CN112378557B - 一种基于x光图像的介入器械前端受力检测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于X光图像的介入器械前端受力检测方法及系统，该方法包括预先确定介入器械前端的弹性模量；获取未与血管壁接触时介入器械前端的X光图像，计算初始曲率半径；获取与血管壁接触后介入器械前端的X光图像，计算当前曲率半径；根据弹性模量、初始曲率半径和当前曲率半径，得到介入器械前端的受力。通过术中介入器械的X光图像分析介入器械前端的受力情况，从而可以直接测量介入器械前端与血管壁接触前后的受力状况，进而得到准确的受力信息，为医生或血管介入机器人判断介入器械与血管壁的接触状态提供了准确可靠的数据支持，该方法无需改变现有介入器械的结构，成本更低，易于实现。

Description

一种基于X光图像的介入器械前端受力检测方法及系统
技术领域
本发明涉及图像处理以及手术器械力学分析技术领域，更具体的说是涉及一种基于X光图像的介入器械前端受力检测方法及系统。
背景技术
目前，在血管介入手术中，介入器械前端所受的力对于医生判断器械与血管壁或病灶的接触状态具有非常重要的作用。传统的器械前端受力分析一般由人工手动完成，需要医生在后端手动推送器械时通过手指感知器械推送阻力来判断器械前端与血管壁的接触状态。为了精确测量推送力，利用机器人代替医生来对导管进行操作，并在机器人上安装力传感器，以对器械推送操作力进行量化检测。但是，无论是医生感知的推送力还是机器人力传感器检测的推送力，实质上是器械前端与血管壁接触力以及器械侧部与血管壁摩擦力综合作用的结果，并不能精确反映器械前端与血管壁接触的情况。
为了精确检测器械前端与血管壁的接触力信息，科学家与工程师通过各种方法将微小型传感器置于器械前端以检测接触力。但由于介入器械，无论是是导管还是导丝，其本身的直径就很小，再将传感器置入器械前端，不仅面临尺寸限制问题，还面临信号与能源传送问题，实用性并不强，所以未得到广泛应用。
因此，如何提供一种精确、便捷、实用性更强的介入器械前端受力检测方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于X光图像的介入器械前端受力检测方法及系统，通过介入器械的X光图像分析介入器械前端的受力情况，解决了现有的介入器械前端检测方式不够准确、便捷的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种基于X光图像的介入器械前端受力检测方法，该方法包括：
预先确定介入器械前端的弹性模量；
预先对X光成像设备的内参以及至少两个观察位置的外参进行标定，获得观测位置的投影矩阵；
获取未与血管壁接触时介入器械前端的X光图像，并计算未与血管壁接触时介入器械前端产生弯曲变形部位的初始曲率半径；
获取与血管壁接触后介入器械前端的X光图像，并计算与血管壁接触后介入器械前端产生弯曲变形部位的当前曲率半径；
根据所述弹性模量、所述初始曲率半径和所述当前曲率半径，计算得到介入器械前端的受力。
本发明中预先对X光成像设备的内参以及待观测位置的外参进行标定的过程具体为：假设C型臂X光机的相机内参矩阵为K，标定后不会调整，术中参数与术前保持一致。对术中进行观测的n个不同角度位置(n≥2)进行相机外参标定，假设外参分别为Rn与Tn。则C臂X光机在这n个位置的投影矩阵为Mn＝K×[Rn Tn]。
进一步地，所述初始曲率半径或所述当前曲率半径的获取过程具体包括：
从多个待观测位置中随机选择两个位置，得到两个投影矩阵，并分别拍摄选出的两个位置的X光图像；
分别检测介入器械在两个所述X光图像中的投影，并进行立体匹配，得到一对匹配点；
根据所述两个投影矩阵和所述一对匹配点的图像坐标，计算得到所述一对匹配点对应的空间点的三维空间坐标；
