KR102642437B1 - Method for vascular deformation simulation by catheter insertion in vascular intervention - Google Patents

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Abstract

본 발명은 혈관 중재 시술에 있어서 카테터 삽입에 의한 혈관 변형 시뮬레이션 방법에 관한 것이다. 상기 방법은, (a) 환자의 의료영상으로부터 환자의 3차원 혈관 모델을 생성하고, 상기 3차원 혈관 모델에서 추출된 복수의 혈관 중심점들을 갖는 혈관 중심선 모델을 획득하는 단계; (b) 혈관 카테터의 중심점 좌표를 획득하고, 상기 혈관 중심선 모델과 상기 혈관 카테터의 중심점 좌표를 기준 좌표계의 좌표값으로 변환하는 초기 정합을 수행하는 단계; (c) 상기 혈관 중심선 모델의 변형을 위한 초기값을 설정하고 상기 혈관 중심선 모델을 복수의 단위 요소로 분할하는 단계; 및 (d) 혈관 내에 삽입된 카테터의 중심점에 상기 혈관 중심선 모델의 대응점이 정합될 수 있도록, 상기 단위 요소와 인접하는 인접 요소들의 변형으로 인해 상기 단위 요소에 저장되는 탄성 포텐셜 에너지를 고려하여 상기 단위 요소의 변형을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.The present invention relates to a method for simulating blood vessel deformation by catheter insertion in vascular interventional procedures. The method includes the steps of: (a) generating a 3D blood vessel model of the patient from a medical image of the patient, and obtaining a blood vessel center line model having a plurality of blood vessel center points extracted from the 3D blood vessel model; (b) obtaining the coordinates of the center point of the vascular catheter and performing initial registration of converting the vascular center line model and the coordinates of the center point of the vascular catheter into coordinate values of a reference coordinate system; (c) setting an initial value for deforming the blood vessel center line model and dividing the blood vessel center line model into a plurality of unit elements; and (d) the unit by considering the elastic potential energy stored in the unit element due to deformation of adjacent elements adjacent to the unit element so that the corresponding point of the blood vessel center line model can be matched to the center point of the catheter inserted into the blood vessel. It may include calculating the deformation of the element.

Description

혈관 중재 시술에 있어서 카테터 삽입에 의한 혈관 변형 시뮬레이션 방법{METHOD FOR VASCULAR DEFORMATION SIMULATION BY CATHETER INSERTION IN VASCULAR INTERVENTION}Method for simulating blood vessel deformation by catheter insertion in vascular intervention procedures {METHOD FOR VASCULAR DEFORMATION SIMULATION BY CATHETER INSERTION IN VASCULAR INTERVENTION}

본 발명은 혈관 중재 시술에 있어서 3차원 형상 센서가 탑재된 혈관 카테터를 혈관 내에 삽입할 때 수반되는 혈관의 변형을 실시간으로 시뮬레이션하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of simulating in real time the deformation of blood vessels accompanying the insertion of a vascular catheter equipped with a three-dimensional shape sensor into a blood vessel in vascular interventional procedures.

혈관 중재 시술은 카테터 또는 가이드와이어와 같은 수술도구를 혈관 내에 삽입하여 병변을 치료하는 시술이다. 혈관은 조영제 주입을 통해 2D 영상 획득 장치로 가시화할 수 있으며, 시술자는 시술 도구의 끝단이 정확히 병변에 위치할 수 있도록 각 혈관의 분기마다 선택적 삽입을 해야 한다.Vascular intervention is a procedure that treats lesions by inserting surgical tools such as catheters or guide wires into blood vessels. Blood vessels can be visualized with a 2D image acquisition device through contrast agent injection, and the operator must selectively insert each branch of the blood vessel so that the tip of the surgical tool can be accurately positioned on the lesion.

2차원의 이미지만으로 3차원의 혈관의 구조를 추론하여 시술 도구를 삽입하는 데에는 어려움이 따르며 병변까지 시술 도구의 경로 확인을 위해 연속적으로 조영제 및 영상장비를 사용하는 것은 환자와 시술자의 방사선 피폭 문제를 야기한다.It is difficult to insert a surgical tool by deducing the three-dimensional structure of a blood vessel using only a two-dimensional image, and continuously using contrast agents and imaging equipment to check the path of the surgical tool to the lesion increases the problem of radiation exposure for the patient and operator. cause

최근 시술 전 촬영한 의료영상을 바탕으로 혈관의 3차원 정보를 생성하고 이를 시술 중 촬영하는 2D 영상에 정합하는 기술이 개발되고 있다. 하지만 시술 중 혈관의 가시화는 2D 영상 장비로 획득한 이미지에 의존하기 때문에 방사선에 기초한 2D 획득 장비를 사용하는 한 시술자와 환자의 방사선 피폭 문제가 불가피하다.Recently, technology is being developed to generate 3D information about blood vessels based on medical images taken before the procedure and match this to 2D images taken during the procedure. However, because visualization of blood vessels during the procedure relies on images acquired with 2D imaging equipment, the problem of radiation exposure to the operator and patient is inevitable as long as radiation-based 2D acquisition equipment is used.

하기 비특허문헌 1에 따르면 이러한 문제를 해결하기 위해 시술 전 획득한 혈관의 3차원 정보와 형상 센서를 탑재한 시술 도구의 3차원 중심선 정보를 정합하고 시술 도구 끝단의 위치를 추정하는 연구가 수행되었다. 시술 전 CT 또는 MRI와 같은 장비로 조영제를 주입한 혈관을 단층촬영하고 단층 영상의 밝기값(intensity)를 이용하여 혈관의 3D 모델과 중심선을 추출한다. 시술 중에는 환자의 호흡이나 움직임과 같이 시술 전 획득한 영상과의 차이로 인해 발생하는 혈관의 변형을 보상하기 위해 초음파 영상을 이용해 시술 전 획득한 3D 혈관 모델의 변형을 보상한다. 시술 중 획득한 형상 센서의 중심선과 보상된 3D 혈관 모델의 중심선의 커브를 매칭함으로써 형상 센서가 탑재된 시술 도구 끝단의 위치를 추정한다.According to Non-Patent Document 1 below, in order to solve this problem, a study was conducted to match the 3D information of blood vessels obtained before the procedure with the 3D center line information of the surgical tool equipped with a shape sensor and estimate the position of the tip of the surgical tool. . Before the procedure, the blood vessels injected with contrast agent are tomographically scanned using equipment such as CT or MRI, and the 3D model and center line of the blood vessels are extracted using the intensity of the tomographic image. During the procedure, ultrasound images are used to compensate for the deformation of blood vessels that occur due to differences from the images obtained before the procedure, such as the patient's breathing or movement. The position of the tip of the surgical tool equipped with a shape sensor is estimated by matching the curve of the center line of the shape sensor acquired during the procedure with the center line of the compensated 3D blood vessel model.

하지만 시술 도구는 굽힘 강성을 지니기 때문에 혈관 내 삽입시 혈관 내벽에 힘을 가하면서 혈관의 변형을 유발한다. 이 변형은 혈관의 고유한 물리적인 특성(탄성계수, 밀도, 반지름 등) 및 혈관과 뼈의 연결 지점 등 환자의 해부학적 구조에 따라 달라질 수 있다. 그러나 형상 센서와 초음파 영상을 이용하여 환자의 3차원 혈관 구조를 정합하는 기술은 시술 도구 삽입에 따른 혈관의 변형을 고려해주지 않는다. 다수의 문헌을 통해 시술 도구의 강성(stiffness)은 시술 중 혈관의 변형을 발생시키며 이는 정합 정확도에 영향을 주는 것으로 알려져 있다.However, because the surgical tool has bending rigidity, it applies force to the inner wall of the blood vessel when inserted into the blood vessel, causing deformation of the blood vessel. This deformation may vary depending on the patient's anatomy, including the unique physical properties of the blood vessel (elastic modulus, density, radius, etc.) and the connection point between the blood vessel and bone. However, technology that matches the patient's three-dimensional vascular structure using shape sensors and ultrasound images does not take into account the deformation of blood vessels due to insertion of surgical tools. It is known from numerous literature that the stiffness of surgical tools causes deformation of blood vessels during the procedure, which affects registration accuracy.

