血管數(shù)字模型的腫瘤病變編輯方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種血管數(shù)字模型的腫瘤病變編輯方法及裝置，其中方法包括：確定在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤位置；以在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤位置為球心，以腫瘤與血管數(shù)字模型相交處的洞的半徑為半徑，生成一虛擬球體；用所述虛擬球體與血管數(shù)字模型進行碰撞檢測，獲得所有與所述虛擬球體相交的三角形面片；用所述虛擬球體對所有與所述虛擬球體相交的三角形面片進行切割，獲得一腫瘤孔洞；根據(jù)腫瘤的半徑和所述腫瘤孔洞上的頂點信息，進行經(jīng)度和緯度上的采樣，生成由三角形面片組成的腫瘤網(wǎng)格。采用本發(fā)明可以對現(xiàn)有的血管數(shù)字模型在任何位置添加腫瘤病變，極大的豐富虛擬手術(shù)領(lǐng)域可采用的病例模型，并且操作步驟簡單，容易上手。
【專利說明】
血管數(shù)字模型的腫瘤病變編輯方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及虛擬手術(shù)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及血管數(shù)字模型的腫瘤病變編輯方法及裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002] 虛擬手術(shù)是利用醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)在計算機中建立虛擬環(huán)境，使 醫(yī)生能夠借助虛擬環(huán)境中的信息進行手術(shù)計劃、訓(xùn)練，以及在實際手術(shù)中引導(dǎo)手術(shù)。傳統(tǒng)的 手術(shù)過程存在風(fēng)險高，病人痛苦大，術(shù)后效果不理想等缺點，手術(shù)效果受醫(yī)生個人業(yè)務(wù)水平 影響很大。采用增強現(xiàn)實技術(shù)可以使醫(yī)務(wù)工作者沉浸于虛擬的場景內(nèi)，可以通過視、聽、觸 覺感知并學(xué)習(xí)各種手術(shù)實際操作，體驗并學(xué)習(xí)如何應(yīng)付臨床手術(shù)中的實際情況。這樣節(jié)約 了培訓(xùn)醫(yī)務(wù)人員的費用和時間，使非熟練人員進行手術(shù)的風(fēng)險性大大降低，對提高醫(yī)學(xué)教 育與訓(xùn)練的效率和質(zhì)量以及改善醫(yī)學(xué)手術(shù)水平的發(fā)展不平衡的現(xiàn)狀有著特殊的意義。
[0003] 利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬實際手術(shù)過程，幫助醫(yī)務(wù)工作者進行手術(shù)技能培訓(xùn)的過程 中，模擬所采用的病例模型的豐富程度非常重要。第一，從訓(xùn)練者的角度，在豐富的病例模 型上進行訓(xùn)練，可以幫助受訓(xùn)者適應(yīng)在不同病理特征下的手術(shù)操作流程和技巧，為其日后 在實際手術(shù)過程中遇到類似病例時做好充足的準備工作。第二，從醫(yī)生的角度，擁有對血管 病變位置的自主控制權(quán)，可以預(yù)防性地對將來可能出現(xiàn)的罕見病例進行事前模擬，同時可 以豐富對新手醫(yī)生的訓(xùn)練資源。第三，從手術(shù)器械廠商角度，可以對任何血管病變位置進行 新的手術(shù)器械研發(fā)，及試驗，避免了在單一仿體模型試驗的不足。