获取介入器械前端弯曲变形部位至少三个空间点的三维空间坐标，并将所述至少三个空间点拟合得到空间平面；
分别计算所述至少三个空间点在所述空间平面上的投影点，并将所述投影点在所述空间平面上拟合得到投影圆；
计算所述投影圆的半径，得到介入器械前端产生弯曲变形部位的初始曲率半径或当前曲率半径。
进一步地，所述介入器械前端的受力的计算公式为：
ΔF＝E·|r1-r0|
其中，ΔF为介入器械前端的受力，E为弹性模量，r1为当前曲率半径，r0为初始曲率半径。
由于在初始曲率半径r0状态下，介入器械前端所受的力不计(认为0)，因此曲率半径r1状态下器械前端所受的力大小即为ΔF。
另一方面，本发明还提供了一种基于X光图像的介入器械前端受力检测系统，该系统包括：
输入设备，用于录入预先确定好的介入器械前端的弹性模量；
X光成像设备，用于获取未与血管壁接触时介入器械前端的X光图像，还用于获取与血管壁接触后介入器械前端的X光图像；以及
处理器，用于接收所述X光成像设备获取到的未与血管壁接触时介入器械前端的X光图像，计算未与血管壁接触时介入器械前端产生弯曲变形部位的初始曲率半径；并接收与血管壁接触后介入器械前端的X光图像，计算与血管壁接触后介入器械前端产生弯曲变形部位的当前曲率半径；根据所述弹性模量、所述初始曲率半径和所述当前曲率半径，计算介入器械前端的受力。
进一步地，上述系统还可以包括显示设备，用于实时显示介入器械前端的受力数据，从而方便使用者查看受力信息。
进一步地，所述X光成像设备为C型臂X光机。C型臂X光机由C型的机架、产生x射线的球管、采集图像的影像增强器和CCD摄像机以及图像处理的工作站组成。主要用于各种手术中的造影、摄影等工作。另外也区别于该形状的其他x射线设备比如：U型臂，G形臂等等，也可以用作本发明中的X光成像设备。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于X光图像的介入器械前端受力检测方法及系统，通过术中介入器械的X光图像分析介入器械前端的受力情况，从而可以直接测量介入器械前端与血管壁接触前后的受力状况，进而得到准确的受力信息，为医生或血管介入机器人判断介入器械与血管壁的接触状态提供了准确可靠的数据支持，该方法无需改变现有介入器械的结构，成本低更低，易于实现。
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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种基于X光图像的介入器械前端受力检测方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中未与血管壁接触时介入器械前端的受力状态示意图；
图3为本发明实施例中与血管壁接触的某一时刻介入器械前端的受力状态示意图；
图4为本发明提供的一种基于X光图像的介入器械前端受力检测系统的结构架构示意图；
图5为本发明实施例中双C型臂系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一方面，参见附图1，本发明实施例公开了一种基于X光图像的介入器械前端受力检测方法，该方法包括：
S1：预先确定介入器械前端的弹性模量。
介入器械前端受力后会产生弯曲变形，设介入器械前端的弯曲变形用变形部位的曲率半径r表示，变形量用曲率半径的变化量Δr表示。由于器械前端的弯曲变形是由于器械前端与外部物体接触力F造成，器械前端弯曲部位的变形量与外部受力的变化量ΔF以及器械的弯曲变形的弹性模量相关，因此根据F＝E·r，得到E＝F/r，从而获得弹性模量。
S2：预先对X光成像设备的内参以及至少两个待观测位置的外参进行标定，获得观测位置的投影矩阵。
