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据世界卫生组织的发表《全球疾病负担》[1]评估报告显示心血管疾病已成为全球头号健康杀手,而这其中患者的主要死亡于心脏病和中风。随着近年来心血管疾病治疗技术的进步,外科手术尤其介入式治疗已经成为非常有效的治疗手段。美国强生公司在原有CARTO介入式产品[2]基础上开发了NOGA*XP心脏介入诊疗系统,该产品利用心脏内壁物理和神经电信号的映射获取心脏运动信息同时可将干细胞注射入心肌组织促进组织再生并改善组织微环境,具有诊断和治疗心脏病功能。
目前已有许多文献提到该产品的一些技术,包括定位的电磁感应器,心脏内壁运动中生物信号的处理和电信号的传播,几何建模,立体医学图像显示与可视化,心血管疾病的诊断和介入式治疗。电磁信号的映射[3]和介入式治疗本身在医学界和工程学界都有过广泛的争论和部分共识。
由于心脏部位本身的脆弱,以及介入式手术对操作医生技术的要求,使得使用和熟悉该系统变得比较复杂而困难,特别是对刚开始使用的新医生。本文的工作主要在该产品实际操作的基础上用计算机的手段对产品本身整个工作过程做模拟,并寻求一种方法可以快速有效地训练新医生尽快熟悉产品本身和操作。据此目的开发了一套模拟NOGA* XP系统操作的虚拟手术系统,名为HeartSimualtor。本文主要探讨了在虚拟手术系统开发中主要涉及的组织模拟、弹性形变、器材模拟等方面普遍存在的一些问题并加以解决,同时针对心脏介入式诊疗系统特有的问题如实时心跳的捕获和模拟也加以深入探讨和研究。在开发过程中,我们还发现了NOGA* XP产品本身的某些不足并在仿真的层面进行了改进。
该工作包括以下几个部分:心脏与导管的建模,几何表面建模,心脏与导管机械性质的建模,体素化,碰撞检测与互作建模,心脏运动与形变建模和基于graphics processing units(GPU)通用计算的性能优化与加速,心脏内壁探测重建,交互设备的空间坐标转换,可视化模块和图形界面等实现。
论文的主要研究问题与成果概括如下:
1.基于四面体的网格构建心脏模型,导管主动弯曲形变模型研究。导管模型采用有限元的方法分割为多个圆柱处理,基于设备原理,将导管模型的曲率用二维参数化的方法表述,并进行主动形变能量计算和形变计算。
2.导管和心脏壁的互作后被动弯曲形变模型研究。分别给出产生滑动与不产生滑动两种情况的形变计算模型,给出仿真结果。
3.体素化与碰撞检测研究。我们首先进行四面体测试,并用表面识别和投影的方法计算最近距离,从而获取整个体积和边界。分别基于空间剖分法、法向量判断法和包围球判断法进行碰撞检测并比较检测效率和结果。
4.使用质点-弹簧模型,基于线性局部收缩的质点运动轨迹和周期函数进行心脏运动建模,同时为应付大规模实时计算要求采用GPU通用计算的方法进行加速。
5.根据导管顶端位置探测和数据采集,使用球坐标和椭圆球体模型实时模拟设备重建心脏内表面的运动位置,该新方法与设备原有表面重建算法完全不同,无需借助大量的模型库等,在Heart Simulator仿真软件中运行效果良好,重建还原的表面已十分接近真实表面。同时基于该内表面重建算法和采样时序,提出了另一种左心室运动仿真算法。