[0004]在虛擬介入手術(shù)領(lǐng)域，病例模型指病變血管的數(shù)字模型。通常，這種病變血管模型 由實際病例的CT/MRI/DSA掃描圖像通過三維重建和后期處理得來。這種傳統(tǒng)的病變血管模 型獲取方法存在病例數(shù)量有限，后期處理復(fù)雜、精度不高、周期漫長等諸多因素的限制，使 得訓(xùn)練者難以很快地接觸到豐富病變血管種類。
[0005] 目前的虛擬手術(shù)過程中所采用的數(shù)字血管模型來源主要有以下兩種：
[0006] -、三維重建
[0007] 該方法基于實際病例的CT/MRI/DSA等掃描圖像，進而采用三維重建技術(shù)獲得三維 血管數(shù)字模型。然而通過該方法獲得的血管模型往往是粗糙的，要經(jīng)過人工干預(yù)的后期處 理才能用在虛擬手術(shù)過程中。該方法獲取病例模型的前提是擁有該病例的圖像，并且需要 掌握對三維重建獲得的粗糙模型的后期處理方法。
[0008] 二、三維編輯軟件
[0009] 該方法建立在已經(jīng)獲取了經(jīng)過三維重建和后期處理后的三維血管數(shù)字模型的基 礎(chǔ)之上，通過3DMax或者Maya等三維編輯軟件，對三維血管數(shù)字模型進行編輯，進而獲取不 同類型的病變模型。該方法可以在健康血管數(shù)字模型上編輯獲得病理特征種類豐富的病例 模型。
[0010]基于掃描影像、三維重建進行病例模型獲取的方法，必須首先獲取該實際病例的 掃描圖像。而對于某些病理結(jié)構(gòu)比較罕見的特殊病例，其病人數(shù)據(jù)往往是難以獲取的。尤其 在考慮到病人隱私的前提下，某些病人的病例數(shù)據(jù)通常是受保護且不予公開的。因此，這種 豐富病變血管模型庫的方法從數(shù)據(jù)來源方面就受到了極大的限制。此外，三維重建獲得的 血管數(shù)字模型往往需要投入大量的人力去進行手工的處理和調(diào)校才能達到虛擬手術(shù)的使 用標準，這項工作的人力物力成本同樣也很高昂，且周期較長。
[0011] 通過三維軟件編輯健康血管模型來得到病變血管模型的方法，要求操作人員熟練 使用3DMax或Maya等三維編輯軟件，這類型的軟件需要使用者對血管三維模型的格式有一 定了解，且操作方法復(fù)雜，上手較慢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明實施例提供一種血管數(shù)字模型的腫瘤病變編輯方法，用以豐富虛擬手術(shù)領(lǐng) 域可采用的病例模型并且使操作簡單、容易上手，該方法包括：
[0013] 確定在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤位置；
[0014] 以在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤位置為球心，以腫瘤與血管數(shù)字模型相交處的洞 的半徑為半徑，生成一虛擬球體；
[0015] 用所述虛擬球體與血管數(shù)字模型進行碰撞檢測，獲得所有與所述虛擬球體相交的 三角形面片；
[0016] 用所述虛擬球體對所有與所述虛擬球體相交的三角形面片進行切割，獲得一腫瘤 孔洞；
[0017] 根據(jù)腫瘤的半徑和所述腫瘤孔洞上的頂點信息，進行經(jīng)度和煒度上的采樣，生成 由三角形面片組成的腫瘤網(wǎng)格。
[0018] -個實施例中，所述確定在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤病變位置，包括：
[0019] 獲取用戶在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤病變位置的屏幕坐標；
[0020] 將所述屏幕坐標經(jīng)由屏幕坐標系，裁剪坐標系，相機坐標系到模型坐標系的矩陣 變換，獲得在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤病變位置。