따라서, 혈관의 물성과 기하학적인 구조에 기초하여 시술 도구가 혈관 내에 삽입할 때 수반되는 혈관의 변형을 실시간으로 시뮬레이션하는 방법이 필요하다.Therefore, a method is needed to simulate in real time the deformation of a blood vessel that occurs when a surgical tool is inserted into a blood vessel based on the physical properties and geometric structure of the blood vessel.

Parent, F., Gerard, M., Monet, F., Loranger, S., Soulez, G., Kashyap, R., and Kadoury, S., "Intra-Arterial Image Guidance With Optical Frequency Domain Reflectometry Shape Sensing", IEEE Transactions on Medical Imaging 2018, vol. 38, no. 2, pp. 482?492. Parent, F., Gerard, M., Monet, F., Loranger, S., Soulez, G., Kashyap, R., and Kadoury, S., “Intra-Arterial Image Guidance With Optical Frequency Domain Reflectometry Shape Sensing” ,IEEE Transactions on Medical Imaging 2018, vol. 38, no. 2, pp. 482?492.

본 발명의 목적은 3차원 형상 센서가 탑재된 혈관 카테터를 혈관 내에 삽입할 때 수반되는 혈관의 변형을 실시간으로 시뮬레이션하고 카테터 삽입을 유도하기 위한, 혈관 중재 시술에 있어서 카테터 삽입에 의한 혈관 변형 시뮬레이션 방법을 제공함에 있다.The purpose of the present invention is to provide a method for simulating blood vessel deformation by catheter insertion in vascular interventional procedures to simulate in real time the deformation of blood vessels accompanying the insertion of a vascular catheter equipped with a three-dimensional shape sensor into a blood vessel and to guide catheter insertion. In providing.

위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은 혈관 중재 시술에 있어서 카테터 삽입에 의한 혈관 변형 시뮬레이션 방법에 관한 것이다. 상기 방법은, (a) 환자의 의료영상으로부터 환자의 3차원 혈관 모델을 생성하고, 상기 3차원 혈관 모델에서 추출된 복수의 혈관 중심점들을 갖는 혈관 중심선 모델을 획득하는 단계; (b) 혈관 카테터의 중심점 좌표를 획득하고, 상기 혈관 중심선 모델과 상기 혈관 카테터의 중심점 좌표를 기준 좌표계의 좌표값으로 변환하는 초기 정합을 수행하는 단계; (c) 상기 혈관 중심선 모델의 변형을 위한 초기값을 설정하고 상기 혈관 중심선 모델을 복수의 단위 요소로 분할하는 단계; 및 (d) 혈관 내에 삽입된 카테터의 중심점에 상기 혈관 중심선 모델의 대응점이 정합될 수 있도록, 상기 단위 요소와 인접하는 인접 요소들의 변형으로 인해 상기 단위 요소에 저장되는 탄성 포텐셜 에너지를 고려하여 상기 단위 요소의 변형을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.The present invention to solve the above problems relates to a method for simulating blood vessel deformation by catheter insertion in vascular interventional procedures. The method includes the steps of: (a) generating a 3D blood vessel model of the patient from a medical image of the patient, and obtaining a blood vessel center line model having a plurality of blood vessel center points extracted from the 3D blood vessel model; (b) obtaining the coordinates of the center point of the vascular catheter and performing initial registration of converting the vascular center line model and the coordinates of the center point of the vascular catheter into coordinate values of a reference coordinate system; (c) setting an initial value for deforming the blood vessel center line model and dividing the blood vessel center line model into a plurality of unit elements; and (d) the unit by considering the elastic potential energy stored in the unit element due to deformation of adjacent elements adjacent to the unit element so that the corresponding point of the blood vessel center line model can be matched to the center point of the catheter inserted into the blood vessel. It may include calculating the deformation of the element.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 (a) 단계는, (a-1) 상기 환자의 의료영상으로부터 상기 3차원 혈관 모델을 추출하는 단계; 및 (a-2) 상기 추출된 3차원 혈관 모델의 중심선을 일정 간격으로 샘플링하여 상기 혈관 중심선 모델을 구성하는 단계를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, step (a) includes: (a-1) extracting the three-dimensional blood vessel model from the medical image of the patient; and (a-2) constructing the blood vessel center line model by sampling the center line of the extracted three-dimensional blood vessel model at regular intervals.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 혈관 카테터에는 형상 센서가 장착되며, 상기 (b) 단계는, (b-1) 마커를 이용하여 기준 좌표계를 획득하는 단계; (b-2) 상기 형상 센서의 중심점 좌표를 통해 상기 혈관 카테터의 중심점 좌표를 획득하는 단계; 및 (b-3) 상기 기준 좌표계와 상기 형상 센서의 좌표계 간의 변환 관계를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the vascular catheter is equipped with a shape sensor, and step (b) includes: (b-1) acquiring a reference coordinate system using a marker; (b-2) acquiring the coordinates of the center point of the vascular catheter through the coordinates of the center point of the shape sensor; and (b-3) calculating a transformation relationship between the reference coordinate system and the coordinate system of the shape sensor.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 (c) 단계는, (c-1) 상기 혈관 중심점들의 위치좌표로부터 상기 혈관 중심점들을 연결하는 단위 중심선의 쿼터니언(Quaternion)을 계산하여 상태변수의 초기값을 설정하는 단계; (c-2) 혈관의 밀도, 상기 각 혈관 중심점마다 저장된 상기 혈관 중심선 모델의 반지름, 및 상기 단위 중심선의 길이를 이용하여, 상기 혈관 중심점의 질량과 상기 단위 중심선의 질량관성모멘트를 계산하는 단계; 및 (c-3) 상기 단위 요소가 적어도 2개 이상의 상기 단위 중심선과 상기 각 단위 중심선 양 끝의 혈관 중심점을 갖도록 설정하는 단계를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, step (c) sets the initial value of the state variable by calculating the quaternion of the unit center line connecting the blood vessel center points from the position coordinates of the blood vessel center points (c-1). steps; (c-2) calculating the mass of the blood vessel center point and the mass moment of inertia of the unit center line using the density of blood vessels, the radius of the blood vessel center line model stored for each blood vessel center point, and the length of the unit center line; and (c-3) setting the unit element to have at least two unit center lines and blood vessel center points at both ends of each unit center line.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 (d) 단계는, (d-1) 상기 인접 요소들의 영향을 고려하여 상기 단위 요소의 강성 및 내력을 계산하는 단계; 및 (d-2) 상기 단위 요소의 강성 및 내력을 기초로 상기 단위 요소의 변형을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, step (d) includes (d-1) calculating the stiffness and internal force of the unit element by considering the influence of the adjacent elements; and (d-2) calculating the deformation of the unit element based on the stiffness and internal force of the unit element.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 (d-2) 단계는, 상기 복수의 혈관 중심점들 중 상기 각 카테터 중심점에 대응하는 혈관 중심점을 구속조건 절점으로 설정하는 단계; 상기 구속조건 절점의 변위가 하기 조건 1, 2를 만족하도록 상기 단위 요소에 작용하는 힘을 계산하는 단계; 및According to an embodiment of the present invention, the step (d-2) includes setting a blood vessel center point corresponding to each catheter center point among the plurality of blood vessel center points as a constraint node; calculating a force acting on the unit element so that the displacement of the constraint node satisfies conditions 1 and 2 below; and

(조건 1) (Condition 1)

(조건 2) (Condition 2)

(: 혈관 반지름, : 카테터 삽입으로 인해 혈관 중심점 에 작용하는 힘, : 정합 후 상기 혈관 중심점과 카테터 중심점 사이의 거리)( : vessel radius, : Blood vessel center point due to catheter insertion force acting on, : Distance between the center point of the blood vessel and the center point of the catheter after registration)

상기 단위 요소에 작용하는 힘에 따른 상기 단위 요소의 변형을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.It may include calculating the deformation of the unit element according to the force acting on the unit element.

