血管介入手術(shù)三維導(dǎo)航仿真軟件設(shè)計(jì)

馬策　湯汶　萬韜阮　朱耀麟　武桐

摘 要：本文在虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種方法進(jìn)行介入手術(shù)的三維導(dǎo)航仿真。該方法使用了兩個(gè)三維繪制窗口分別讀入體繪制和面繪制的血管模型。含有體繪制的血管模型的三維繪制窗口進(jìn)行標(biāo)志物移動的實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航；含有面繪制的血管模型的三維繪制窗口進(jìn)行標(biāo)志物經(jīng)過路徑的顯示和血管的內(nèi)窺觀察。通過兩種繪制窗口同步仿真，來達(dá)到了對介入手術(shù)三維導(dǎo)航的目的。

關(guān)鍵詞：血管；介入手術(shù)；三維導(dǎo)航；仿真；心臟支架

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：In this project a new method is also proposed to simulate the interventional medical procedural simulation based on the virtual endoscopy system developed in this project.The simulation of the intervention is realized by adding virtual markers of interventional catheter and the navigation of the medical devices is modeled through synchronous presenting in two models both in volume rendering and surface rendering.It can be shown that intravascular navigations and virtual markers positions are accurately represented and visualised.

Keywords：vessel；interventional operation；3D navigation；simulation；heart stents

1 引言（Introduction）

隨著虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)的成熟，虛擬內(nèi)窺鏡逐漸替代傳統(tǒng)的侵入式內(nèi)窺鏡，以此避免對人體上侵入損傷[1-4]。

本章在虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)的基礎(chǔ)上，加入介入手術(shù)導(dǎo)管的虛擬標(biāo)志，達(dá)到對介入手術(shù)進(jìn)行三維導(dǎo)航仿真的目的。在面繪制的血管模型內(nèi)部進(jìn)行內(nèi)窺的同時(shí)，含有體繪制的血管模型的三維繪制窗口進(jìn)行標(biāo)志物移動的實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航，從而既能夠從宏觀的角度來觀察虛擬標(biāo)志物在人體內(nèi)的位置，又能夠從微觀角度觀察虛擬標(biāo)志物在人體血管內(nèi)部的狀況。

2 仿真軟件平臺的搭建（Building of simulation

software）

該介入手術(shù)的三維導(dǎo)航仿真軟件使用MITK（Medical Imaging Interaction Toolkit）作為開發(fā)框架。對血管的三維面繪制以及體繪制模型進(jìn)行分別讀取；通過使用介入手術(shù)路徑采集插件進(jìn)行虛擬導(dǎo)管的路徑信息采集；最終通過兩個(gè)含有體繪制的血管模型的三維繪制窗口進(jìn)行標(biāo)志物移動的實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航；含有面繪制的血管模型的三維繪制窗口進(jìn)行標(biāo)志物經(jīng)過路徑的顯示和血管的內(nèi)窺觀察。

2.1 介入手術(shù)路徑數(shù)據(jù)采集插件

在對介入手術(shù)進(jìn)行三維導(dǎo)航仿真過程中，需要先對介入手術(shù)中導(dǎo)管移動的坐標(biāo)信息進(jìn)行采集。本文的手術(shù)是通過在虛擬內(nèi)窺鏡的基礎(chǔ)上加入介入導(dǎo)管的虛擬標(biāo)志物進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)的。

本文創(chuàng)建了介入手術(shù)路徑數(shù)據(jù)采集（Intervention）插件用于路徑信息的采集。該插件通過用戶交互界面對三維繪制窗口中的血管模型內(nèi)部進(jìn)行實(shí)施移動操作，并將每一次的移動坐標(biāo)信息進(jìn)行保存，以構(gòu)成一次完整的介入手術(shù)的路徑信息。