[0021] -個實施例中，所述以在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤位置為球心，以腫瘤與血管 數(shù)字模型相交處的洞的半徑為半徑，生成一虛擬球體，包括：
[0022] 按如下公式確定腫瘤與血管數(shù)字模型相交處的洞的半徑：
[0024] 其中，r為腫瘤與血管數(shù)字模型相交處的洞的半徑;R為腫瘤的半徑;μ為腫瘤與血 管數(shù)字模型的相交程度。
[0025] -個實施例中，用所述虛擬球體對所有三角形面片進行切割，獲得一腫瘤孔洞，包 括：
[0026]根據(jù)三角形面片的頂點在所述虛擬球體內(nèi)外的個數(shù)，確定三角形面片與所述虛擬 球體的碰撞情況；
[0027]根據(jù)三角形面片與所述虛擬球體的碰撞情況，用所述虛擬球體對所有三角形面片 進行切割；
[0028]在切割獲得的三角形面片中，刪除在所述虛擬球體內(nèi)部的三角形面片，保留在所 述虛擬球體外部的三角形面片，獲得所述腫瘤孔洞。
[0029] -個實施例中，用所述虛擬球體對所有與所述虛擬球體相交的三角形面片進行切 害J，獲得一腫瘤孔洞之后，還包括：
[0030] 將所述腫瘤孔洞上的頂點按照順時針或逆時針的順序進行排序；
[0031] 所述根據(jù)腫瘤的半徑和所述腫瘤孔洞上的頂點信息，進行經(jīng)度和煒度上的采樣， 生成由三角形面片組成的腫瘤網(wǎng)格，包括：
[0032] 將排序后的所述腫瘤孔洞上的頂點首尾相連，組成腫瘤與血管數(shù)字模型相交處的 洞的邊界。
[0033] -個實施例中，將所述腫瘤孔洞上的頂點按照順時針或逆時針的順序進行排序， 包括：
[0034]選取所述腫瘤孔洞邊界處任意一頂點為起始點So,找到以So為端點的一條邊Eo;
[0035] 找到邊Ei上除了 Si之外的另一個頂點并作為起始點S1+1，尋找包含S1+1但不包含上 一個起始點Si的邊Ei+i;i = 0,1，2···;重復(fù)進行此步驟，直至Si+i與So為同一個頂點為止。
[0036] -個實施例中，所述根據(jù)腫瘤的半徑和所述腫瘤孔洞上的頂點信息，進行經(jīng)度和 煒度上的采樣，生成由三角形面片組成的腫瘤網(wǎng)格，包括：
[0037] 對所有與所述虛擬球體相交的三角形面片的法向量求平均，獲得腫瘤的生長方向 Dt;
[0038] 按如下公式計算腫瘤的中心及最高點的位置：
[0039] Pc = PA+R(l-2y)Dt；
[0040] Pt = Pc+RDt；
[0041 ]其中，R為腫瘤的半徑;μ為腫瘤與血管數(shù)字模型的相交程度;Pc為腫瘤的中心的位 置;Pt為腫瘤的最高點的位置;Pa為在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤位置；
[0042]將所述腫瘤孔洞上的每個頂點作為經(jīng)度采樣點，對以Pc為圓心，從Pt到每個經(jīng)度采 樣點之間形成的圓弧上進行采樣，將采樣得到的點作為煒度采樣點，將相鄰兩條圓弧上的 煒度采樣點進行組合，形成三角形面片，組成腫瘤網(wǎng)格。
[0043]本發(fā)明實施例還提供一種血管數(shù)字模型的腫瘤病變編輯裝置，用以豐富虛擬手術(shù) 領(lǐng)域可采用的病例模型并且使操作簡單、容易上手，該裝置包括：
[0044] 位置確定模塊，用于確定在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤位置；
[0045] 球體生成模塊，用于以在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤位置為球心，以腫瘤與血管 數(shù)字模型相交處的洞的半徑為半徑，生成一虛擬球體；
[0046] 碰撞檢測模塊，用于用所述虛擬球體與血管數(shù)字模型進行碰撞檢測，獲得所有與 所述虛擬球體相交的三角形面片；
[0047] 孔洞獲得模塊，用于用所述虛擬球體對所有與所述虛擬球體相交的三角形面片進 行切割，獲得一腫瘤孔洞；