본 발명에 따르면, 시술 중 형상 센서의 3차원 정보를 획득하고 형상 센서를 탑재한 혈관 카테터를 혈관 내에 삽입할 때 수반되는 혈관의 변형을 실시간으로 시뮬레이션함으로써 보다 정확한 정합이 가능하도록 한다.According to the present invention, more accurate registration is possible by acquiring three-dimensional information from a shape sensor during a procedure and simulating the deformation of a blood vessel in real time when inserting a vascular catheter equipped with a shape sensor into a blood vessel.

도 1은 본 발명에 따른 혈관 중재 시술에 있어서 카테터 삽입에 의한 혈관 변형 시뮬레이션 방법의 각 단계를 나타낸 순서도이다.
도 2는 도 1의 단위 요소 분할 단계에 적용되는 이산화된 Cosserat rod 모델을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 단위 요소 분할 단계에서 혈관 중심선 모델의 변형 계산에 사용하기 위한 단위 요소를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1의 단위 요소 분할 단계에서 혈관 중심선 모델로부터 배타적으로 구성된 단위 요소들의 집합인 그룹을 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1의 단위 요소 변형 계산 단계에서 단위 요소의 변형을 계산하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 도 1의 변형 계산 단계에서 혈관 중심선이 카테터 중심선에 맞춰 정렬될 수 있도록 혈관에 작용하는 힘을 나타낸 도면이다. 도 6의 (a)는 정합 전의 상태를 나타내며, 도 6의 (b)는 정합 후의 상태를 나타낸다.
Figure 1 is a flowchart showing each step of a method for simulating blood vessel deformation by catheter insertion in a vascular interventional procedure according to the present invention.
Figure 2 is a diagram showing the discretized Cosserat rod model applied to the unit element division step of Figure 1.
FIG. 3 is a diagram illustrating unit elements for use in calculating deformation of the blood vessel centerline model in the unit element division step of FIG. 1 .
FIG. 4 is a diagram illustrating a group that is a set of unit elements exclusively constructed from the blood vessel centerline model in the unit element division step of FIG. 1.
FIG. 5 is a diagram schematically showing the process of calculating the deformation of a unit element in the unit element deformation calculation step of FIG. 1.
Figure 6 is a diagram showing the force acting on the blood vessel so that the blood vessel center line is aligned with the catheter center line in the deformation calculation step of Figure 1. Figure 6(a) shows the state before registration, and Figure 6(b) shows the state after registration.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, specific details for implementing the present invention will be described with reference to the attached drawings. Also, in describing the present invention, if it is determined that related known functions may unnecessarily obscure the gist of the present invention as they are obvious to those skilled in the art, the detailed description thereof will be omitted.

도 1은 본 발명에 따른 혈관 중재 시술에 있어서 카테터 삽입에 의한 혈관 변형 시뮬레이션 방법의 각 단계를 나타낸 순서도이다.Figure 1 is a flowchart showing each step of a method for simulating blood vessel deformation by catheter insertion in a vascular interventional procedure according to the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 혈관 중재 시술에 있어서 카테터 삽입에 의한 혈관 변형 시뮬레이션 방법은, 혈관 중심선 모델 획득 단계(s10), 초기 정합 수행 단계(s20), 단위 요소 분할 단계(s30), 단위 요소 변형 계산 단계(s40)를 포함한다. 상기 각 단계는 프로세서의 연산부에 의해 수행된다.Referring to Figure 1, the method for simulating blood vessel deformation by catheter insertion in vascular interventional procedures according to the present invention includes a blood vessel center line model acquisition step (s10), an initial registration performance step (s20), a unit element division step (s30), It includes a unit element deformation calculation step (s40). Each of the above steps is performed by the operation unit of the processor.

혈관 중심선 모델 획득 단계(s10)는 시술 전 촬영된 환자의 의료영상으로부터 환자의 3차원 혈관 모델을 생성하고, 상기 3차원 혈관 모델에서 추출된 복수의 혈관 중심점들을 갖는 혈관 중심선 모델을 획득하는 단계이다. 혈관 중심선 모델 획득 단계(s10)는 3차원 혈관 모델 추출 단계(s11), 및 혈관 중심선 모델 구성 단계(s12)를 포함한다. 3차원 혈관 모델 추출 단계(s11)에서는 먼저 시술 전 환자의 의료영상을 촬영하여 3차원 혈관 모델을 생성한다. 상기 의료영상은 전산화 단층촬영 혈관조영영상(Computed Tomography Angiography, CTA) 또는 자기공명혈관영상(Magnetic resonance angiography, MRA)일 수 있다. 획득한 영상에서 혈관에 해당하는 픽셀은 조영제가 주입되어 주변 장기와 구분되는 밝기 값을 가진다. 영상으로부터 혈관 영역을 추출하여 삼각형 요소로 구성된 혈관 표면 모델을 만들고 표면 모델로부터 혈관 단면의 중심점을 계산하여 저장한다. 상기 중심점은 일정 간격으로 샘플링되어 변형 가능한 혈관 중심선 모델을 구성하는 데 활용된다.The blood vessel center line model acquisition step (s10) is a step of generating a three-dimensional blood vessel model of the patient from a medical image of the patient taken before the procedure and obtaining a blood vessel center line model having a plurality of blood vessel center points extracted from the three-dimensional blood vessel model. . The blood vessel centerline model acquisition step (s10) includes a three-dimensional blood vessel model extraction step (s11) and a blood vessel centerline model construction step (s12). In the 3D blood vessel model extraction step (s11), a 3D blood vessel model is first created by taking medical images of the patient before the procedure. The medical image may be computed tomography angiography (CTA) or magnetic resonance angiography (MRA). In the acquired image, pixels corresponding to blood vessels have a brightness value that distinguishes them from surrounding organs due to the injection of contrast agent. The blood vessel area is extracted from the image, a blood vessel surface model consisting of triangular elements is created, and the center point of the blood vessel cross section is calculated and stored from the surface model. The center point is sampled at regular intervals and used to construct a deformable blood vessel centerline model.

