【技術實現步驟摘要】
本申請涉及醫療設備物理仿真，尤其涉及一種消融導管的物理建模方法。
技術介紹
1、導管射頻消融術是一種應用廣泛的微創手術，用于在藥物無法恢復正常心律的情況下治療心律失常。在手術過程中，將可轉向導管插入心臟，利用射頻能量(rf)消融目標區域，阻斷異常電信號。
2、其中，消融導管的物理建模是導管消融術模擬仿真和在此基礎上的手術導航的關鍵因素。而相關技術中的建模方法構建物理模型的過程較為繁瑣，建模的計算成本較高。比如，經驗剛性連接模型可以應對曲率可變的情況，但模型參數需要根據不同的導管和彎曲配置進行實驗調整，建模過程和模型參數較為復雜。又比如，針對柔性體的大撓度建模方法構建的模型可以應對大撓度下的變曲率，然而，從外力到形狀撓度的預測需要數值積分，計算成本較高，不便于實際應用。
技術實現思路
1、本申請旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。
2、為此，本申請的第一個目的在于提出一種消融導管的物理建模方法，該方法利用導管末端位置跟蹤來實時估計導管形狀，提高了消融導管建模的準確性和便利性，提高了建模效率。
3、本申請的第二個目的在于提出一種消融導管的物理建模裝置。
4、本申請的第三個目的在于提出一種非臨時性計算機可讀存儲介質。
5、為達上述目的，本申請的第一方面實施例提出了一種消融導管的物理建模方法，包括以下步驟：
6、將消融導管的運動學模型視為連續的螺旋狀結構，對所述連續的螺旋狀結構進行離散化處理，獲得多段子模
7、基于所述空間位姿的描述確定運動學模型的約束條件，通過具有所述約束條件的拉格朗日乘子法對運動學模型進行描述，獲得消融導管的運動表示方程，并求解所述運動表示方程，獲得消融導管的運動仿真結果；
8、基于所述運動仿真結果，通過c形臂成像系統的x射線圖像進行消融導管末端的位置跟蹤；
9、利用跟蹤獲得的消融導管末端位置，通過逆向運動學算法實時估計消融導管的形狀，以構建出消融導管的三維物理模型。
10、可選地，在本申請的一個實施例中，所述通過每段子模型的彎曲及扭轉的形變率、質心位置和旋轉四元數描述本段子模型的空間位姿，包括：對于任一子模型，確定模型的中心線的曲線表達式；確定所述中心線上的點對應的右手正交坐標系，計算所述右手正交坐標系的坐標軸方向的空間導數；根據所述空間導數和所述坐標軸方向確定darboux矢量，并基于所述darboux矢量確定彎曲的形變率和扭轉的形變率。
11、可選地，在本申請的一個實施例中，所述通過每段子模型的彎曲及扭轉的形變率、質心位置和旋轉四元數描述本段子模型的空間位姿，還包括：將所述中心線劃分為多個離散的空間控制點，根據相鄰的兩個所述空間控制點構建中心線元；對于任一中心線元，通過旋轉四元數表示中心線元的方向，以描述所述任一中心線元的彎曲或旋轉。
12、可選地，在本申請的一個實施例中，所述基于所述空間位姿的描述確定運動學模型的約束條件，包括：
13、將所述右手正交坐標系的第一坐標軸方向與所述中心線切線方向相平行，作為第一完整性約束條件，其中，通過以下公式表示所述第一完整性約束條件：
14、
15、其中，r′表示中心線的空間導數，d1表示第一坐標軸方向；
16、對旋轉四元數進行歸一化處理，以生成第二完整性約束條件，其中，通過以下公式表示所述第二完整性約束條件：
17、cq＝||q||-1＝0
18、其中，q表示旋轉四元數。
19、可選地，在本申請的一個實施例中，通過以下公式表示消融導管的運動表示方程：
20、
21、其中，t表示動能，v表示勢能，d表示耗散能，fe表示合外力矩，gi∈{rx,ry,rz,q1,q2,q3,q4}表示廣義坐標，是gi的時間導數，λ和μ分別表示不同的約束系數。
22、可選地，在本申請的一個實施例中，所述通過逆向運動學算法實時估計消融導管的形狀，包括：
23、構建消融導管的正向動力學模型，其中，在所述正向動力學模型中，全部子模型的質心位置和旋轉狀態共同確定消融導管末端的坐標；
24、對所述正向動力學模型進行反向推導，將所述跟蹤獲得的消融導管末端位置代入逆向運動學算法，求解消融導管每個子模型的質心位置和旋轉四元數參數，其中，通過以下公式表示所述逆向運動學算法中的優化目標函數：
25、
26、其中，q是跟蹤獲得的消融導管末端位置，f(θ)是消融導管末端的當前位置估計，θ是旋轉角度參數，f(θ)通過逆向運動求解得到。
