一种腔道路径规划方法、装置、电子设备及存储介质与流程

1.本发明涉及手术路径规划技术领域，尤其涉及一种腔道路径规划方法、装置、电子设备及存储介质。


背景技术：

2.随着医学影像技术的飞速发展，利用ct(computed tomography，电子计算机断层扫描)、mri(magnetic resonance imaging，磁共振成像)等技术对人体进行成像及建模的水平得到了大幅度的提高，这为医生在术前即对病人体内情况有充分的了解创造了条件。对于病人来说，在手术时受到尽可能少的损伤，以及尽可能缩短手术时间都是十分有必要的。而这些需求，可以通过在术前对手术路径的合理规划来达到。
3.目前手术路径规划领域的方法包括有传统路径规划方法和基于深度学习进行路径规划的方法。但是，通过传统算法进行路径规划，其建模过程复杂，并且不同的人体区域和器官可能需要不同的建模方法，局限性较大；对于深度学习的方法，目前手术路径规划的数据集很少，要达到较好的效果有极大的难度。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种腔道路径规划方法、装置、电子设备及存储介质，基于电磁场有限元分析相关理论，通过腔道影像信息和预设模型参数信息进行有限元建模，可以完成腔道内的路径规划，建模过程相对简单，且不需要根据先验知识对原始数据做大量的预处理；可以适应于多种生物自然腔道的路径规划，对于复杂的腔道内环境，也能很好的完成路径规划工作，不易受到腔道不平滑、凸起和多分叉等因素的干扰。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种腔道路径规划方法，所述方法包括：
7.获取目标对象的腔道影像信息以及与所述腔道影像信息关联的预设模型参数信息；
8.基于所述腔道影像信息和所述预设模型参数信息，建立有限元腔道模型；
9.在所述有限元腔道模型中确定目标腔道路径的起始点位置和目标点位置；
10.基于所述起始点位置和所述目标点位置，设置电流源和接地点；
11.通过所述电流源和所述接地点控制所述有限元腔道模型运行，获得电流密度分布信息；
12.基于所述电流密度分布信息，获得所述目标腔道路径。
13.可选的，所述基于所述腔道影像信息和所述预设模型参数信息，建立有限元腔道模型，包括：
14.基于所述腔道影像信息，建立三维模型；
15.基于所述三维模型和所述预设模型参数信息，建立所述有限元腔道模型。
16.可选的，所述预设模型参数信息包括预设约束条件、第一模型参数和第二模型参
数；
17.所述基于所述三维模型和所述预设模型参数信息，建立有限元腔道模型，包括：
18.对所述三维模型进行有限元网格划分处理，获得有限元模型；
19.在所述有限元模型中配置所述预设约束条件，并将所述有限元模型中的腔壁部分和腔内部分的电导率分别设置为所述第一预设参数和所述第二预设参数，获得所述有限元腔道模型。
20.可选的，所述基于所述起始点位置和所述目标点位置，设置电流源和接地点，包括：
21.将所述起始点位置对应的平面设置为所述电流源；
22.将所述目标点位置对应的平面设置为所述接地点。
23.可选的，所述基于所述电流密度分布信息，获得所述目标腔道路径，包括：
24.基于所述电流密度分布信息，在每个取点平面上按照预设条件确定多个目标散点，所述取点平面为所述三维模型中多个取点平面的一个，所述多个取点平面相互平行；
25.基于所述三维模型中的多个目标散点，进行拟合处理，获得拟合线段；
26.对所述拟合线段进行修正处理，获得所述目标腔道路径。
27.可选的，所述对所述拟合线段进行修正处理，获得所述目标腔道路径，包括：
28.获取预设最大曲率值；
29.基于所述预设最大曲率值，对所述拟合线段进行修正处理，得到所述目标腔道路径。
30.可选的，所述获取腔道影像信息，包括：
31.获取医学影像信息；
32.对所述医学影像信息进行分割处理，获得所述腔道影像信息。
33.另一方面，本发明还提供了一种腔道路径规划装置，所述装置包括：
34.第一获取模块，用于获取腔道影像信息和以及与所述腔道影像信息关联的预设模型条件参数信息；
35.建模模块，用于基于所述腔道影像信息和所述预设模型参数信息，建立有限元腔道模型；