초기 정합 수행 단계(s20)는 혈관 카테터의 중심점 좌표를 획득하고 상기 혈관 카테터의 중심점 좌표를 기준 좌표계의 좌표값으로 변환하는 초기 정합을 수행하는 단계이다. 혈관 카테터에는 형상 센서가 장착된다. 형상 센서가 장착된 시술도구 조작부에는 초기 정합을 위한 기준마커가 부착될 수 있다. 초기 정합 수행 단계(s20)는 기준 좌표계 획득 단계(s21), 혈관 카테터 중심점 좌표 획득 단계(s22), 및 변환 관계 계산 단계(s23)를 포함한다. 기준 좌표계 획득 단계(s21)는 시술이 시작되기 전 마커를 이용하여 기준 좌표계를 획득하는 단계이다. 기준 좌표계는 수술실 내부의 설정 위치에 제공된 광학 마커 및 기준 마커 등을 이용하여 생성될 수 있다. 혈관 카테터 중심점 좌표 획득 단계(s22)는 상기 형상 센서의 중심점 좌표를 통해 상기 혈관 카테터의 중심점 좌표를 획득하는 단계이다. 상기 형상 센서 중심점의 좌표값은 형상 센서 좌표계를 기준으로 실시간으로 획득된다. 변환 관계 계산 단계(s23)는 기준 좌표계와 형상 센서의 좌표계 간의 변환 관계를 계산하는 단계이다. 연산부는 상기 변환 관계를 이용하여 형상 센서 중심점의 좌표값을 기준 좌표계를 기준으로 하는 좌표계로 변환한다. 기준 좌표계로 표현된 형상 센서 중심점의 좌표값은 혈관 변형 시뮬레이션에서 입력 값으로 활용된다. 연산부는 혈관 중심선 모델 획득 단계(s10)에서 생성된 3차원 혈관 모델과 샘플링된 혈관 중심선 모델의 좌표값을 기준 좌표계에 맞춰 변환하는 초기 정합을 수행한다.The initial registration performing step (s20) is a step of performing initial registration of obtaining the coordinates of the center point of the vascular catheter and converting the coordinates of the center point of the vascular catheter into coordinate values of the reference coordinate system. The vascular catheter is equipped with a shape sensor. A reference marker for initial registration may be attached to the operating unit of the surgical tool equipped with a shape sensor. The initial registration performance step (s20) includes a reference coordinate system acquisition step (s21), a vascular catheter center point coordinate acquisition step (s22), and a transformation relationship calculation step (s23). The reference coordinate system acquisition step (s21) is a step of acquiring a reference coordinate system using a marker before the procedure begins. The reference coordinate system can be created using optical markers and reference markers provided at set positions inside the operating room. The step s22 of acquiring the coordinates of the center point of the vascular catheter is a step of acquiring the coordinates of the center point of the vascular catheter through the coordinates of the center point of the shape sensor. The coordinate value of the shape sensor center point is acquired in real time based on the shape sensor coordinate system. The transformation relationship calculation step (s23) is a step of calculating the transformation relationship between the reference coordinate system and the coordinate system of the shape sensor. The calculation unit uses the transformation relationship to convert the coordinate value of the shape sensor center point into a coordinate system based on the reference coordinate system. The coordinate value of the shape sensor center point expressed in a reference coordinate system is used as an input value in blood vessel deformation simulation. The calculation unit performs initial registration by converting the coordinate values of the 3D blood vessel model generated in the blood vessel center line model acquisition step (s10) and the sampled blood vessel center line model to fit the reference coordinate system.

도 2는 도 1의 단위 요소 분할 단계에 적용되는 이산화된 Cosserat rod 모델을 나타낸 도면이다. 도 2는 이산화된 Cosserat rod 모델을 도시하며, 이는 혈관 중심선 모델로 사용된다.Figure 2 is a diagram showing the discretized Cosserat rod model applied to the unit element division step of Figure 1. Figure 2 shows the discretized Cosserat rod model, which is used as the vessel centerline model.

도 2를 참조하면, 단위 요소 분할 단계(s30)는 혈관 중심선 모델의 변형을 위한 초기값을 설정하고 혈관 중심선 모델을 복수의 단위 요소로 분할하는 단계이다. 상기 복수의 단위 요소는 그룹화될 수 있다. 상기 혈관 중심선 모델 획득 단계(s10), 초기 정합 수행 단계(s20), 및 단위 요소 분할 단계(s30)는 시뮬레이션 시작 전 한번만 수행될 수 있다. 단위 요소 분할 단계(s30)는 상태변수 초기값 설정 단계(s31), 질량관성모멘트 계산 단계(s32), 및 단위 요소 설정 단계(s33)를 포함한다.Referring to FIG. 2, the unit element division step s30 is a step of setting an initial value for deforming the blood vessel center line model and dividing the blood vessel center line model into a plurality of unit elements. The plurality of unit elements may be grouped. The step of acquiring the blood vessel center line model (s10), performing the initial registration (s20), and dividing the unit elements (s30) can be performed only once before starting the simulation. The unit element division step (s30) includes a state variable initial value setting step (s31), a mass moment of inertia calculation step (s32), and a unit element setting step (s33).

상태변수 초기값 설정 단계(s31)는 혈관 중심점들의 위치좌표로부터 혈관 중심점들을 연결하는 단위 중심선의 쿼터니언(Quaternion)을 계산하여 상태변수의 초기값을 설정하는 단계이다. 상태변수 초기값 설정 단계(s31)에서는 변형 계산을 위한 초기값을 설정하기 위해 이산화된 Cosserat rod 모델의 상태 변수 표현 방식을 이용하여 혈관 중심선 모델의 상태 변수 초기값을 결정한다. 이산화된 Cosserat rod 모델의 상태변수는 위치좌표와 쿼터니언으로 구성된다. 상태변수 초기값 설정 단계(s31)에서는 혈관 중심점의 위치좌표로부터 단위 중심선의 쿼터니언을 계산하여 상태변수의 초기값을 설정하고 각 중심선과 단위 중심선에 도 2에 도시된 바와 같이 식별 아이디를 할당한다.The state variable initial value setting step (s31) is a step of setting the initial value of the state variable by calculating the quaternion of the unit center line connecting the blood vessel center points from the position coordinates of the blood vessel center points. In the state variable initial value setting step (s31), the initial value of the state variable of the blood vessel center line model is determined using the state variable expression method of the discretized Cosserat rod model to set the initial value for deformation calculation. The state variables of the discretized Cosserat rod model consist of position coordinates and quaternions. In the state variable initial value setting step (s31), the quaternion of the unit center line is calculated from the position coordinates of the blood vessel center point, the initial value of the state variable is set, and an identification ID is assigned to each center line and unit center line as shown in FIG. 2.

질량관성모멘트 계산 단계(s32)는 혈관의 밀도, 상기 각 혈관 중심점마다 저장된 혈관 중심선 모델의 반지름, 및 단위 중심선의 길이를 이용하여, 혈관 중심선의 질량과 단위 중심선의 질량관성모멘트를 계산하는 단계이다. 계산된 혈관 중심선의 질량 및 단위 중심선의 질량관성모멘트는 데이터베이스에 저장된다. 상기 혈관의 밀도 값은 기존 문헌에 기재된 일반적인 값 또는 환자 별로 측정된 값을 포함할 수 있다.The mass moment of inertia calculation step (s32) is a step of calculating the mass of the blood vessel center line and the mass moment of inertia of the unit center line using the density of blood vessels, the radius of the blood vessel center line model stored at each blood vessel center point, and the length of the unit center line. . The calculated mass of the vessel center line and the mass moment of inertia of the unit center line are stored in the database. The density value of the blood vessel may include general values described in existing literature or values measured for each patient.

도 3은 도 1의 단위 요소 분할 단계에서 혈관 중심선 모델의 변형 계산에 사용하기 위한 단위 요소를 예시적으로 나타낸 도면이다.FIG. 3 is a diagram illustrating unit elements for use in calculating deformation of the blood vessel centerline model in the unit element division step of FIG. 1 .

