：C臂X光对成像物体进行180度扫描，得到成像物体的一组X光透视影像。
导丝形态提取模块：用于通过灰度值阈值的调整过滤，从获取的三维影像中提取导丝三维点阵模型，确定导丝的三维形态；
应力计算模块：用于对导丝的三维形态进行中心线计算，获得其在三维空间中的一维拓扑结构，并根据一维拓扑结构计算得到单位元上的体积力；其中，单位元上的体积力计算方法为基于连续介质力学方法的非线性弹力理论，考虑到大形变情况下高阶项不可忽略的情况，由应力应变关系出发，基于导丝受力后的形变计算其应变，保留应变中的高阶项得出导丝内部应力，由导丝内部应力进行二阶近似离散化，利用泰勒公式计算一阶二阶形变的偏导数并重构得出单位元上的体积力。
外界环境确定模块：用于根据外界对应的环境确定边界条件，得到外界约束条件；
接触力计算模块：用于根据单位元上的体积力计算已知外界约束条件下外界对导丝的接触力；其中，可根据外界对导丝的接触力计算结果进行触感重建或血管介入风险预警等操作。经由实验可以得出导丝离散化计算结果的内部应力，结果与传感器拟合可以得出校正后的外部约束条件下的接触力。
图3是本申请实施例提供的介入手术中的导丝力学分析方法的硬件设备结构示意图。如图3所示，该设备包括一个或多个处理器以及存储器。以一个处理器为例，该设备还可以包括：输入系统和输出系统。
处理器、存储器、输入系统和输出系统可以通过总线或者其他方式连接，图3中以通过总线连接为例。
存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块。处理器通过运行存储在存储器中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行电子设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例的处理方法。
存储器可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理系统。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
输入系统可接收输入的数字或字符信息，以及产生信号输入。输出系统可包括显示屏等显示设备。
所述一个或者多个模块存储在所述存储器中，当被所述一个或者多个处理器执行时，执行上述任一方法实施例的以下操作：
步骤a：获取成像物体的三维影像；
步骤b：从所述三维影像中提取导丝的三维形态；
步骤c：对所述导丝的三维形态进行中心线计算，获得其在三维空间中的一维拓扑结构，并根据所述一维拓扑结构计算得到单位元上的体积力；
步骤d：根据所述单位元上的体积力计算已知外界约束条件下外界对导丝的接触力。
上述产品可执行本申请实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本申请实施例提供的方法。
本申请实施例提供了一种非暂态(非易失性)计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行以下操作：
步骤a：获取成像物体的三维影像；
步骤b：从所述三维影像中提取导丝的三维形态；
步骤c：对所述导丝的三维形态进行中心线计算，获得其在三维空间中的一维拓扑结构，并根据所述一维拓扑结构计算得到单位元上的体积力；
步骤d：根据所述单位元上的体积力计算已知外界约束条件下外界对导丝的接触力。
本申请实施例提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，使所述计算机执行以下操作：
步骤a：获取成像物体的三维影像；
步骤b：从所述三维影像中提取导丝的三维形态；
步骤c：对所述导丝的三维形态进行中心线计算，获得其在三维空间中的一维拓扑结构，并根据所述一维拓扑结构计算得到单位元上的体积力；
步骤d：根据所述单位元上的体积力计算已知外界约束条件下外界对导丝的接触力。
本申请实施例的介入手术中的导丝力学分析方法、系统及电子设备基于连续介质力学的非线性弹力理论，考虑到大形变情况下高阶项不可忽略的情况，提供了三维形态的重建和力的估测，从而得以重建介入导丝的外界接触力以及触感反馈。本申请通过血管内复杂受力环境下的力学分析，可以对血管受力进行分析，有助于实现预警功能；并可以对医疗机器人推进机构施力进行分析，增加力反馈模块的功能，有助于推进机构控制自动化的实现。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本申请中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本申请所示的这些实施例，而是要符合与本申请所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (11)