36.第一执行模块，用于在所述有限元腔道模型中确定目标腔道优化路径的起始点位置和目标点位置；
37.第二执行模块，用于基于所述起始点位置和所述目标点位置，设置电流源和接地点；
38.第二获取模块，用于通过所述电流源和接地点控制所述有限元腔道模型运行，获得电流密度分布信息；
39.第三获取模块，用于基于所述电流密度分布信息，获得所述目标腔道路径。
40.另一方面，本发明提供了一种电子设备，包括：处理器；用于存储处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为执行上述腔道路径规划方法。
41.另一方面，本发明提供了一种非易失性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述的腔道路径规划方法。
42.本发明提供的一种腔道路径规划方法、装置、电子设备及存储介质，基于电磁场有
限元分析相关理论，通过腔道影像信息和预设模型参数信息进行有限元建模，可以完成腔道内的路径规划，建模过程相对简单，且不需要根据先验知识对原始数据做大量的预处理；可以适应于多种生物自然腔道的路径规划，对于复杂的腔道内环境，也能很好的完成路径规划工作，不易受到腔道不平滑、凸起和多分叉等因素的干扰。
附图说明
43.为了更清楚地说明本发明的技术方案，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的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还能够根据这些附图获得其它附图。
44.图1为本发明实施例提供的一种腔道路径规划方法的流程图。
45.图2为本发明实施例提供的一种基于腔道影像信息和预设模型参数信息，建立有限元腔道模型的方法流程图。
46.图3为本发明实施例提供的一种基于三维模型和预设模型参数信息，建立有限元腔道模型的方法流程图。
47.图4为本发明实施例提供的一种基于起始点位置和目标点位置，设置电流源和接地点的方法流程图。
48.图5为本发明实施例提供的一种基于电流密度分布信息，获得目标腔道路径的方法流程图。
49.图6为本发明实施例提供的一种对拟合线段进行修正处理，获得目标腔道路径的方法流程图。
50.图7为本发明实施例提供的一种获取腔道影像信息的方法流程图。
51.图8为本发明实施例提供的一种腔道路径规划装置的结构框图。
具体实施方式
52.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的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。
53.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
54.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
55.首先介绍本发明的腔道路径规划方法的实施例，图1是本发明实施例提供的一种
腔道路径规划方法的流程图。本说明书提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的系统产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境)。
56.如图1所示，本实施例提供了一种腔道路径规划方法，该方法包括：
57.s101.获取目标对象的腔道影像信息以及与腔道影像信息关联的预设模型参数信息；
58.其中，目标对象可以是具有腔道的生物，例如人。腔道影像信息可以是为了医疗或医学研究，对目标对象或目标对象某部分，以非侵入方式取得其的腔道部分的影像信息。腔道影像信息可以包括腔道ct图像信息和腔道核磁共振图像信息。腔道影像信息可以是用户通过影像设备将影像信息导入得到。预设模型参数信息可以用于模型构建过程中的边界条件和约束条件的配置。预设模型参数信息可以包括预设约束条件、第一模型参数和第二模型参数。预设约束条件可以是用于模型构建的限制条件，预设约束条件可以是预先设定的。第一模型参数和第二模型参数可以是在基于腔道影像信息得到其对应的腔道类型后确定得到的。