[0048] 網(wǎng)格生成模塊，用于根據(jù)腫瘤的半徑和所述腫瘤孔洞上的頂點信息，進行經(jīng)度和 煒度上的采樣，生成由三角形面片組成的腫瘤網(wǎng)格。
[0049] -個實施例中，所述位置確定模塊具體用于：
[0050] 獲取用戶在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤病變位置的屏幕坐標；
[0051 ]將所述屏幕坐標經(jīng)由屏幕坐標系，裁剪坐標系，相機坐標系到模型坐標系的矩陣 變換，獲得在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤病變位置。
[0052] -個實施例中，所述球體生成模塊具體用于：
[0053]按如下公式確定腫瘤與血管數(shù)字模型相交處的洞的半徑：
[0055] 其中，r為腫瘤與血管數(shù)字模型相交處的洞的半徑;R為腫瘤的半徑;μ為腫瘤與血 管數(shù)字模型的相交程度。
[0056] -個實施例中，所述孔洞獲得模塊具體用于：
[0057]根據(jù)三角形面片的頂點在所述虛擬球體內(nèi)外的個數(shù)，確定三角形面片與所述虛擬 球體的碰撞情況；
[0058]根據(jù)三角形面片與所述虛擬球體的碰撞情況，用所述虛擬球體對所有三角形面片 進行切割；
[0059]在切割獲得的三角形面片中，刪除在所述虛擬球體內(nèi)部的三角形面片，保留在所 述虛擬球體外部的三角形面片，獲得所述腫瘤孔洞。
[0060] 一個實施例中，所述孔洞獲得模塊還用于：
[0061 ]將所述腫瘤孔洞上的頂點按照順時針或逆時針的順序進行排序；
[0062] 所述網(wǎng)格生成模塊具體用于：
[0063] 將排序后的所述腫瘤孔洞上的頂點首尾相連，組成腫瘤與血管數(shù)字模型相交處的 洞的邊界。
[0064] -個實施例中，所述孔洞獲得模塊具體用于：
[0065]選取所述腫瘤孔洞邊界處任意一頂點為起始點So,找到以So為端點的一條邊Εο;
[0066] 找到邊Ei上除了 Si之外的另一個頂點并作為起始點Si+1，尋找包含Si+1但不包含上 一個起始點Si的邊Ei+i;i = 0,1，2···;重復(fù)進行此步驟，直至Si+i與So為同一個頂點為止。
[0067] -個實施例中，所述網(wǎng)格生成模塊具體用于：
[0068] 對所有與所述虛擬球體相交的三角形面片的法向量求平均，獲得腫瘤的生長方向 Dt;
[0069] 按如下公式計算腫瘤的中心及最高點的位置：
[0070] Pc=PA+R(l-2y)Dt；
[0071] Pt = Pc+RDt；
[0072] 其中，R為腫瘤的半徑;μ為腫瘤與血管數(shù)字模型的相交程度;Pc為腫瘤的中心的位 置;Pt為腫瘤的最高點的位置;Pa為在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤位置；
[0073]將所述腫瘤孔洞上的每個頂點作為經(jīng)度采樣點，對以Pc為圓心，從Pt到每個經(jīng)度采 樣點之間形成的圓弧上進行采樣，將采樣得到的點作為煒度采樣點，將相鄰兩條圓弧上的 煒度采樣點進行組合，形成三角形面片，組成腫瘤網(wǎng)格。
[0074] 本發(fā)明實施例不需要獲取實際病例的掃描圖像，就可以對現(xiàn)有的血管數(shù)字模型在 任何位置添加腫瘤病變，并且操作步驟簡單，容易上手，通過本發(fā)明實施例對血管數(shù)字模型 進行腫瘤病變編輯，可以極大的豐富虛擬手術(shù)領(lǐng)域可采用的病例模型。
【附圖說明】
[0075] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。在附圖中：
[0076] 圖1為本發(fā)明實施例中血管數(shù)字模型的腫瘤病變編輯方法的流程圖；
[0077] 圖2為本發(fā)明實施例中腫瘤與血管相交的具體實例圖；