도 3을 참조하면, 단위 요소 설정 단계(s33)는 상기 단위 요소가 적어도 2개 이상의 단위 중심선과 각 단위 중심선 양 끝의 혈관 중심점을 갖도록 설정하는 단계이다. 혈관 중심선 모델의 변형은 단위 요소를 설정한 후 단위 요소 별로 계산된다. 상기 단위 요소는 변형을 계산하는 최소 단위로서 연결된 중심선과 중심선 양 끝의 중심점을 포함하는 집합으로 정의될 수 있다. 도 3에 예시된 바와 같이, 단위 요소는 세 개의 중심점(점과 동심원으로 표시됨)과 각 중심점을 연결하는 2개의 중심선(실선으로 표시됨)으로 구성될 수 있다.Referring to FIG. 3, the unit element setting step (s33) is a step of setting the unit element to have at least two unit center lines and blood vessel center points at both ends of each unit center line. The deformation of the vessel centerline model is calculated for each unit element after setting the unit element. The unit element is the minimum unit for calculating deformation and can be defined as a set including a connected center line and center points at both ends of the center line. As illustrated in Figure 3, a unit element may be composed of three center points (indicated by dots and concentric circles) and two center lines (indicated by solid lines) connecting each center point.

도 4는 도 1의 단위 요소 분할 단계에서 혈관 중심선 모델로부터 배타적으로 구성된 단위 요소들의 집합인 그룹을 나타낸 도면이다.FIG. 4 is a diagram illustrating a group that is a set of unit elements exclusively constructed from the blood vessel centerline model in the unit element division step of FIG. 1.

도 4를 참조하면, 상태 변수, 인접하는 중심점 및 중심선과의 연결 관계 등 초기값을 설정한 이후에는 단위 요소를 설정한다. 혈관 중심선 모델을 다수개의 단위 요소로 분할할 때 서로 다른 단위 요소는 동일한 중심선 또는 중심점이 포함되지 않도록 배타적으로 구성한다. 그 다음, 배타적으로 구성한 단위 요소들의 집합을 그룹으로 정의한다. 그룹 내의 단위 요소의 변형은 병렬적으로 계산 가능하다. 도 4는 서로 다른 그룹을 표현한 것이다. 단위 요소 분할 단계(s30)에서 모든 중심점과 모든 중심선이 한 개 이상의 그룹에 포함될 때까지 단위 요소와 그룹을 생성한다.Referring to FIG. 4, after setting initial values such as state variables and connection relationships with adjacent center points and center lines, unit elements are set. When dividing a blood vessel center line model into multiple unit elements, different unit elements are configured exclusively so that they do not contain the same center line or center point. Next, a set of exclusively composed unit elements is defined as a group. Transformations of unit elements within a group can be calculated in parallel. Figure 4 represents different groups. In the unit element division step (s30), unit elements and groups are created until all center points and all center lines are included in one or more groups.

변형 계산 단계(s40)는 혈관 내에 삽입된 카테터의 중심점에 혈관 중심선 모델의 대응점이 정합될 수 있도록, 상기 단위 요소와 인접하는 인접 요소들의 변형으로 인해 상기 단위 요소에 저장되는 탄성 포텐셜 에너지를 고려하여 상기 단위 요소의 변형을 계산하는 단계이다. 단위 요소 변형 계산 단계(s40)는 강성 및 내력 계산 단계(s41), 및 변형 계산 단계(s42)를 포함한다.The deformation calculation step (s40) considers the elastic potential energy stored in the unit element due to deformation of adjacent elements adjacent to the unit element so that the corresponding point of the blood vessel center line model can be matched to the center point of the catheter inserted into the blood vessel. This is the step of calculating the deformation of the unit element. The unit element deformation calculation step (s40) includes a stiffness and internal force calculation step (s41) and a deformation calculation step (s42).

강성 및 내력 계산 단계(s41)는 상기 인접 요소들의 영향을 고려하여 상기 단위 요소의 강성 및 내력을 계산하는 단계이다. 인접하는 중심점과 중심선이 상기 단위 요소에 미치는 영향을 고려하기 위해 인접하는 중심점과 중심선에 의해 발생하는 강성과 내력을 상기 단위 요소의 변형계산에 포함한다. 예를 들어, 실선으로 표현된, i-1, i, i+1번 중심점과 i-1, i번 중심선으로 이뤄진 단위 요소 ek의 계산에서 i번 중심점의 변위 계산에는 단위 요소에 포함되는 중심점인 i-1, i, i+1번 중심점뿐만 아니라 단위 요소에 포함되지 않는 i+p번 중심점으로 인해 발생하는 강성과 내력을 포함한다. 이와 같은 계산을 위해 각 중심선과 상기 중심선의 앞뒤 중심선, 및 상기 중심선에 대한 연결관계를 데이터베이스에 저장한다. 이와 같이 단위 요소로 나누어 변형을 계산하는 것은 혈관 중심선 모델에 작용하는 힘과 변위가 두 점 사이의 접촉 문제 조건(하기 '조건 1, 2')을 만족하면서 변형을 빠르게 계산하기 위함이다.The stiffness and internal force calculation step s41 is a step of calculating the stiffness and internal force of the unit element by considering the influence of the adjacent elements. In order to consider the influence of adjacent center points and center lines on the unit element, the stiffness and internal force generated by adjacent center points and center lines are included in the deformation calculation of the unit element. For example, in the calculation of a unit element e k consisting of the center points i-1, i, i+1 and the center line i-1, i, expressed as a solid line, the displacement of the i center point is calculated using the center point included in the unit element. It includes the stiffness and internal force caused by not only the center points i-1, i, and i+1, but also the center point i+p, which is not included in the unit element. For this calculation, each center line, front and rear center lines of the center line, and the connection relationship to the center line are stored in the database. Calculating the deformation by dividing it into unit elements like this is to quickly calculate the deformation while the force and displacement acting on the blood vessel center line model satisfy the contact problem conditions between two points ('Conditions 1 and 2' below).

도 5는 도 1의 변형 계산 단계에서 단위 요소의 변형을 계산하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 5 is a diagram schematically showing the process of calculating the deformation of a unit element in the deformation calculation step of FIG. 1.

도 5를 참조하면, 변형 계산 단계(s42)는 상기 단위 요소의 강성 및 내력을 기초로 상기 단위 요소의 변형을 계산하는 단계이다. 실시간으로 혈관 내로 삽입된 혈관 카테터의 중심점의 입력을 받아 매 프레임마다 변형을 계산한다. 혈관 내에 삽입된 카테터의 중심점에 혈관 중심선 모델의 대응점이 정합될 수 있도록 인접하는 중심점 및 중심선의 탄성 포텐셜 에너지를 고려하여 단위 요소의 변형을 계산한다.Referring to FIG. 5, the deformation calculation step s42 is a step of calculating the deformation of the unit element based on the stiffness and internal force of the unit element. It receives input from the center point of the vascular catheter inserted into the blood vessel in real time and calculates the deformation for each frame. The deformation of the unit element is calculated by considering the elastic potential energy of the adjacent center point and center line so that the corresponding point of the blood vessel center line model can be matched to the center point of the catheter inserted into the blood vessel.