59.实际应用中，可以通过影像设备对目标对象进行影像采集，得到目标对象的腔道影像信息。可以根据腔道影像信息得到腔道类型或腔道复杂程度，从而进一步根据腔道类型和腔道复杂程度确定预设模型参数信息中的第一模型参数和第二模型参数。
60.s102.基于腔道影像信息和预设模型参数信息，建立有限元腔道模型；
61.其中，有限元腔道模型可以是运用有限元分析方法建立的腔道模型。有限元分析利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。利用简单而又相互作用的元素(即单元)，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件)，从而得到问题的解。因为实际问题被较简单的问题所代替，所以这个解不是准确解，而是近似解。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
62.在实际应用中，可以是基于comsol multiphysics软件或ansys软件进行有限元腔道模型的建立和电磁场有限元分析。
63.s103.在有限元腔道模型中确定目标腔道路径的起始点位置和目标点位置；
64.其中，目标腔道路径可以是指在目标对象的腔道中所规划的用于手术的路径。目标腔道路径可以是在目标对象的腔道内部的曲线路径。起始点位置可以是目标对象腔道的待手术的起点位置，目标点位置可以是目标对象腔道的待手术的终点位置。
65.在实际应用中，起始点位置和目标点位置可以根据目标对象的待手术区域来确定。
66.s104.基于起始点位置和目标点位置，设置电流源和接地点；
67.其中，电流源和接地点可以是指电磁场有限元分析相关软件中的电磁学模块中的电流源单元。接地点可以是指电磁场有限元分析相关软件中的电磁学模块中的接地点单
元。
68.在实际应用中，可以是在起始点位置设置电流源，在目标点位置设置接地点。
69.s105.通过电流源和接地点控制有限元腔道模型运行，获得电流密度分布信息；
70.其中，电流密度分布信息可以表征在电流源和接地点运行的情况下有限元腔道模型中的电流密度分布情况。
71.在实际应用中，可以设置合适的学习步长，通过电流源和接地点控制有限元腔道模型运行预设时长，可以获取电流密度分布信息，其中运行的预设时长与学习步长是相关的；也可以是在接收到运算完成信号后，获取电流密度分布信息，本公开不作限定。
72.s106.基于电流密度分布信息，获得目标腔道路径。
73.在实际应用中，基于电流密度分布信息并结合三维模型，可以选择按照z平面，间隔预设长度对具有电流密度分布的三维模型进行切片处理。每个切片上的分布情况可以代表该切片平面的电场分布。可以理解的是，对于每个单个切片而言，可以看作是一组二维电势分布数据。可以在每个切片上找到电压值最大的区域，从而可以得到三维模型中多个切片上最大电压值分布信息。基于上述最大电压值分布信息，进行拟合处理，可以将得到的拟合线段作为目标腔道路径。
74.基于电磁场有限元分析相关理论，通过腔道影像信息和预设模型参数信息进行有限元建模，可以完成腔道内的路径规划，建模过程相对简单，且不需要根据先验知识对原始数据做大量的预处理；可以适应于多种生物自然腔道的路径规划，对于复杂的腔道内环境，也能很好的完成路径规划工作，不易受到腔道不平滑、凸起和多分叉等因素的干扰。
75.图2为本发明实施例提供的一种基于腔道影像信息和预设模型参数信息，建立有限元腔道模型的方法流程图。在一个可能的实施方式中，如图2所示，上述步骤s102可以包括：
76.s201.基于腔道影像信息，建立三维模型；
77.其中，三维模型可以是腔道的多边形表示。具体地，三维模型可以是三角面形式。
78.在实际应用中，可以通过使用建模算法或软件(如3dslicer)，基于腔道影像信息对腔道进行建模得到三维模型。建立三维模型后，可以对三维模型进行后处理，以使三维模型更加贴合自然腔道，以提高路径规划的准确性。具体地，后处理的方法可以包括残损表面修补和复杂结构简化等。
79.s202.基于三维模型和预设模型参数信息，建立有限元腔道模型。
