医疗器械装配仿真方法、装置、计算机设备和存储介质与流程

本技术涉及数字医疗器械，特别是涉及一种医疗器械装配仿真方法、装置、计算机设备和存储介质。

背景技术：

1、tevar（thoracic endovascular aortic repair, 胸主动脉腔内修复术）是临床治疗主动脉瘤、主动脉夹层等大血管病变的主流微创介入术式，针对主动脉弓部复杂病变时，临床通常需沿导丝植入带分支支架或开窗支架等分支类介入器械，完成多支血管血流重建工作。

2、为提前制定手术方案并开展术中预演，临床普遍借助计算机仿真技术模拟支架或球囊等器械在血管内部的输送、形变与装配全过程，当前主流仿真方案分为有限元高精度力学模拟、纯几何路径快速模拟两类，但两类传统仿真手段均存在明显技术短板。其一，有限元仿真求解过程复杂，极易出现刚度矩阵病态和网格畸变等计算问题，运算耗时极长，无法满足临床术前规划对实时交互、快速迭代的使用需求；其二，纯几何路径跟随仿真基于医学影像提取血管中心线建模，影像自带几何噪声易造成血管分叉位置拓扑断裂，且现有算法将分叉节点设定为静态刚性结构，无法复现器械牵引下分叉区域动态滑移、连续形变的真实运动规律，最终分支器械装配仿真位形与实际植入状态偏差较大。与此同时，胸主动脉和主动脉弓天然具备大曲率复杂三维扭曲结构，现有空间映射与网格变形算法处理该类曲线时易生成标架奇点，一方面会造成支架仿真模型出现违背物理规律的自扭转现象，另一方面无法保障器械形变前后测地线长度守恒，出现轴向拉伸、压缩失真问题，大幅降低分支支架在血管分叉平面的装配对齐精度。因此，现有tevar器械仿真方案难以兼容分支血管动态拓扑连续性，无法同时兼顾运算实时性与实体几何守恒约束，仿真得到的器械形变、装配结果与病变血管内真实工况差异显著。行业亟需一种适配动态分支结构、兼具高保真度与防扭转特性的胸主动脉腔内修复术器械空间装配仿真方法。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种在tevar器械装配仿真中兼顾运算实时性、分支血管动态拓扑连续性与器械实体几何守恒特性，减小仿真所得器械形变、装配结果和血管真实工况的偏差的医疗器械装配仿真方法、装置、计算机设备和存储介质。

2、第一方面，本技术提供了一种医疗器械装配仿真方法，所述方法包括：

3、获取多维血管图像，并通过图像识别算法，从所述多维血管图像中提取出血管腔区域，且采用表面重建算法，生成所述血管腔区域的三维表面网格模型；

4、在所述三维表面网格模型内部构建沃罗诺伊图，根据所述沃罗诺伊图，确定三维表面网格模型内的最大内切球半径；

5、根据所述最大内切球半径，确定所述三维表面网格模型的主干几何中心线以及三维表面网格模型中的分支血管几何中心线，并对所述主干几何中心线进行b样条曲线拟合，确定平滑主干曲线；

6、根据所述平滑主干曲线和三维表面网格模型中的分支血管几何中心线，确定待装配医疗器械的目标骨架驱动线；

7、基于所述目标骨架驱动线，对所述待装配医疗器械的医疗器械参考网格模型进行形变映射，得到装配态器械网格模型，从而完成医疗器械的装配仿真。

8、在其中一个实施例中，根据所述最大内切球半径，确定所述三维表面网格模型的主干几何中心线，包括：

9、将最大内切球半径的平方的倒数作为路径搜索代价函数的约束项，并从三维表面网格模型中确定入口端点和出口端点，且基于所述入口端点和所述出口端点，确定至少一条空间路径曲线；