介入手術(shù)路徑數(shù)據(jù)采集插件的具體實(shí)現(xiàn)方法是通過在三維繪制窗口中創(chuàng)建一個(gè)虛擬的標(biāo)志物（比如一個(gè)白色的圓錐）來表示代替現(xiàn)實(shí)世界中的介入導(dǎo)管。通過軟件的交互界面對該虛擬標(biāo)志物的進(jìn)行移動操作，然后輸出虛擬標(biāo)志物的移動位置給外部的介入導(dǎo)管，以此來指導(dǎo)介入導(dǎo)管在人體血管的移動并輸出位置信息。

2.2 介入手術(shù)三維導(dǎo)航仿真插件

介入手術(shù)三維導(dǎo)航仿真插件在MITK提供的導(dǎo)航數(shù)據(jù)播放（Navigation Data Player）插件的基礎(chǔ)上改進(jìn)完成，導(dǎo)航數(shù)據(jù)播放插件能夠?qū)⒖蓴U(kuò)展標(biāo)記語言（.xml）文件進(jìn)行讀取，并將文件中所記錄的介入導(dǎo)管坐標(biāo)信息和相應(yīng)的時(shí)間信息提取出來，對介入手術(shù)進(jìn)行回顧重放。

為了實(shí)現(xiàn)在血管內(nèi)部進(jìn)行介入手術(shù)過程的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真，對該插件進(jìn)行功能擴(kuò)展：

（1）將三維繪制窗口的視角對虛擬介入導(dǎo)管進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，并通過滑動條進(jìn)行對照相機(jī)和虛擬標(biāo)志物位置關(guān)系的調(diào)節(jié)。該功能通過點(diǎn)擊“CameraTrace”按鈕進(jìn)行激活，點(diǎn)擊“GeneralMode”則取消。

（2）通過在程序?qū)ξ募?nèi)記錄的介入導(dǎo)管坐標(biāo)信息進(jìn)行提取的時(shí)，將該信息的數(shù)值賦值給一個(gè)三維數(shù)組；并通過滑動條進(jìn)行照相機(jī)位置的微調(diào)，來實(shí)現(xiàn)照相機(jī)的實(shí)時(shí)跟蹤。通過滑動條和浮點(diǎn)數(shù)值“factor”進(jìn)行系數(shù)的調(diào)節(jié)，即照相機(jī)在三維繪制窗口的實(shí)時(shí)位置為：；；。

其中，Cx、Cy、Cz為照相機(jī)的當(dāng)前位置，Rx、Ry、Rz為滑動條的當(dāng)前值，F(xiàn)為浮點(diǎn)數(shù)值“Factor”系數(shù)，Vx、Vy、Vz為虛擬標(biāo)志物的當(dāng)前位置。滑動條的數(shù)值區(qū)間為—100至100，當(dāng)“Factor”系數(shù)為1.00時(shí)，三維窗口中照相機(jī)移動的區(qū)間對應(yīng)為—20mm至20mm。

3 心臟支架手術(shù)三維導(dǎo)航仿真實(shí)例（Instantiate of heart stents 3D navigation simulation）

心臟支架手術(shù)是針對心臟冠狀動脈堵塞引發(fā)的心肌缺血、心肌梗塞而進(jìn)行對冠狀動脈進(jìn)行擴(kuò)張的治療手術(shù)。該手術(shù)通過在人體大腿內(nèi)側(cè)切開口，將支架導(dǎo)管送入動脈中，沿著下肢動脈向上移動至主動脈弓，然后進(jìn)如冠狀動脈的狹窄點(diǎn)或堵塞點(diǎn)，然后進(jìn)行支架撐開，打通血管，讓血液流通。

根據(jù)該手術(shù)的過程進(jìn)行心臟支架手術(shù)三維導(dǎo)航的仿真，該仿真針對支架在胸部位置的移動進(jìn)行演示，首先對路徑的坐標(biāo)信息進(jìn)行提取，然后根據(jù)提取到的坐標(biāo)信息進(jìn)行仿真動畫演示。

