CN113413212B - 一种气管疾病诊疗手术中支气管镜自动介入的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于支气管镜介入领域，具体涉及一种气管疾病诊疗手术中支气管镜自动介入的方法，包括如下步骤：S1：通过CT扫描获取数据完成支气管模型三维重建；S2：对人体支气管进行数据处理以及重建模型的测量分析；S3：实现支气管镜的自动介入过程。本发明的气管疾病诊疗手术中支气管镜自动介入的方法，首先通过CT扫描获取数据完成支气管模型的三维重建，然后对重建模型进行测量分析，最后根据分析结果实现支气管镜的自动介入过程，解决了支气管镜介入诊疗过程中存在的不同年龄段人群的气道结构不同，病灶位置不确定等问题，为临床上提供相应的理论基础，有利于避免人工手术存在的不稳定与不确定性，降低手术风险，提高手术质量。

Description

一种气管疾病诊疗手术中支气管镜自动介入的方法
技术领域
本发明属于支气管镜介入领域，具体涉及一种气管疾病诊疗手术中支气管镜自动介入的方法。
背景技术
近年来，随着自然环境的逐渐恶劣以及新型病毒的出现，患有呼吸系统疾病的概率逐渐增加，支气管镜介入术不仅在临床呼吸疾病的诊断中具有十分重要的价值，而且在气管支架植入及局部治疗等方面得到广泛应用。
目前支气管镜介入手术主要由医生手动操作，凭借视觉图像和临床经验识别和判断各级支气管开口位置，不断调节操纵导管介入。但由于气道环境复杂，存在不同年龄段人群的气道结构不同，病灶位置不确定等问题，临床上缺乏支气管生理结构规律及相应的导管介入理论分析，可能使导管触碰气道内壁粘膜导致粘膜损伤，引起患者产生刺激性咳嗽等不适症状，从而影响手术的治疗质量。另一方面，长时间的介入过程会导致医生产生疲劳感，影响支气管镜操作的稳定性，为介入过程增加不少难度。
利用三维重建技术得到可以获取气管中病灶位置及其周围相邻的组织的数据文件，可以方便快捷完成精准的诊断治疗，甚至可为术后评价提供一定的指导。
基于上述问题，提出一种支气管镜自动介入方法以解决上述问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开了一种气管疾病诊疗手术中支气管镜自动介入的方法，首先通过CT扫描获取数据完成支气管模型的三维重建，然后对重建模型进行测量分析，最后根据分析结果实现支气管镜的自动介入过程，解决了支气管镜介入诊疗过程中存在的不同年龄段人群的气道结构不同，病灶位置不确定等问题，为临床上提供相应的理论基础，有利于避免人工手术存在的不稳定与不确定性，降低手术风险，提高手术质量。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种气管疾病诊疗手术中支气管镜自动介入的方法，包括如下步骤：
S1：通过CT扫描获取数据完成支气管模型三维重建；
S2：对人体支气管进行数据处理以及重建模型的测量分析；
S3：实现支气管镜的自动介入过程。
作为优选，上述步骤S1具体为：
S11：获取CT扫描数据，根据人体胸腔内部支气管的基本生理结构特征，完成对气管支气管数据的筛选和修复；
S12：采用Mimicis17.0软件将获取的CT数据导入，生成胸腔的冠状面、矢状面、水平面以及3D视图，完成图像预处理操作；
S13：应用Mimicis17.0软件的“Segment Airway”工具来分割图像，并进行相应的建模操作，完成支气管模型的三维重建。
作为优选，上述步骤S2具体为：
S21：在Mimics软件中，选取支气管模型各断层截面位置中心点，进行支气管中心线的生成；
S22：获取中心线长度及线上各点距离数据，生成三维曲线，并对曲线拟合优化得到拟合方程式；
S23：对重建的支气管进行测量分析，获取支气管不同位置的直径及曲率大小，实现支气管模型的参数测量与动态显示；