80.其中，预设模型参数信息可以是用于构建有限元腔道模型的相关参数。
81.在实际应用中，可以对三维模型进行有限元网格划分处理得到有限元模型，并基于预设模型参数信息对有限元模型进行配置。
82.图3为本发明实施例提供的一种基于三维模型和预设模型参数信息，建立有限元腔道模型的方法流程图。在一个可能的实施方式中，预设模型参数信息包括预设约束条件、第一模型参数和第二模型参数；如图3所示，上述步骤s202，可以包括：
83.s301.对三维模型进行有限元网格划分处理，获得有限元模型；
84.其中，基于任何有限元分析模型得到的精度都与所用的有限元网格直接相关。有限元网格划分处理可以是采用局部自适应网格划分，根据特定的度量指标，在整个模型空间的部分子集上进行误差估计，随后根据误差估计信息生成一个全新的网格，即会在误差
更显著的区域使用较小的单元。具体有限元网格划分方法也可以采用其他方法(如全局自适应网格细化等)，本公开不作限定。
85.s302.在有限元模型中配置预设约束条件，并将有限元模型中的腔壁部分和腔内部分的电导率分别设置为第一预设参数和第二预设参数，获得有限元腔道模型。
86.其中，本公开主要使用有限元分析中的电磁学模块进行分析，预设约束条件可以是：上述预设约束条件的推导过程如下：
87.已知欧姆定律的3d形式为：其中，j代表电流密度(a/m^2)，σ为电导率，v表示体积，为哈密顿算符。
88.空间中的一个体积为v的立方体，由其表面上面积为s的部分提供了一个电流密度为is(a/m3)的电压源，根据任何向量场v的散度定理：
[0089][0090]
而j＝v，则：
[0091][0092]
最终可得：
[0093]
具体地，第一预设参数和第二预设参数可以分别是σw＝0.0001(s/m)和σc＝1000(s/m)。由于我们期望规划的路径是处于腔道内的，所以令σw＜＜＜σc。第一预设参数和第二预设参数的设置可以结合腔道实际情况来确定，如腔道的整体尺寸较大时，可以采用较大的σc，以避免在基于电流密度分布信息获得目标腔道路径的过程中，每个切片中的各个点的电压值差异较小，即通过采用较大的σc可以提高对于整体尺寸较大的腔道所规划路径的精确度。
[0094]
图4为本发明实施例提供的一种基于起始点位置和目标点位置，设置电流源和接地点的方法流程图。在一个可能的实施方式中，如图4所示，上述步骤s104，可以包括：
[0095]
s401.将起始点位置对应的平面设置为电流源；
[0096]
其中，可以在起始点位置取一个小平面，本实施例中可以是1.25mm*1.25mm的平面，将其置为电流源。平面的尺寸可以是根据起始点位置对应在腔道的所在位置的横截面积来确定的。
[0097]
s402.将目标点位置对应的平面设置为接地点。
[0098]
其中，可以在目标点位置取一个小平面，本实施例中可以是1.25mm*1.25mm的平面，将其置为地。平面的尺寸可以是根据目标点位置对应在腔道的所在位置的横截面积来确定的。
[0099]
图5为本发明实施例提供的一种基于电流密度分布信息，获得目标腔道路径的方法流程图。在一个可能的实施方式中，如图5所示，上述步骤s106，可以包括：
[0100]
s501.基于电流密度分布信息，在每个取点平面上按照预设条件确定多个目标散点，取点平面为三维模型中多个取点平面的一个，多个取点平面相互平行；
[0101]
其中，预设条件可以是位于取点平面且电压值最大。在单个取点平面上所取的目标散点的数量可以是三个。
[0102]
s502.基于三维模型中的多个目标散点，进行拟合处理，获得拟合线段；
[0103]
其中，三维模型中的多个目标散点可以是指三维模型中所有取点平面上所确定的全部目标散点。通过拟合处理，可以将上述散点中的部分散点，通过拟合线段连接起来。拟合线段可以是一条光滑曲线。
[0104]
s503.对拟合线段进行修正处理，获得目标腔道路径。
[0105]
其中，基于实际手术的需要，可以对拟合线段进行修正处理，将拟合路径微调，以使目标腔道路径更加满足手术需要。
[0106]
通过电磁场有限元分析得到的拟合线段，基本位于腔道的中心范围内，可以大大降低后处理的难度。
[0107]