10、基于路径搜索代价函数的约束项和所述空间路径曲线，确定各空间路径曲线对应的代价函数能量积分；

11、从代价函数能量积分中确定最小积分值，并将最小积分值对应的空间路径曲线作为主干几何中心线。

12、在其中一个实施例中，根据所述平滑主干曲线和三维表面网格模型中的分支血管几何中心线，确定待装配医疗器械的目标骨架驱动线，包括：

13、确定待装配医疗器械是否存在分支结构；

14、若所述待装配医疗器械不存在分支结构，则将所述平滑主干曲线作为待装配医疗器械的目标骨架驱动线；

15、若所述待装配医疗器械存在分支结构，则从所述三维表面网格模型中提取分支血管几何中心线；

16、基于所述分支血管几何中心线和所述平滑主干曲线，确定目标分叉锚点；

17、确定所述分支血管几何中心线的远端分支点，并基于所述目标分叉锚点和所述远端分支点构建三阶贝塞尔曲线；

18、基于所述三阶贝塞尔曲线、所述分支血管几何中心线和所述平滑主干曲线，确定所述待装配医疗器械的目标骨架驱动线。

19、在其中一个实施例中，基于所述分支血管几何中心线和所述平滑主干曲线，确定目标分叉锚点，包括：

20、确定所述分支血管几何中心线上各离散采样点到所述平滑主干曲线的空间距离，以及所述离散采样点到所述平滑主干曲线的最近投影位置；

21、根据所述空间距离，以及所述平滑主干曲线在所述最近投影位置处的最大内切球半径，确定所述分支血管几何中心线脱离主干血管的内腔区域后的分支脱离段；

22、根据分支脱离段对应的离散采样点与所述平滑主干曲线之间的距离，从分支脱离段对应的离散采样点中确定目标采样点；

23、对所述目标采样点进行贝塞尔曲线拟合，确定表征所述分支脱离段延伸位置的分支参考点；

24、基于所述分支参考点，从所述平滑主干曲线中确定候选主干线段；

25、基于所述平滑主干曲线在所述候选主干线段内的候选主干位置的切向量，以及所述候选主干线段的线段端点指向所述分支参考点的单位方向向量，确定正交匹配代价，从所述候选主干位置中确定目标分叉锚点。

26、在其中一个实施例中，确定所述分支血管几何中心线的远端分支点，并基于所述目标分叉锚点和所述远端分支点构建三阶贝塞尔曲线，包括：

27、将所述目标分叉锚点作为第一端点，并将所述远端分支点作为第二端点；

28、确定所述远端分支点对应的最大内切球半径，并将远端分支点对应的最大内切球半径的二分之一作为第一延伸长度，且基于所述第一延伸长度，将所述远端分支点沿所述分支血管几何中心线在所述远端分支点的切线方向进行延伸，将延伸终点作为第一中间控制点；

29、确定所述目标分叉锚点对应的最大内切球半径，并将所述目标分叉锚点对应的最大内切球半径的二分之一作为第二延伸长度，且基于所述第二延伸长度，将所述目标分叉锚点沿所述平滑主干曲线在所述目标分叉锚点的切线方向进行延伸，将延伸终点作为第二中间控制点；

30、基于所述第一端点、所述第二端点、所述第一中间控制点和所述第二中间控制点，构建三阶贝塞尔曲线。

31、在一个实施例中，基于所述目标骨架驱动线，对所述待装配医疗器械的医疗器械参考网格模型进行形变映射，得到装配态器械网格模型，包括：

32、通过旋转最小化标架算法，基于所述目标骨架驱动线，构建平滑标架场；

33、当所述待装配医疗器械存在分支结构时，通过三维叉乘运算，确定所述平滑主干曲线在目标分叉锚点的切向量和所述分支血管几何中心线上距离所述目标分叉锚点最近的位置处的切向量之间的血管分叉平面的第一法向量；

34、基于所述平滑标架场，确定所述待装配医疗器械的器械分叉平面的第二法向量；

35、以所述第一法向量和所述第二法向量之间的夹角最小化为优化目标，构建目标优化函数，基于所述目标优化函数确定最优旋转角，并确定所述最优旋转角对应的预旋转矩阵；

36、将所述预旋转矩阵应用于所述待装配医疗器械的医疗器械参考网格模型，确定校准后网格模型；

37、当所述待装配医疗器械不存在分支结构时，将所述医疗器械参考网格模型作为校准后网格模型；

38、从所述医疗器械参考网格模型中提取所述待装配医疗器械的骨架节点，将所述骨架节点中的起始节点映射在所述目标骨架驱动线上，确定第一映射节点，并基于所述第一映射节点和节点几何约束条件，将所述骨架节点中除起始节点之外的其他节点映射到所述目标骨架驱动线上，确定节点映射后坐标；

39、基于所述节点映射后坐标和所述平滑标架场，生成各骨架节点对应的刚体变换矩阵；

40、通过线性混合蒙皮算法，根据所述校准后网格模型和所述刚体变换矩阵，确定装配态器械网格模型。

41、在一个实施例中，通过线性混合蒙皮算法，根据所述校准后网格模型和所述刚体变换矩阵，确定装配态器械网格模型，包括：

42、确定所述校准后网格模型中各网格顶点的初始空间坐标；

43、基于所述医疗器械参考网格模型，确定初始直线骨架，并在所述初始直线骨架上确定距离各网格顶点最近的骨架线段；

44、将各网格顶点向其对应的骨架线段做垂直投影，得到各网格顶点对应的投影点在骨架线段上的局部重心坐标参数；

45、基于各骨架线段的线段索引与各网格顶点对应的局部重心坐标参数，确定各网格顶点在初始直线骨架上的连续参数化测度值；

46、通过高斯概率密度函数，基于所述连续参数化测度值和标准差参数，确定各网格顶点对应的未归一化权重；

47、对所述未归一化权重进行归一化处理，确定各网格顶点对应的蒙皮影响权重；

48、通过线性混合蒙皮算法，根据所述初始空间坐标、所述刚体变换矩阵和各网格顶点对应的蒙皮影响权重，确定各网格顶点的映射后空间坐标；

49、根据各网格顶点的映射后空间坐标，确定装配态器械网格模型。

50、第二方面，本技术还提供了一种医疗器械装配仿真装置，所述装置包括：

51、三维网格模型构建模块，用于获取多维血管图像，并通过图像识别算法，从所述多维血管图像中提取出血管腔区域，且采用表面重建算法，生成所述血管腔区域的三维表面网格模型；