27、為達上述目的，本申請的第二方面實施例提出了本專利技術基于一種消融導管的物理建模裝置，包括以下模塊：
28、離散模塊，用于將消融導管的運動學模型視為連續的螺旋狀結構，對所述連續的螺旋狀結構進行離散化處理，獲得多段子模型，并通過每段子模型的彎曲及扭轉的形變率、質心位置和旋轉四元數描述本段子模型的空間位姿；
29、約束模塊，用于基于所述空間位姿的描述確定運動學模型的約束條件，通過具有所述約束條件的拉格朗日乘子法對運動學模型進行描述，獲得消融導管的運動表示方程，并求解所述運動表示方程，獲得消融導管的運動仿真結果；
30、位置跟蹤模塊，用于基于所述運動仿真結果，通過c形臂成像系統的x射線圖像進行消融導管末端的位置跟蹤；
31、構建模塊，用于利用跟蹤獲得的消融導管末端位置，通過逆向運動學算法實時估計消融導管的形狀，以構建出消融導管的三維物理模型。
32、為達上述目的，本申請第三方面實施例還提出了一種非臨時性計算機可讀存儲介質，其上存儲有計算機程序，計算機程序被處理器執行時實現上述實施例中的消融導管的物理建模方法。
33、本申請的實施例提供的技術方案至少帶來以下有益效果：本申請先將消融導管視為連續的螺旋狀結構，對此結構進行離散化，每一段模型的空間位姿由質心位置和旋轉四元數描述。然后對消融導管分段后，建立各段之間的約束關系。再從x射線圖像估計導管末端位置。最后利用導管末端位置跟蹤來實時估計消融導管形狀參數，從而得到消融導管形狀。由此，本申請能夠利用導管末端位置跟蹤來實時估計消融導管形狀，在保證構建的出的物理模型的準確性的基礎上，降低了消融導管物理建模過程的復雜程度，提高了建模效率，減少了建模耗費的計算資源，在實際應用中易于實施，為導管消融術模擬仿真和在此基礎上的手術導航提供了技術支持。
34、本專利技術附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本專利技術的實踐了解到。
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1.一種消融導管的物理建模方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的消融導管的物理建模方法，其特征在于，所述通過每段子模型的彎曲及扭轉的形變率、質心位置和旋轉四元數描述本段子模型的空間位姿，包括：
3.根據權利要求2所述的消融導管的物理建模方法，其特征在于，所述通過每段子模型的彎曲及扭轉的形變率、質心位置和旋轉四元數描述本段子模型的空間位姿，還包括：
4.根據權利要求2所述的消融導管的物理建模方法，其特征在于，所述基于所述空間位姿的描述確定運動學模型的約束條件，包括：
5.根據權利要求4所述的消融導管的物理建模方法，其特征在于，通過以下公式表示消融導管的運動表示方程：
6.根據權利要求1所述的消融導管的物理建模方法，其特征在于，所述通過逆向運動學算法實時估計消融導管的形狀，包括：
7.一種消融導管的物理建模裝置，其特征在于，包括：
8.根據權利要求7所述的消融導管的物理建模裝置，其特征在于，所述離散模塊，具體用于：
9.根據權利要求7所述的消融導管的物理建模裝置，其特征
10.一種非臨時性計算機可讀存儲介質，其上存儲有計算機程序，其特征在于，所述計算機程序被處理器執行時實現如權利要求1-6中任一所述的消融導管的物理建模方法。
...【技術特征摘要】
1.一種消融導管的物理建模方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的消融導管的物理建模方法，其特征在于，所述通過每段子模型的彎曲及扭轉的形變率、質心位置和旋轉四元數描述本段子模型的空間位姿，包括：
3.根據權利要求2所述的消融導管的物理建模方法，其特征在于，所述通過每段子模型的彎曲及扭轉的形變率、質心位置和旋轉四元數描述本段子模型的空間位姿，還包括：
4.根據權利要求2所述的消融導管的物理建模方法，其特征在于，所述基于所述空間位姿的描述確定運動學模型的約束條件，包括：
5.根據權利要求4所述的消融導管的物理建模方法，其特征在于...
【專利技術屬性】
技術研發人員：張麗，王朔，邢宇翔，劉元偉，張萍，沈樂，
申請(專利權)人：清華大學，
類型：發明
國別省市：
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