1.一种介入手术中的导丝力学分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a：获取成像物体的三维影像；
步骤b：从所述三维影像中提取导丝的三维形态；
步骤c：对所述导丝的三维形态进行中心线计算，获得其在三维空间中的一维拓扑结构，并根据所述一维拓扑结构计算得到单位元上的体积力；
步骤d：根据所述单位元上的体积力计算已知外界约束条件下外界对导丝的接触力。
2.根据权利要求1所述的介入手术中的导丝力学分析方法，其特征在于，在所述步骤a中，所述获取成像物体的三维影像具体为：通过C臂X光对成像物体进行180度扫描，得到成像物体的一组X光透视影像。
3.根据权利要求2所述的介入手术中的导丝力学分析方法，其特征在于，在所述步骤b中，所述从三维影像中提取导丝的三维形态具体为：通过灰度值阈值的调整过滤，从获取的三维影像中提取导丝三维点阵模型，确定导丝的三维形态。
4.根据权利要求1至3任一项所述的介入手术中的导丝力学分析方法，其特征在于，在所述步骤c中，所述对导丝的三维形态进行中心线计算，获得其在三维空间中的一维拓扑结构，并根据所述一维拓扑结构计算得到单位元上的体积力具体为：基于连续介质力学方法，根据导丝受力后的形变计算其应变，保留应变中的高阶项得出导丝内部应力，由导丝内部应力进行二阶近似离散化，利用泰勒公式计算一阶二阶形变的偏导数并重构得出单位元上的体积力。
5.根据权利要求4所述的介入手术中的导丝力学分析方法，其特征在于，所述步骤d还包括：根据外界对应的环境确定边界条件，得到外界约束条件。
6.一种介入手术中的导丝力学分析系统，其特征在于，包括：
影像获取模块：用于获取成像物体的三维影像；
导丝形态提取模块：用于从所述三维影像中提取导丝的三维形态；
应力计算模块：用于对所述导丝的三维形态进行中心线计算，获得其在三维空间中的一维拓扑结构，并根据所述一维拓扑结构计算得到单位元上的体积力；
接触力计算模块：用于根据所述单位元上的体积力计算已知外界约束条件下外界对导丝的接触力。
7.根据权利要求6所述的介入手术中的导丝力学分析系统，其特征在于，所述影像获取模块获取成像物体的三维影像具体为：通过C臂X光对成像物体进行180度扫描，得到成像物体的一组X光透视影像。
8.根据权利要求7所述的介入手术中的导丝力学分析系统，其特征在于，所述导丝形态提取模块从三维影像中提取导丝的三维形态具体为：通过灰度值阈值的调整过滤，从获取的三维影像中提取导丝三维点阵模型，确定导丝的三维形态。
9.根据权利要求6至8任一项所述的介入手术中的导丝力学分析系统，其特征在于，所述应力计算模块对导丝的三维形态进行中心线计算，获得其在三维空间中的一维拓扑结构，并根据所述一维拓扑结构计算得到单位元上的体积力具体为：基于连续介质力学方法，根据导丝受力后的形变计算其应变，保留应变中的高阶项得出导丝内部应力，由导丝内部应力进行二阶近似离散化，利用泰勒公式计算一阶二阶形变的偏导数并重构得出单位元上的体积力。
10.根据权利要求9所述的介入手术中的导丝力学分析系统，其特征在于，还包括外界环境确定模块，所述外界环境确定模块用于根据外界对应的环境确定边界条件，得到外界约束条件。
11.一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述1至5任一项所述的介入手术中的导丝力学分析方法的以下操作：
步骤a：获取成像物体的三维影像；
步骤b：从所述三维影像中提取导丝的三维形态；
步骤c：对所述导丝的三维形态进行中心线计算，获得其在三维空间中的一维拓扑结构，并根据所述一维拓扑结构计算得到单位元上的体积力；
步骤d：根据所述单位元上的体积力计算已知外界约束条件下外界对导丝的接触力。
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|---|---|
| CN110729051B (zh) | 2022-11-22 |
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