52、内切球半径确定模块，用于在所述三维表面网格模型内部构建沃罗诺伊图，根据所述沃罗诺伊图，确定三维表面网格模型内的最大内切球半径；

53、平滑主干曲线确定模块，用于根据所述最大内切球半径，确定所述三维表面网格模型的主干几何中心线以及三维表面网格模型中的分支血管几何中心线，并对所述主干几何中心线进行b样条曲线拟合，确定平滑主干曲线；

54、目标骨架驱动线确定模块，用于根据所述平滑主干曲线和三维表面网格模型中的分支血管几何中心线，确定待装配医疗器械的目标骨架驱动线；

55、器械网格模型确定模块，用于基于所述目标骨架驱动线，对所述待装配医疗器械的医疗器械参考网格模型进行形变映射，得到装配态器械网格模型，从而完成医疗器械的装配仿真。

56、第三方面，本技术还提供了一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

57、获取多维血管图像，并通过图像识别算法，从所述多维血管图像中提取出血管腔区域，且采用表面重建算法，生成所述血管腔区域的三维表面网格模型；

58、在所述三维表面网格模型内部构建沃罗诺伊图，根据所述沃罗诺伊图，确定三维表面网格模型内的最大内切球半径；

59、根据所述最大内切球半径，确定所述三维表面网格模型的主干几何中心线以及三维表面网格模型中的分支血管几何中心线，并对所述主干几何中心线进行b样条曲线拟合，确定平滑主干曲线；

60、根据所述平滑主干曲线和三维表面网格模型中的分支血管几何中心线，确定待装配医疗器械的目标骨架驱动线；

61、基于所述目标骨架驱动线，对所述待装配医疗器械的医疗器械参考网格模型进行形变映射，得到装配态器械网格模型，从而完成医疗器械的装配仿真。

62、第四方面，本技术还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

63、获取多维血管图像，并通过图像识别算法，从所述多维血管图像中提取出血管腔区域，且采用表面重建算法，生成所述血管腔区域的三维表面网格模型；

64、在所述三维表面网格模型内部构建沃罗诺伊图，根据所述沃罗诺伊图，确定三维表面网格模型内的最大内切球半径；

65、根据所述最大内切球半径，确定所述三维表面网格模型的主干几何中心线以及三维表面网格模型中的分支血管几何中心线，并对所述主干几何中心线进行b样条曲线拟合，确定平滑主干曲线；

66、根据所述平滑主干曲线和三维表面网格模型中的分支血管几何中心线，确定待装配医疗器械的目标骨架驱动线；

67、基于所述目标骨架驱动线，对所述待装配医疗器械的医疗器械参考网格模型进行形变映射，得到装配态器械网格模型，从而完成医疗器械的装配仿真。

68、上述医疗器械装配仿真方法、装置、计算机设备和存储介质，获取多维血管图像，并通过图像识别算法，从多维血管图像中提取出血管腔区域，且采用表面重建算法，生成血管腔区域的三维表面网格模型；在三维表面网格模型内部构建沃罗诺伊图，根据沃罗诺伊图，确定三维表面网格模型内的最大内切球半径；根据最大内切球半径，确定三维表面网格模型的主干几何中心线以及三维表面网格模型中的分支血管几何中心线，并对主干几何中心线进行b样条曲线拟合，确定平滑主干曲线；根据平滑主干曲线和三维表面网格模型中的分支血管几何中心线，确定待装配医疗器械的目标骨架驱动线；基于目标骨架驱动线，对待装配医疗器械的医疗器械参考网格模型进行形变映射，得到装配态器械网格模型，从而完成医疗器械的装配仿真。解决了现有tevar器械仿真方案难以兼容分支血管动态拓扑连续性，无法同时兼顾运算实时性与实体几何守恒约束，仿真得到的器械形变、装配结果与病变血管内真实工况差异显著的问题。上述方案，基于患者多维血管图像重建血管腔三维表面网格模型，通过沃罗诺伊图求解血管最大内切球半径，基于最大内切球半径提取居于管腔中心的主干几何中心线，并通过b样条拟合得到平滑主干曲线，结合分支血管中心线构建适配血管形态的目标骨架驱动线；基于目标骨架驱动线驱动器械网格模型实施形变映射实现虚拟装配仿真，能够适配不同患者个体化血管解剖结构，保证提取的血管中心线稳定处于血管管腔中心，规避中心线偏移贴近血管壁带来的仿真误差。此外，平滑处理后的驱动骨架能够适配包含分叉结构的复杂血管形态，使得待装配医疗器械在仿真装配过程中网格形变更加连续顺滑，能够减少仿真过程中的网格扭曲畸变，从而精准复现待装配医疗器械在血管内的装配形态，提升血管介入术前虚拟装配仿真的准确度与实用性，为手术方案预演提供可靠的数据支撑。