변형체 모델의 변형 계산은 변형체 모델을 구성하는 절점의 좌표와 같은 상태 변수를 운동방정식을 통해 계산하여 매 시간 스텝(time step)마다 갱신함으로써 이뤄진다. 모델을 구성하는 각각의 절점에 작용하는 외력과 내력, 및 절점의 질량과 강성(stiffness)을 고려하여 가속도, 속도, 및 변위를 계산함으로써 상태 변수를 갱신한다. 절점에 작용하는 내력은 변형체 모델의 탄성변형으로 인해 변형체 모델에 저장되는 탄성 포텐셜 에너지(elastic potential energy)의 1차 도함수, 강성은 2차 도함수를 구함으로써 계산될 수 있다. 탄성 포텐셜 에너지는 변형체 모델의 물리적인 특징을 포함하기 위해 탄성계수, 포아송비 등이 포함된다.The deformation calculation of the deformable body model is done by calculating state variables, such as the coordinates of the nodes constituting the deformable body model, through equations of motion and updating them at every time step. State variables are updated by calculating acceleration, velocity, and displacement by considering the external and internal forces acting on each node constituting the model, and the mass and stiffness of the node. The internal force acting on the node can be calculated by obtaining the first derivative of the elastic potential energy stored in the deformable body model due to elastic deformation of the deformable body model, and the stiffness can be calculated by obtaining the second derivative. Elastic potential energy includes elastic modulus, Poisson's ratio, etc. to include the physical characteristics of the deformable body model.

상세하게는, 변형체 모델의 상태변수에 따른 에너지는 다음 수식 1에서와 같이 운동에너지와 포텐셜 에너지(변형 에너지)로 구성된다.In detail, the energy according to the state variable of the deformable body model consists of kinetic energy and potential energy (strain energy) as shown in Equation 1 below.

(수식 1) (Formula 1)

상기 수식 1에서 는 운동에너지를 의미하고, 는 포텐셜 에너지(변형 에너지)를 의미한다. 여기서, 에너지를 최소화하는 를 구한다. 그 다음 하기 수식 2를 정의할 수 있다.In formula 1 above, means kinetic energy, means potential energy (strain energy). Here, minimizing energy Find . Then, the following equation 2 can be defined.

(수식 2) (Formula 2)

여기서, A는 관성(질량)과 강성의 항을 의미하며, 이는 를 구하여 계산할 수 있다. Q는 절점의 위치좌표와 같은 모델의 상태변수를 의미한다. B는 절점에 작용하는 외력과 내력의 항을 의미하며, 이는 를 구하여 계산할 수 있다.Here, A refers to the terms of inertia (mass) and stiffness, which is It can be calculated by finding . Q refers to the state variables of the model, such as the position coordinates of the nodes. B refers to the terms of external force and internal force acting on the node, which is It can be calculated by finding .

일 실시예로 탄성 포텐셜 에너지를 정의하는 방법으로 투영역학(projective dynamics)에 기초한 방법을 포함할 수 있다. 투영역학은 변형체를 구성하는 요소의 변형률에 대한 구속조건을 정의하고 상기 구속조건을 만족시키는 보조 변수 p를 도입한다. 상태 변수는 p로부터의 최소제곱해로 결정된다. 일반적으로 한 요소에 대한 변형에너지는 하기 수식 3과 같이 정의된다. 는 상수 행렬로서 전체 모델을 구성하는 상태 변수 중 해당 요소의 상태 변수를 추출하기 위해 사용된다. Weight parameter 는 변형체 모델이 시뮬레이션 하고자 하는 개체의 탄성계수를 포함할 수 있다. 모델의 변형에너지는 모든 요소에 대한 변형에너지의 합으로 나타낸다.In one embodiment, a method for defining elastic potential energy may include a method based on projective dynamics. Projection mechanics defines constraints on the strain rate of elements constituting a deformable body and introduces an auxiliary variable p that satisfies the constraints. The state variable is determined as the least squares solution from p. In general, the strain energy for one element is defined as Equation 3 below. is a constant matrix and is used to extract the state variable of the corresponding element among the state variables that make up the entire model. Weight parameter may include the elastic modulus of the object that the deformable body model is to simulate. The strain energy of the model is expressed as the sum of the strain energies for all elements.

(수식 3) (Formula 3)

혈관 중심선 모델에서 변형은 신장(stretch), 전단(shear), 굽힘(bend), 비틀림(twist)응력으로 인해 유발될 수 있다. 보조 변수 p는 각 응력에 대한 변형률을 최소화 할 수 있도록 상태 변수를 투영시켜(projection) 계산할 수 있다.Deformation in the vessel centerline model can be caused by stretch, shear, bend, and twist stresses. The auxiliary variable p can be calculated by projecting the state variable to minimize the strain for each stress.

변형 계산 단계(s42)에서는 각각의 단위 요소에 저장되는 탄성 포텐셜 에너지를 계산하고 이에 따른 단위 요소 별로 변형을 갱신한다. 이때 인접하는 중심점 및 중심선으로 인한 영향을 포함하기 위해 탄성 포텐셜 에너지는 하기 수식 4와 같이 계산된다.In the deformation calculation step (s42), the elastic potential energy stored in each unit element is calculated and the deformation for each unit element is updated accordingly. At this time, in order to include the influence due to adjacent center points and center lines, the elastic potential energy is calculated as shown in Equation 4 below.

(수식 4) (Formula 4)

상기 수식 4에서 는 단위 요소의 변형으로 인해 단위 요소에 저장되는 탄성 포텐셜 에너지를 의미하며, 는 단위 요소와 인접 요소간의 변형으로 인해 단위 요소에 저장되는 탄성 포텐셜 에너지를 의미한다.In Equation 4 above, means the elastic potential energy stored in the unit element due to deformation of the unit element, means the elastic potential energy stored in a unit element due to deformation between the unit element and adjacent elements.

상기 수식 4에서 는 단위 요소 의 상태 변수를 나타내며, 이는 하기 수식 5와 같다.In Equation 4 above, is the unit element It represents the state variable of , which is as shown in Equation 5 below.

(수식 5) (Formula 5)

상기 수식 4의 첫번째 항은 단위 요소의 변형으로 인해 단위 요소에 저장되는 탄성 포텐셜 에너지이다. 예를 들어, 도 3의 가 초기 좌표값()에 비해 변하는 경우 신장(stretch) 및 전단(shear) 변형으로 인한 응력이 발생할 수 있다. 의 신장 및 전단 응력으로 인해 저장되는 탄성 포텐셜 에너지는 상기 수식 4의 첫번째 항에 하기 수식 6을 대입함으로써 얻어진다. 가 초기값에 비해 변하는 경우 굽힘(bend) 또는 비틀림(twist) 변형으로 인한 응력이 발생할 수 있다. 도 4의 의 굽힘 및 비틀림 응력으로 인해 저장되는 탄성 포텐셜 에너지는 상기 수식 4의 첫번째 항에 하기 수식 7을 대입함으로써 얻어진다.The first term in Equation 4 is the elastic potential energy stored in the unit element due to deformation of the unit element. For example, in Figure 3 is the initial coordinate value ( ), stress may occur due to stretch and shear deformation. The elastic potential energy stored due to elongation and shear stress is obtained by substituting Equation 6 below into the first term of Equation 4 above. If changes compared to the initial value, stress may occur due to bending or twisting deformation. in figure 4 The elastic potential energy stored due to bending and torsional stress is obtained by substituting the following equation 7 into the first term of equation 4.

(수식 6) (Formula 6)

(수식 7) (Equation 7)

상기 수식 4의 두번째 항은 단위 요소에 포함된 중심선 또는 중심선과 단위 요소에 인접하는 중심점 또는 중심선의 변형으로 인해 단위 요소에 저장되는 탄성 포텐셜 에너지이다. 예를 들어, 도 3의 가 초기 좌표값()에 비해 변하는 경우 신장(stretch) 및 전단(shear) 변형으로 인한 응력이 발생할 수 있다. 의 신장 및 전단 응력으로 인해 저장되는 탄성 포텐셜 에너지는 상기 수식 4의 두번째 항에 하기 수식 8을 대입함으로써 얻어진다. 가 초기값에 비해 변하는 경우 굽힘(bend) 또는 비틀림(twist) 변형으로 인한 응력이 발생할 수 있다. 도 3의 의 굽힘 및 비틀림 응력으로 인해 저장되는 탄성 포텐셜 에너지는 상기 수식 4의 두번째 항에 하기 수식 9를 대입함으로써 얻어진다. The second term in Equation 4 is the elastic potential energy stored in the unit element due to the deformation of the center line or center line included in the unit element and the center point or center line adjacent to the unit element. For example, in Figure 3 is the initial coordinate value ( ), stress may occur due to stretch and shear deformation. The elastic potential energy stored due to elongation and shear stress is obtained by substituting Equation 8 below into the second term of Equation 4. If changes compared to the initial value, stress may occur due to bending or twisting deformation. in Figure 3 The elastic potential energy stored due to the bending and torsional stress is obtained by substituting the following equation (9) into the second term of equation (4).