假设X光成像设备的相机内参矩阵为K，标定后不会调整，术中参数与术前保持一致。对术中进行观测的n个不同角度位置(n≥2)进行相机外参标定，假设外参分别为Rn与Tn。则C臂X光机在这n个位置的投影矩阵为Mn＝K×[Rn Tn]。
S3：获取未与血管壁接触时介入器械前端的X光图像，并计算未与血管壁接触时介入器械前端产生弯曲变形部位的初始曲率半径。
在介入手术过程中，将器械送入人体血管后，通过DSA血管造影观察，在确定器械前端未与血管壁发生接触的情况下，通过n个观测位置中的任意2个位置，利用X光成像设备对器械前端成像，通过双目立体视觉技术重建器械前端的三维形状，计算此时器械前端产生弯曲变形部位的曲率半径，记为初始曲率半径r0。
其中测量器械前端弯曲变形部分曲率半径的具体步骤为：
步骤1：对上述n个位置中的任意两个位置，设为位置i和位置j，拍摄的X光图像分别为Ii和Ij，对X光图像Ii和X光图像Ij分别利用目标检测方法，检测出介入器械S在两图像中的投影，分别为Si和Sj，并进行立体匹配。假设ai和aj分别是器械图像Si和Sj上的点且是一对匹配点，其对应空间点为A，则依据公知的立体视觉测量技术，由匹配点ai、aj的图像坐标和投影矩阵Mi、Mj获得A点的三维空间坐标，即A＝f(Mi,Mj,ai,aj)；
步骤2：获取介入器械S的弯曲变形部位上至少3个点的空间位置，假设为A、B、C。由A、B、C三点拟合出空间平面Pi，并计算3个点在平面Pi上的投影，分别为A’、B’和C’。由A’、B’和C’拟合平面上的圆，圆的半径即为介入器械S弯曲部位的曲率半径。
S4：获取与血管壁接触后介入器械前端的X光图像，并计算与血管壁接触后介入器械前端产生弯曲变形部位的当前曲率半径。
在介入手术过程中，将器械送入人体血管后，在保持器械静止状态下，通过n个观测位置中的任意2个位置，利用C型臂X光机对器械前端成像，通过双目立体视觉技术重建器械前端的三维形状，计算器械前端弯曲部位的曲率半径，记为当前曲率半径r1。
S5：根据弹性模量、初始曲率半径和当前曲率半径，计算得到介入器械前端的受力。
首先，参见附图2和图3，为介入器械在与血管壁接触前后的弯曲变形部位的受力分析，介入器械前端弯曲变形的变化量为：
Δr＝|r1-r0|，
其中，r0是步骤S3中，器械前端未与血管壁接触时的弯曲变形部位的曲率半径，r1是要测量器械前端受力情形时的器械前端弯曲变形部位的曲率半径。
然后测量前端的受力：由步骤S1所确定的弯曲变形弹性模量E和上面所测量的器械前端弯曲变形变化量Δr，计算器械前端受力的变化量公式为：
ΔF＝E·Δr
因为在初始曲率半径r0状态下器械前端所受的力F0不计(认为0)，因此当前曲率半径r1状态下器械前端所受的力大小F1即为ΔF。
另一方面，参见附图4，本发明实时例还公开了一种基于X光图像的介入器械前端受力检测系统，该系统包括：
输入设备1，用于录入预先确定好的介入器械前端的弹性模量；
X光成像设备2，用于获取未与血管壁接触时介入器械前端的X光图像，还用于获取与血管壁接触后介入器械前端的X光图像；以及
处理器3，用于接收X光成像设备2获取到的未与血管壁接触时介入器械前端的X光图像，计算未与血管壁接触时介入器械前端产生弯曲变形部位的初始曲率半径；并接收X光成像设备2获取到的与血管壁接触后介入器械前端的X光图像，计算与血管壁接触后介入器械前端产生弯曲变形部位的当前曲率半径；根据输入设备1录入的弹性模量、初始曲率半径和当前曲率半径，计算介入器械前端的受力。
考虑到医生在术中便于查看受力数据，还可以在系统中设置显示设备4，当然，为了后期数据分析时需要，还可以利用处理器自身的存储单元或增设外置存储设备实现数据的实时存储。
本实施例中X光成像设备使用C型壁X光机，当使用单C型臂时，观察时需要转动C型臂到两个不同位置观测；在转动C臂过程中，需要保持器械不动。如果使用双C型臂系统，可以实现同时对两个位置的观测，可以实现实时的测量，具体可以根据实际需要合理选择C型臂的设置数量。