S24：利用3-matic获得三维测量和分析对应的模型，对模型进行网格划分，采用三点测量法对前三级支气管分叉处的角度进行测量，在支气管模型中将曲率不同的位置以不同颜色标记，完成对支气管模型的曲率变化分析；
S25：基于Qt软件，采用C语言对Mimics软件操作系统进行编辑，以完成支气管镜介入环境分析系统开发，完成对人体支气管进行数据处理以及重建模型的测量分析。
作为优选，上述步骤S3具体为：
S31：提出支气管镜导管弯曲部力学模型假设条件，对于导管介入情况，针对大挠度曲线及纯圆弧运动曲线进行等效建模分析，支气管镜导管弯曲部的弯曲范围在40°-60°；
S32：对弯曲状态下导管位姿变化关节间的运动关系进行解析，针对单节导管建立相应的坐标系，以D-H法对单节导管进行运动学正逆矩阵的求解，推导出n节导管运动的表达方式；
S33：在有约束和无约束条件下对导管弯曲部进行仿真，发现导管前端弯曲部的弯曲角度与驱动弹簧力之间的关系均接近于线性关系，在介入支气管的过程中，最大弯曲角度维持在40°-60°，根据弯曲角度获取其对应的驱动弹簧力大小以及驱动弹簧位移量大小；
S34：通过运动学分析确定导管介入控制规律，根据中心线路径分析结果，完成支气管镜的自动介入过程。
作为优选，上述S11中获取CT扫描数据具体为：采用256排螺旋扫描方式，扫描范围为成人胸廓上端主气管顶部位置至脯肌，进行水平连续扫描，描层厚选择为0.5mm，获得DICOM格式的CT扫描数据。
作为优选，上述S22具体为：获取中心线长度及线上各点距离数据，导入Matlab软件生成三维曲线，并对曲线拟合优化得到置信度为95％的拟合方程式，如下所示：
f(x,y)＝a+b*sin(m*pi*x*y)+c*exp(-(w*y)^2)
其中：a＝492(-2.794e+06,2.795e+06)；
b＝5.832(-31 0.1,321.8)；
c＝1.136(-2.795e+06,2.795e+06)；
m＝-6.837(-6.943,-6.731)；
w＝-0.003952(-4956,4956)。
作为优选，上述S34具体为：根据中心线路径分析结果，首先将导管末端置于支气管模型首段开口处，利用支气管镜的驱动装置控制模块实现导管整体前进运动、自身的小范围旋捻，并通过手柄控制旋钮完成弯曲动作。
作为优选，上述驱动装置通过控制导管介入距离的长短，按照规划路径行进固定距离，以达到指定位置点。
作为优选，上述S34还包括：通过摄影将导管末端处于气管不同位置的状态显式出来，显示高亮处为导管末端介入的位置，即按照预定规划介入到各标记点处。
本发明具有如下的有益效果：
本发明的气管疾病诊疗手术中支气管镜自动介入的方法，首先通过CT扫描获取数据完成支气管模型的三维重建，然后对重建模型进行测量分析，最后根据分析结果实现支气管镜的自动介入过程，解决了支气管镜介入诊疗过程中存在的不同年龄段人群的气道结构不同，病灶位置不确定等问题，为临床上提供相应的理论基础，有利于避免人工手术存在的不稳定与不确定性，降低手术风险，提高手术质量。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明中获得支气管三维重建模型的技术流程图；
图2是本发明中基于Mimics软件支气管建模分析操作系统图；
图3是本发明所用支气管镜的结构示意图；
图4是本发明中支气管镜导管介入原理图；
图5是本发明中导管介入过程不同位置状态示意图。
具体实施方式
现在结合实施例对本发明作进一步详细的说明。
一种气管疾病诊疗手术中支气管镜自动介入的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：通过CT扫描获取数据完成支气管模型三维重建，具体为：
S11：采用256排螺旋扫描方式，扫描范围为成人胸廓上端主气管顶部位置至脯肌，进行水平连续扫描，描层厚选择为0.5mm，获得DICOM格式的CT扫描数据，根据人体胸腔内部支气管的基本生理结构特征，完成对气管支气管数据的筛选和修复；