(수식 8) (Equation 8)

(수식 9) (Equation 9)

변형 계산 단계(s42)는 구속조건 절점 설정 단계(s42a), 단위 요소 작용 힘 계산 단계(s42b), 및 단위 요소 변형 계산 단계(s42c)를 포함한다.The deformation calculation step (s42) includes a constraint node setting step (s42a), a unit element action force calculation step (s42b), and a unit element deformation calculation step (s42c).

도 6은 도 1의 변형 계산 단계에서 혈관 중심선이 카테터 중심선에 맞춰 정렬될 수 있도록 혈관에 작용하는 힘을 나타낸 도면이다. 도 6의 (a)는 정합 전의 상태를 나타내며, 도 6의 (b)는 정합 후의 상태를 나타낸다.Figure 6 is a diagram showing the force acting on the blood vessel so that the blood vessel center line is aligned with the catheter center line in the deformation calculation step of Figure 1. Figure 6(a) shows the state before registration, and Figure 6(b) shows the state after registration.

도 6을 참조하면, 구속조건 절점 설정 단계(s42a)는 상기 복수의 혈관 중심점들 중 상기 각 카테터 중심점에 대응하는 혈관 중심점을 구속조건 절점으로 설정하는 단계이다.Referring to FIG. 6, the constraint node setting step (s42a) is a step of setting a blood vessel center point corresponding to each catheter center point among the plurality of blood vessel center points as a constraint node.

단위 요소 작용 힘 계산 단계(s42b)는 상기 구속조건 절점의 변위가 하기 조건 1, 2를 만족하도록 상기 단위 요소에 작용하는 힘을 계산하는 단계이다. 혈관의 중심선이 카테터의 중심선에 맞추어 정합되도록 하기 위해 상기 수식 2가 하기 수식 8을 만족하도록 정의한다. 도 6에서는 혈관 중심선 모델이 단위 요소(굵은 실선)으로 분할된 것이 나타나 있다. 단위 요소의 차원은 m(n >> m)이며, A 행렬의 크기는 m x m이다. The unit element force calculation step (s42b) is a step of calculating the force acting on the unit element so that the displacement of the constraint node satisfies conditions 1 and 2 below. In order to ensure that the center line of the blood vessel is aligned with the center line of the catheter, Equation 2 above is defined to satisfy Equation 8 below. Figure 6 shows the blood vessel centerline model divided into unit elements (thick solid lines). The dimension of the unit element is m(n >> m), and the size of the A matrix is m x m.

(수식 8) (Equation 8)

상기 수식 8에서 단위 요소별로 상태변수 q와 Fcontact가 하기 조건 1, 2를 만족시킬 수 있도록 반복적으로(iterative) 계산한다. 이때, 한 그룹 내의 단위 요소는 서로 겹치지 않게 구성함으로써 동일 그룹 내에서 단위 요소의 계산이 병렬적으로 가능하도록 한다. 이때, 단위 요소는 최소한 한 그룹 내에 포함될 수 있도록 그룹을 구성한다.In Equation 8 above, the state variables q and F contact for each unit element are iteratively calculated to satisfy the following conditions 1 and 2. At this time, unit elements within one group are configured so as not to overlap each other, so that calculation of unit elements within the same group is possible in parallel. At this time, the group is configured so that the unit element can be included in at least one group.

(조건 1) (Condition 1)

(조건 2) (Condition 2)

(: 혈관 반지름, : 상기 Fcontact 중 카테터 삽입으로 인해 혈관 중심점 에 작용하는 힘, : 정합 후 상기 혈관 중심점과 카테터 중심점 사이의 거리)( : vessel radius, : Center point of blood vessel due to catheter insertion during the above F contact force acting on, : Distance between the center point of the blood vessel and the center point of the catheter after registration)

단위 요소 변형 계산 단계(s42c)는 상기 단위 요소에 작용하는 힘에 따른 상기 단위 요소의 변형을 계산하는 단계이다.The unit element deformation calculation step (s42c) is a step of calculating the deformation of the unit element according to the force acting on the unit element.

단위 요소 별로 변형을 갱신하는 이유는 다음과 같다. 혈관 내에 카테터가 삽입될 때 카테터가 혈관 내벽에 작용하는 힘으로 인해 발생하는 혈관의 변형은 두 중심점 사이의 접촉 문제로 모델링할 수 있는데 상기 조건 1, 2를 만족시키는 혈관의 변위를 계산함으로써 해결 가능하다.The reason for updating the transformation for each unit element is as follows. When a catheter is inserted into a blood vessel, the deformation of the blood vessel caused by the force that the catheter exerts on the inner wall of the blood vessel can be modeled as a contact problem between two central points, which can be solved by calculating the displacement of the blood vessel that satisfies conditions 1 and 2 above. do.

3차원 형상 센서가 탑재된 혈관 카테터를 혈관 내에 삽입할 때 수반되는 혈관의 변형은 혈관의 해부학적 구조, 물리적 특성, 및 삽입된 카테터의 형상에 따라 달라진다. 상기 사항들을 고려한 혈관 중심선 모델의 변형은 혈관 중심선 모델에 포함되는 모든 상태 변수에 대해 전역적으로(global) 계산되어야 하나, 전역적으로는 위 조건을 만족시키는 변형 계산이 실시간으로 이루어지기 어렵다. 본 발명에 따르면, 단위 요소로 분할하고 카테터의 삽입과 같이 새롭게 입력되는 변수에 의해 부가되는 구속조건을 상기 단위요소마다 만족시키도록 함으로써 변형 계산을 신속하게 하고 상기 수식 8의 구속조건이 만족되는 변형을 계산할 수 있다. 단위 요소의 변형 계산은 도 4로 표시된 동일 그룹 내에서 병렬적으로 계산 가능하며 각 그룹의 계산은 순차적, 반복적으로 진행된다.When a vascular catheter equipped with a 3D shape sensor is inserted into a blood vessel, the deformation of the blood vessel varies depending on the anatomical structure of the blood vessel, physical characteristics, and the shape of the inserted catheter. The deformation of the vessel centerline model considering the above matters must be calculated globally for all state variables included in the vessel centerline model, but it is difficult to globally calculate the deformation that satisfies the above conditions in real time. According to the present invention, by dividing into unit elements and satisfying constraints added by newly input variables, such as insertion of a catheter, for each unit element, the transformation is quickly calculated and the constraint of Equation 8 is satisfied. can be calculated. The deformation calculation of the unit element can be calculated in parallel within the same group shown in Figure 4, and the calculation of each group is carried out sequentially and repeatedly.

이 분야의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명의 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.The scope of protection in this field is not limited to the description and expression of the embodiments explicitly described above. In addition, it is added once again that the scope of protection of the present invention may not be limited due to changes or substitutions that are obvious in the technical field to which the present invention pertains.