参见附图5，为双C型臂系统的结构示意图，图中S1、S2为两个X射线源，S为介入器械，M1、M2为两个C型臂，I1、I2为两个X光平板影像器，两个C型臂交叉布置，可以同时通过两个X射线源拍摄得到两个位置的X光图像，实现对两个位置的观测。
综上所述，本发明考虑到由于介入器械为具有一定韧性的柔性材料制作而成，器械前端受力时会造成器械前端的受力变形。通过分析器械前端受力后变形程度，结合器械的弹性变形模量，从而推算器械前端的受力。由于器械前端的变形情况只与器械前端的受力相关，从而达到不用改造介入器械就可实现精确测量介入器械前端受力的目的，更加易于实现，且此种检测受力的方式更加精确可靠。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
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发明。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，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种基于X光图像的介入器械前端受力检测方法，其特征在于，包括：
预先确定介入器械前端的弹性模量；
预先对X光成像设备的内参以及至少两个观察位置的外参进行标定，获得观测位置的投影矩阵；
获取未与血管壁接触时介入器械前端的X光图像，并计算未与血管壁接触时介入器械前端产生弯曲变形部位的初始曲率半径；
获取与血管壁接触后介入器械前端的X光图像，并计算与血管壁接触后介入器械前端产生弯曲变形部位的当前曲率半径；
根据所述弹性模量、所述初始曲率半径和所述当前曲率半径，计算得到介入器械前端的受力；
所述初始曲率半径或所述当前曲率半径的获取过程具体包括：
从多个待观测位置中随机选择两个位置，得到两个投影矩阵，并分别拍摄选出的两个位置的X光图像；
分别检测介入器械在两个所述X光图像中的投影，并进行立体匹配，得到一对匹配点；
根据所述两个投影矩阵和所述一对匹配点的图像坐标，计算得到所述一对匹配点对应的空间点的三维空间坐标；
获取介入器械前端弯曲变形部位至少三个空间点的三维空间坐标，并将所述至少三个空间点拟合得到空间平面；
分别计算所述至少三个空间点在所述空间平面上的投影点，并将所述投影点在所述空间平面上拟合得到投影圆；
计算所述投影圆的半径，得到介入器械前端产生弯曲变形部位的初始曲率半径或当前曲率半径。
2.根据权利要求1所述的一种基于X光图像的介入器械前端受力检测方法，其特征在于，所述介入器械前端的受力的计算公式为：
ΔF＝E·|r1-r0|
其中，ΔF为介入器械前端的受力，E为弹性模量，r1为当前曲率半径，r0为初始曲率半径。
3.一种根据权利要求1-2中任一项所述的基于X光图像的介入器械前端受力检测方法的检测系统，其特征在于，包括：
输入设备，用于录入预先确定好的介入器械前端的弹性模量；
X光成像设备，用于获取未与血管壁接触时介入器械前端的X光图像，还用于获取与血管壁接触后介入器械前端的X光图像；以及处理器，用于接收所述X光成像设备获取到的未与血管壁接触时介入器械前端的X光图像，计算未与血管壁接触时介入器械前端产生弯曲变形部位的初始曲率半径；并接收所述X光成像设备获取到的与血管壁接触后介入器械前端的X光图像，计算与血管壁接触后介入器械前端产生弯曲变形部位的当前曲率半径；根据所述输入设备录入的弹性模量、所述初始曲率半径和所述当前曲率半径，计算介入器械前端的受力。
4.根据权利要求3所述的检测系统，其特征在于，所述X光成像设备为C型臂X光机。
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