S12：采用Mimicis17.0软件将获取的CT数据导入，生成胸腔的冠状面、矢状面、水平面以及3D视图，完成图像预处理操作(生成的胸腔的冠状面、矢状面、水平面及3D视图之间相互联系，用于完成图像任意一点的空间定位，采用阈值分割(阈值范围为-1024Hu～500Hu)、区域生长以及光滑处理等方法，结合人工编辑修改处理，完成去除漂浮像素、图像平滑等图像预处理操作)；
S13：应用Mimicis17.0软件的“Segment Airway”工具来分割图像，并进行相应的建模操作，完成支气管模型的三维重建(Mimics17.0软件可自动进行图像处理、提出关键部分并建立重建的蒙版，并能根据重建需求手动调节“Leakage detection”强弱程度，通过人工处理，完成补充漏选的支气管分析及删除多余组织，进而完成图像的预处理操作)。
支气管三维重建模型的技术流程图如图1所示。
S2：对人体支气管进行数据处理以及重建模型的测量分析，具体为：
S21：在Mimics软件中，选取支气管模型各断层截面位置中心点，进行支气管中心线的生成，并进行透明显示(在Mimics软件中，选取支气管模型各断层截面中心的位置点，运用软件中“Medcad”模块的“Fit Centerline”功能，选取该模型“Airway1”，直接进行支气管中心线的生成，并进行透明显示，并导出中心线不同位置的点云集)；
S22：获取中心线长度及线上各点距离数据，导入Matlab软件生成三维曲线，并对曲线拟合优化得到置信度为95％的拟合方程式，如下所示：
f(x,y)＝a+b*sin(m*pi*x*y)+c*exp(-(w*y)^2)
其中：a＝492(-2.794e+06,2.795e+06)；
b＝5.832(-31 0.1,321.8)；
c＝1.136(-2.795e+06,2.795e+06)；
m＝-6.837(-6.943,-6.731)；
w＝-0.003952(-4956,4956)；
其中，pi为π，exp为以自然数e为底的指数函数，e为自然数，(w*y)^2)代表w和y乘积的平方，也可以写成c*exp(-(w*y)2)。
S23：对重建的支气管的直径、横截面积以及中心线的走势曲率和路径长度进行从上至下的依次测量分析，获取支气管中心线曲率走势及不同位置的形状数据，实现支气管模型的参数测量与动态显示；
S24：将上述数据导入3-matic软件，进行数据补充修改等预处理后便能进行三维测量和分析对应的模型，为更好显示支气管结构不同位置曲率变化情况，对模型进行网格划分，采用三点测量法对前三级支气管分叉处的角度进行测量，在支气管模型中将曲率不同的位置以不同颜色标记，完成对支气管模型的曲率变化分析(为更好显示支气管结构不同位置曲率变化情况，选择“Maximun Curvature”作为分析类型，选择“Noisy”作为网格类型，采用三点测量法对部分支气管分叉处的角度进行测量，将曲率不同的位置以相对应的带有不同颜色的3D物体显示，完成对支气管模型曲率变化分析，得到各级支气管之间的固有夹角较大，大约为120°至140°左右，而导管末端弯曲部弯曲角度为测量角度的补角，最大维持在40°至60°左右即可使导管达到预定位置，完成相应的治疗)；
S25：基于Qt软件，采用C语言对Mimics软件操作系统进行编辑，以完成支气管镜介入环境分析系统开发，完成对人体支气管进行数据处理以及重建模型的测量分析，即完成支气管镜介入环境分析系统开发(所开发系统自动以“气管—支气管”方向选取两点自动提取图像特征，针对漏选的支气管分支以及误选的非支气管组织，可进行不断的编辑修改，完成支气管树3D模型的重建及模型光滑处理操作，也可以完成对人体支气管模型数据处理以及不同位置曲率变化的测量分析)。
基于Mimics软件支气管建模分析操作系统图如图2所示。
S3：实现支气管镜的自动介入过程，具体为：