Claims (6)

프로세서의 연산부에 의해 수행되는, 혈관 중재 시술에 있어서 카테터 삽입에 의한 혈관 변형 시뮬레이션 방법으로서, 상기 연산부가,
(a) 환자의 의료영상으로부터 환자의 3차원 혈관 모델을 생성하고, 상기 3차원 혈관 모델에서 추출된 복수의 혈관 중심점들을 갖는 혈관 중심선 모델을 획득하는 단계;
(b) 혈관 카테터의 중심점 좌표를 획득하고, 상기 혈관 중심선 모델과 상기 혈관 카테터의 중심점 좌표를 기준 좌표계의 좌표값으로 변환하는 초기 정합을 수행하는 단계;
(c) 상기 혈관 중심선 모델의 변형을 위한 초기값을 설정하고 상기 혈관 중심선 모델을 복수의 단위 요소로 분할하는 단계; 및
(d) 혈관 내에 삽입된 카테터의 중심점에 상기 혈관 중심선 모델의 대응점이 정합될 수 있도록, 상기 단위 요소와 인접하는 인접 요소들의 변형으로 인해 상기 단위 요소에 저장되는 탄성 포텐셜 에너지를 고려하여 상기 단위 요소의 변형을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 혈관 중재 시술에 있어서 카테터 삽입에 의한 혈관 변형 시뮬레이션 방법.
A method of simulating blood vessel deformation due to catheter insertion in vascular interventional procedures, performed by a calculation unit of a processor, wherein the calculation unit includes:
(a) generating a 3D blood vessel model of the patient from a medical image of the patient, and obtaining a blood vessel center line model having a plurality of blood vessel center points extracted from the 3D blood vessel model;
(b) obtaining the coordinates of the center point of the vascular catheter and performing initial registration of converting the vascular center line model and the coordinates of the center point of the vascular catheter into coordinate values of a reference coordinate system;
(c) setting an initial value for deforming the blood vessel center line model and dividing the blood vessel center line model into a plurality of unit elements; and
(d) the unit element in consideration of the elastic potential energy stored in the unit element due to deformation of adjacent elements adjacent to the unit element so that the corresponding point of the blood vessel center line model can be matched to the center point of the catheter inserted into the blood vessel A method of simulating vascular deformation due to catheter insertion in vascular interventional procedures, comprising the step of calculating the deformation of .
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계는,
(a-1) 상기 환자의 의료영상으로부터 상기 3차원 혈관 모델을 추출하는 단계; 및
(a-2) 상기 추출된 3차원 혈관 모델의 중심선을 일정 간격으로 샘플링하여 상기 혈관 중심선 모델을 구성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 혈관 중재 시술에 있어서 카테터 삽입에 의한 혈관 변형 시뮬레이션 방법.
According to paragraph 1,
In step (a),
(a-1) extracting the 3D blood vessel model from the medical image of the patient; and
(a-2) A method for simulating blood vessel deformation by catheter insertion in vascular interventional procedures, comprising the step of constructing the blood vessel center line model by sampling the center line of the extracted three-dimensional blood vessel model at regular intervals.
제1항에 있어서,
상기 혈관 카테터에는 형상 센서가 장착되며,
상기 (b) 단계는,
(b-1) 마커를 이용하여 기준 좌표계를 획득하는 단계;
(b-2) 상기 형상 센서의 중심점 좌표를 통해 상기 혈관 카테터의 중심점 좌표를 획득하는 단계; 및
(b-3) 상기 기준 좌표계와 상기 형상 센서의 좌표계 간의 변환 관계를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 혈관 중재 시술에 있어서 카테터 삽입에 의한 혈관 변형 시뮬레이션 방법.
According to paragraph 1,
The vascular catheter is equipped with a shape sensor,
In step (b),
(b-1) acquiring a reference coordinate system using a marker;
(b-2) acquiring the coordinates of the center point of the vascular catheter through the coordinates of the center point of the shape sensor; and
(b-3) A method for simulating vascular deformation due to catheter insertion in vascular interventional procedures, comprising the step of calculating a transformation relationship between the reference coordinate system and the coordinate system of the shape sensor.
제1항에 있어서,
상기 (c) 단계는,
(c-1) 상기 혈관 중심점들의 위치좌표로부터 상기 혈관 중심점들을 연결하는 단위 중심선의 쿼터니언(Quaternion)을 계산하여 상태변수의 초기값을 설정하는 단계;
(c-2) 혈관의 밀도, 상기 각 혈관 중심점마다 저장된 상기 혈관 중심선 모델의 반지름, 및 상기 단위 중심선의 길이를 이용하여, 상기 혈관 중심점의 질량과 상기 단위 중심선의 질량관성모멘트를 계산하는 단계; 및
(c-3) 상기 단위 요소가 적어도 2개 이상의 상기 단위 중심선과 상기 각 단위 중심선 양 끝의 혈관 중심점을 갖도록 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 혈관 중재 시술에 있어서 카테터 삽입에 의한 혈관 변형 시뮬레이션 방법.
According to paragraph 1,
In step (c),
(c-1) setting an initial value of a state variable by calculating a quaternion of a unit center line connecting the blood vessel center points from the position coordinates of the blood vessel center points;
(c-2) calculating the mass of the blood vessel center point and the mass moment of inertia of the unit center line using the density of blood vessels, the radius of the blood vessel center line model stored for each blood vessel center point, and the length of the unit center line; and
(c-3) setting the unit element to have at least two unit center lines and blood vessel center points at both ends of each unit center line. Blood vessel deformation caused by catheter insertion in a vascular interventional procedure. Simulation method.
제1항에 있어서,
상기 (d) 단계는,
(d-1) 상기 인접 요소들의 영향을 고려하여 상기 단위 요소의 강성 및 내력을 계산하는 단계; 및
(d-2) 상기 단위 요소의 강성 및 내력을 기초로 상기 단위 요소의 변형을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 혈관 중재 시술에 있어서 카테터 삽입에 의한 혈관 변형 시뮬레이션 방법.
According to paragraph 1,
In step (d),
(d-1) calculating the stiffness and internal force of the unit element considering the influence of the adjacent elements; and
(d-2) A method for simulating vascular deformation due to catheter insertion in vascular interventional procedures, comprising the step of calculating deformation of the unit element based on the stiffness and internal force of the unit element.
제5항에 있어서,
상기 (d-2) 단계는,
상기 복수의 혈관 중심점들 중 상기 각 카테터 중심점에 대응하는 혈관 중심점을 구속조건 절점으로 설정하는 단계;
상기 구속조건 절점의 변위가 하기 조건 1, 2를 만족하도록 상기 단위 요소에 작용하는 힘을 계산하는 단계; 및
(조건 1)
(조건 2)
(: 혈관 반지름, : 카테터 삽입으로 인해 혈관 중심점 에 작용하는 힘, : 정합 후 상기 혈관 중심점과 카테터 중심점 사이의 거리)
상기 단위 요소에 작용하는 힘에 따른 상기 단위 요소의 변형을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 혈관 중재 시술에 있어서 카테터 삽입에 의한 혈관 변형 시뮬레이션 방법.
According to clause 5,
In step (d-2),
setting a blood vessel center point corresponding to each catheter center point among the plurality of blood vessel center points as a constraint node;
calculating a force acting on the unit element so that the displacement of the constraint node satisfies conditions 1 and 2 below; and
(Condition 1)
(Condition 2)
( : vessel radius, : Blood vessel center point due to catheter insertion force acting on, : Distance between the center point of the blood vessel and the center point of the catheter after registration)
A method for simulating vascular deformation due to catheter insertion in vascular interventional procedures, comprising calculating deformation of the unit element according to a force acting on the unit element.
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