图6为本发明实施例提供的一种对拟合线段进行修正处理，获得目标腔道路径的方法流程图。在一个可能的实现方式中，上述步骤s503，可以包括：
[0108]
s601.获取预设最大曲率值；
[0109]
其中，预设最大曲率值可以是目标腔道路径可允许的最大曲率值。预设最大曲率值可以是预先设定并存储于存储器内的。
[0110]
s602.基于预设最大曲率值，对拟合线段进行修正处理，得到目标腔道路径。
[0111]
其中，可以对拟合线段中大于预设最大曲率值的局部线段进行修正，例如可以是将曲率值过大的线段的曲率值降低。
[0112]
通过对拟合线段进行修正处理，防止目标腔道路径产生过大弯折的情况，能够更好的适应手术场景和需要。
[0113]
在实际应用中，在经过修正处理得到目标腔道路径后，可以将医学影像信息中的原始医学影像、三维模型和目标腔道路径进行配准。完成配准后，可以将原始医学影像、三维模型和目标腔道路径进行显示，便于观察目标腔道路径和原始医学图像及三维模型之间的相对位置关系。
[0114]
图7为本发明实施例提供的一种获取腔道影像信息的方法流程图。在一个可能的实施方式中，如图7所示，获取腔道影像信息，可以包括：
[0115]
s701.获取医学影像信息；
[0116]
其中，医学影像信息可以是指通过医学设备获得的医学原始图像。医学影像信息可以包括ct图像信息和核磁共振图像信息。医学影像信息可以是用户输入的。
[0117]
s702.对医学影像信息进行分割处理，获得腔道影像信息。
[0118]
其中，分割处理的方法可以是传统图像算法的方法，如阈值分割、膨胀腐蚀等算法，也可以是各种深度学习算法，如3d-unet、niftynet、3d v-net等。
[0119]
图8为本发明实施例提供的一种腔道路径规划装置的结构框图。在本实施例中，如图8所示，还提供了一种腔道路径规划装置，装置包括：
[0120]
第一获取模块10，用于获取腔道影像信息和以及与腔道影像信息关联的预设模型条件参数信息；
[0121]
建模模块20，用于基于腔道影像信息和预设模型参数信息，建立有限元腔道模型；
[0122]
第一执行模块30，用于在有限元腔道模型中确定目标腔道优化路径的起始点位置
和目标点位置；
[0123]
第二执行模块40，用于基于起始点位置和目标点位置，设置电流源和接地点；
[0124]
第二获取模块50，用于通过电流源和接地点控制有限元腔道模型运行，获得电流密度分布信息；
[0125]
第三获取模块60，用于基于电流密度分布信息，获得目标腔道路径。
[0126]
在本实施例中，还提供了一种电子设备，包括：处理器；用于存储处理器可执行指令的存储器；其中，处理器被配置为执行上述腔道路径规划方法。
[0127]
在本实施例中，还提供了一种存储介质，当该存储介质中的指令由电子设备的处理器执行时，使得电子设备能够执行本技术实施例中的腔道路径规划方法。
[0128]
要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，将其都表述为二系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。同样地，上述腔道路径规划装置的各模块是指计算机程序或者程序段，用于执行某一项或多项特定的功能，此外，上述各模块的区分并不代表实际的程序代码也必须是分开的。此外，还可对上述实施例进行任意组合，得到其他的实施例。
[0129]
在上述实施例中，对各实施例的描述都各有侧重，某各实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块(illustrative logical block)，单元，和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性(interchangeability)，上述的各种说明性部件(illustrative components)，单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。
[0130]
上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。