如图3所示，支气管镜为蛇形导管结构，由插入部和弯曲部组成，插入部为普通医用导管，弯曲部为若干个蛇形吊环铆接而成，其内表面均分布两个相同的弹簧导向孔，用来控制弯曲的合金钢丝驱动弹簧，实现相邻的吊环之间可以上下活动。
S31：提出支气管镜导管弯曲部力学模型假设条件，对于导管介入情况，针对大挠度曲线及纯圆弧运动曲线进行等效建模分析，支气管镜导管弯曲部的弯曲范围在40°-60°(在满足治疗要求的条件下，只需要支气管镜导管弯曲部弯曲最大范围在40°至60°左右即可实现。在弯曲角度小于60°时，常曲率圆弧假设结果与大挠度理论计算的结果基本一致，选用圆弧假设对导管弯曲部进行动力学分析)；
其中，针对导管介入情况，提出以下力学假设条件：
1)忽略导管内各个组成部件的重力对介入过程中导管运动状态的影响；
2)导管弯曲过程中的自身不发生扭转运动；
3)介入导管等效为截面连杆，且导管在弯曲过程中轴向的中心线长度保持不变。
S32：对弯曲状态下导管位姿变化关节间的运动关系进行解析，针对单节导管建立相应的坐标系，以D-H法对单节导管进行运动学正逆矩阵的求解，推导出n节导管运动的表达方式；
为实现对支气管镜导管的精确控制，需要对导管进行动力学分析，由于每一节导管单元结构及其对应的自由度相同，可通过单节导管分析推导多节导管的运动，针对单节导管建立相应的坐标系，以D-H法获得其位姿变化基本矩阵，通过基本矩阵可推导出单节导管五个变化过程，即
1)初始坐标系O0X0Y0Z0沿Z0方向推进距离L到达坐标系O1X1Y1Z1，其变换结果记作T1 0；
2)关节1底端坐标系O1X1Y1Z1沿着矢量O1O5移动到坐标系O2X2Y2Z2，其变换结果记作T2 1；其中，矢量O1O5经计算，是由其坐标系O1X1Y1Z1沿着X轴移动l0sinα0(1-cosβ0)/β0；沿着Y轴移动l0cosα0(1-cosβ0)/β0；沿着Z轴移动l0sinβ0/β0所得；
3)坐标系O2X2Y2Z2绕Z2方向顺时针转动α0角到达坐标系O3X3Y3Z3，其变换结果记作T3 2；
4)坐标系O3X3Y3Z3绕X3方向顺时针转动β0角到达坐标系O4X4Y4Z4，其变换结果记作T4 3。
5)坐标系O4X4Y4Z4绕Z4方向逆时针旋转α0角到达坐标系O5X5Y5Z5，其变换结果记作T5 4；
Figure BDA0003135272870000061
据上述的基本旋转矩阵，可推导出单节导管5个变换情况下的矩阵为：
Figure BDA0003135272870000071
单节导管初始阶段经过推送距离L、旋转角度α0以及弯曲角度β0以后，在基座标系O0X0Y0Z0中的位姿变换为T5 0，其表达方式如下：
Figure BDA0003135272870000072
其中，l0为单节导管长度，L为单节导管推送距离，α0为单节导管旋转角度，β0为单节导管弯曲角度；θ为单节导管弯曲角度。
由运动学正解运算规则可知，多节导管的运动是由各个单节导管运动叠加而成。先求出每一节导管单元的变换矩阵，然后各节导管之间的矩阵相乘，便可得出四节导管的对应矩阵，即末端位置相对于始端的变换矩阵。
由单节导管运动可推出四节导管运动方程式为
Figure BDA0003135272870000073
T5 0为第一节弹簧驱动导管变化矩阵，
Figure BDA0003135272870000081
为第二节弹簧驱动导管变化矩阵，
Figure BDA0003135272870000082
为第三节弹簧驱动导管变换矩阵，
Figure BDA0003135272870000083
为第四节弹簧驱动导管变换矩阵。由四节导管末端位姿的推导分析可知，其变换与每一节的关节参数有关。因此，可利用4节导管可推导出n节导管运动的表达方式。
其第一节弹簧驱动导管变换矩阵为T5 0：
Figure BDA0003135272870000084
第二节弹簧驱动导管变换矩阵为
Figure BDA0003135272870000085
Figure BDA0003135272870000086
第三节弹簧驱动导管变换矩阵为