3.1 支架介入路徑數(shù)據(jù)采集

該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集針對已有的心血管三維模型進(jìn)行路徑信息提取。采用介入手術(shù)路徑數(shù)據(jù)采集插件進(jìn)行坐標(biāo)信息提取，該路徑從胸部的連接下肢動脈開始向上，至主動脈弓開始轉(zhuǎn)向下進(jìn)入主動脈弓與右心房連接處，在連接處找到左冠狀動脈，從入口進(jìn)入，最終抵達(dá)目標(biāo)地——冠狀動脈內(nèi)部。

首先對胸部的連接下肢動脈中心的最下端的坐標(biāo)輸入介入手術(shù)路徑數(shù)據(jù)采集插件，初始化完成以后，按照支架介入的路徑進(jìn)行移動，如圖1所示，虛擬標(biāo)志物正要進(jìn)入冠狀動脈。

數(shù)據(jù)采集完成后會生成XML文件。文件中記錄了時(shí)間、虛擬標(biāo)志物序號以及時(shí)間相對的三維坐標(biāo)。時(shí)間間隔為0.1秒，這個(gè)時(shí)間間隔雖然只能讓動畫幀數(shù)達(dá)到10幀，但坐標(biāo)間距小，基本上可以達(dá)到動畫效果。

3.2 心臟支架手術(shù)三維導(dǎo)航仿真演示

本仿真實(shí)現(xiàn)的心臟支架手術(shù)三維導(dǎo)航仿真分別從宏觀和微觀兩種方式進(jìn)行演示。

血管內(nèi)外部的仿真演示：通過對已有的心肺血管三維體繪制模型和虛擬標(biāo)志物進(jìn)行在三維繪制窗口的聯(lián)合顯示，讀取心臟支架手術(shù)的路徑信息，達(dá)到對支架手術(shù)的導(dǎo)管在人體血管中移動情況的宏觀演示以及在血管內(nèi)部的微觀情況。如圖2所示。

通過仿真表明，血管外部視角的心臟支架手術(shù)仿真能夠?qū)μ摂M標(biāo)志物與介入路徑上的血管的位置關(guān)系進(jìn)行良好的顯示，而血管內(nèi)部視角下的心臟支架手術(shù)仿真則能夠?qū)ρ軆?nèi)部狀況進(jìn)行良好的顯示。

通過將兩種仿真方式同時(shí)進(jìn)行演示，不僅能夠?qū)⑻摂M標(biāo)志物與人體組織的位置關(guān)系進(jìn)行良好的顯示，而且能夠使觀察者在清楚虛擬標(biāo)志物在血管內(nèi)部移動時(shí)的支架手術(shù)移動的位置所對應(yīng)的血管情況。

4 結(jié)論（Conclusion）

該軟件通過兩種方式的同步仿真，能夠在血管外部，從宏觀角度觀察到虛擬標(biāo)志物在人體內(nèi)的位置，而且能夠從血管內(nèi)部的微觀角度對虛擬標(biāo)志物在人體血管內(nèi)部的狀況進(jìn)行同步觀察。最終仿真結(jié)果表明了該仿真軟件平臺基本上實(shí)現(xiàn)了對介入手術(shù)的三維導(dǎo)航的仿真功能，達(dá)到預(yù)期效果。

參考文獻(xiàn)（References）

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[4] 申皓，唐澤圣，唐龍.分支結(jié)構(gòu)中的虛擬內(nèi)窺技術(shù)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2004，11：2456-2458；2466.

作者簡介：

馬 策（1989-），男，碩士生.研究領(lǐng)域：虛擬現(xiàn)實(shí)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用.

湯 汶（1965-），女，博士，教授.研究領(lǐng)域：虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí).

萬韜阮（1960-），男，博士，教授.研究領(lǐng)域：虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí).

朱耀麟（1977-），男，博士，副教授.研究領(lǐng)域：信息與通信工程.

武 桐（1982-），女，碩士，講師.研究領(lǐng)域：嵌入式系統(tǒng).