Figure BDA0003135272870000087
Figure BDA0003135272870000088
Figure BDA0003135272870000091
第四节弹簧驱动导管变换矩阵为
Figure BDA0003135272870000092
Figure BDA0003135272870000093
式中，弹簧驱动导管的长度由第一节到第四节依次为L1、L2、L3、L4，扭转角度依次为α1、α2、α3、α4，对应的弯曲角度依次为β1、β2、β3、β4，两节导管之间的距离为m(m值很小)。
S33：在有约束和无约束条件下对导管弯曲部进行仿真，发现管前端弯曲部弯曲角度与驱动弹簧力之间的关系均接近于线性关系，在介入支气管的过程中，最大弯曲角度维持在40°-60°，根据弯曲角度获取其对应的驱动弹簧力大小以及驱动弹簧位移量大小；
S34：通过运动学分析确定导管介入控制规律，根据中心线路径分析结果，首先将导管末端置于支气管模型首段开口处，利用支气管镜的驱动装置控制模块实现导管整体前进运动、自身的小范围旋捻，并通过手柄控制旋钮完成弯曲动作。驱动装置通过控制导管介入距离的长短，按照规划路径行进固定距离，以达到指定位置点。通过摄影将导管末端处于气管不同位置的状态显式出来，显示高亮处为导管末端介入的位置，即按照预定规划介入到各标记点处，完成支气管镜的自动介入过程。
对于步骤S34，如图5所示，可将导管介入运动分为3部分：从导管入口位置初始点O到第一个分叉位置点C处，其距离为OC＝143.12mm；从点C到第二个点D处，其距离为CD＝18.74mm，路径总长OD＝161.86mm，在支气管分叉处弯曲角度最大为40°左右活动便可实现弯曲介入效果；从第二个点D到第三个点E处，其距离为DE＝25.35mm，路径总长OE＝187.21mm，支气管分叉处最大弯曲角度为50°左右。在导管介入过程中，可根据各阶段导管前端弯曲角度选择对应的驱动力大小，或者选择对应的驱动弹簧位移量，通过控制电机可使支气管镜导管顺利通过支气管模型，能够顺利不打滑地完成前进、后退以及弯曲等操作过程，并顺利达到指定位置，实现弯曲介入效果。
支气管镜导管介入原理图如图4所示。
通过测量图5所示支气管模型不同位置得到形状数据，见表1。
表1
位置 管径(mm) 横截面积(mm2) 曲率 长度(mm)
气管位置A 19.25 296.62 0.05 (OA)48.07
气管位置B 19.96 306.96 0.01 (AB)50.62
气管位置C 22.16 371.92 0.01 (BC)44.43
气管位置D 15.55 190.68 0.04 (CD)18.74
气管位置E 10.33 83.66 0.11 (DE)25.35
气管位置F 13.62 147.22 0.03 (CF)25.97
介入导管弯曲运动参数对应关系见表2，可根据表2中的数据根据不同的弯曲角度设置驱动弹簧的驱动力和位移量。
表2
弯曲角度(°) 驱动力(N) 驱动弹簧位移(mm)
10 1.3 33
20 2.7 69
30 3.5 87
40 4.2 106
50 5.1 128
表2给出了导管介入到不同弯曲角度的支气管分叉位置时，所需的驱动力和驱动弹簧位移量的大小，且支气管分叉处最大弯曲角度为50°左右，实际自动介入过程中，可通过驱动装置控制导管介入时相应的驱动力和驱动弹簧位移，以达到指定位置点。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种气管疾病诊疗手术中支气管镜模型自动介入的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：通过CT扫描获取数据完成支气管模型三维重建；
S2：对人体支气管进行数据处理以及重建模型的测量分析；
S3：实现支气管镜的自动介入过程；
所述步骤S2具体为：
S21：在Mimics软件中，选取支气管模型各断层截面位置中心点，进行支气管中心线的生成；
S22：获取中心线长度及线上各点距离数据，生成三维曲线，并对曲线拟合优化得到拟合方程式；
S23：对重建的支气管进行测量分析，获取支气管不同位置的直径及曲率大小，实现支气管模型的参数测量与动态显示；
S24：利用3-matic获得三维测量和分析对应的模型，对模型进行网格划分，采用三点测量法对前三级支气管分叉处的角度进行测量，在支气管模型中将曲率不同的位置以不同颜色标记，完成对支气管模型的曲率变化分析；
S25：基于Qt软件，采用C语言对Mimics软件操作系统进行编辑，以完成支气管镜介入环境分析系统开发，完成对人体支气管进行数据处理以及重建模型的测量分析；
所述步骤S3具体为：
S31：提出支气管镜导管弯曲部力学模型假设条件，对于导管介入情况，针对大挠度曲线及纯圆弧运动曲线进行等效建模分析，支气管镜导管弯曲部的弯曲范围在40°-60°；
S32：对弯曲状态下导管位姿变化关节间的运动关系进行解析，针对单节导管建立相应的坐标系，以D-H法对单节导管进行运动学正逆矩阵的求解，推导出n节导管运动的表达方式；
S33：在有约束和无约束条件下对导管弯曲部进行仿真，在介入支气管的过程中，最大弯曲角度维持在40°-60°，根据弯曲角度获取其对应的驱动弹簧力大小以及驱动弹簧位移量大小；
S34：通过运动学分析确定导管介入控制规律，根据中心线路径分析结果，完成支气管镜的自动介入过程；
所述S22具体为：获取中心线长度及线上各点距离数据，导入Matlab软件生成三维曲线，并对曲线拟合优化得到置信度为95%的拟合方程式，如下所示：
f(x,y) = a + b*sin(m*pi*x*y) + c*exp(-(w*y)^2)
其中：a = 492 (-2.794e+06, 2.795e+06)；
b = 5.832 (-31 0.1, 321.8)；
c = 1.136 (-2.795e+06, 2.795e+06)；
m = -6.837 (-6.943, -6.731)；
w =-0.003952 (-4956, 4956)；
其中：pi为π，exp为以自然数e为底的指数函数，e为自然数。
2.如权利要求1所述的气管疾病诊疗手术中支气管镜模型自动介入的方法，其特征在于：所述步骤S1具体为：
S11：获取CT扫描数据，根据人体胸腔内部支气管的基本生理结构特征，完成对气管支气管数据的筛选和修复；
S12：采用Mimicis17.0软件将获取的CT数据导入，生成胸腔的冠状面、矢状面、水平面以及3D视图，完成图像预处理操作；
S13：应用Mimicis17.0软件的“Segment Airway”工具来分割图像，并进行相应的建模操作，完成支气管模型的三维重建。
3. 如权利要求2所述的气管疾病诊疗手术中支气管镜模型自动介入的方法，其特征在于：所述S11中获取CT扫描数据具体为：采用256排螺旋扫描方式，扫描范围为成人胸廓上端主气管顶部位置至脯肌，进行水平连续扫描，描层厚选择为0.5 mm，获得DICOM格式的CT扫描数据。
4.如权利要求1所述的气管疾病诊疗手术中支气管镜模型自动介入的方法，其特征在于：所述S34具体为：根据中心线路径分析结果，首先将导管末端置于支气管模型首段开口处，利用支气管镜的驱动装置控制模块实现导管整体前进运动、自身的小范围旋捻，并通过手柄控制旋钮完成弯曲动作。
5.如权利要求4所述的气管疾病诊疗手术中支气管镜模型自动介入的方法，其特征在于：所述驱动装置通过控制导管介入距离的长短，按照规划路径行进固定距离，以达到指定位置点。
6.如权利要求5所述的气管疾病诊疗手术中支气管镜模型自动介入的方法，其特征在于：所述S34还包括：通过摄影将导管末端处于气管不同位置的状态显式出来，显示高亮处为导管末端介入的位置，即按照预定规划介入到各标记点处。
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