[0078] 圖3為本發(fā)明實施例中三角形面片與虛擬球體碰撞的不同情況示例圖；
[0079] 圖4為本發(fā)明實施例中腫瘤孔洞的示例圖；
[0080] 圖5為本發(fā)明實施例中腫瘤網(wǎng)格生成的示意圖；
[0081] 圖6為本發(fā)明實施例中血管數(shù)字模型的腫瘤病變編輯裝置的示意圖；
[0082] 圖7為本發(fā)明實施例中實驗的腫瘤生成前后模型對比圖；
[0083] 圖8為本發(fā)明實施例中實驗的不同采樣參數(shù)生成的腫瘤對比圖。
【具體實施方式】
[0084] 為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合附圖對本發(fā) 明實施例做進一步詳細說明。在此，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，但并 不作為對本發(fā)明的限定。
[0085]為了豐富虛擬手術(shù)領(lǐng)域可采用的病例模型并且使操作簡單、容易上手，本發(fā)明實 施例提供一種血管數(shù)字模型的腫瘤病變編輯方法，如圖1所示，該方法可以包括：
[0086] 步驟101、確定在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤位置；
[0087] 步驟102、以在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤位置為球心，以腫瘤與血管數(shù)字模型相 交處的洞的半徑為半徑，生成一虛擬球體；
[0088] 步驟103、用虛擬球體與血管數(shù)字模型進行碰撞檢測，獲得所有與虛擬球體相交的 三角形面片；
[0089] 步驟104、用虛擬球體對所有與虛擬球體相交的三角形面片進行切割，獲得一腫瘤 孔洞；
[0090] 步驟105、根據(jù)腫瘤的半徑和腫瘤孔洞上的頂點信息，進行經(jīng)度和煒度上的采樣， 生成由三角形面片組成的腫瘤網(wǎng)格。
[0091] 由圖1所示流程可以得知，本發(fā)明實施例提供了在虛擬手術(shù)領(lǐng)域中，針對血管數(shù)字 模型的一種腫瘤病變的編輯方法，該方法可以對現(xiàn)有的血管數(shù)字模型在任何位置添加腫瘤 病變，并且該方法的操作步驟簡單，容易上手，通過該方法對血管數(shù)字模型進行編輯，可以 極大的豐富虛擬手術(shù)領(lǐng)域可采用的病例模型庫。本發(fā)明實施例的血管數(shù)字模型的腫瘤病變 編輯方法可以適用于心腦血管介入等手術(shù)的模擬。
[0092] 該方法主要分為三個階段:腫瘤位置選取、腫瘤孔洞切割和腫瘤網(wǎng)格生成。首先， 在腫瘤位置選取階段，可以通過鼠標點選的方式，在健康的血管上選取即將長出腫瘤的位 置。接下來，在腫瘤孔洞切割階段，以鼠標選取的點為球心，以腫瘤與血管相交處的洞的半 徑為半徑，生成一個虛擬球體，用該虛擬球體與血管數(shù)字模型進行碰撞檢測，獲得所有與該 虛擬球體相交的三角形面片的信息。然后，用該虛擬球體對上面所獲得的三角形面片進行 切割，獲得邊界較為平滑的腫瘤孔洞。最后，在腫瘤網(wǎng)格生成階段，根據(jù)腫瘤的半徑和孔洞 上的頂點信息，進行經(jīng)度和煒度上的采樣，生成由三角形面片組成的腫瘤網(wǎng)格。
[0093] 具體實施時，需要先確定在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤病變位置，例如可以包括： 獲取用戶在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤病變位置的屏幕坐標;將該屏幕坐標經(jīng)由屏幕坐標 系，裁剪坐標系，相機坐標系到模型坐標系的矩陣變換，獲得在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤 病變位置。其中，屏幕坐標系是指用戶所操作的終端設(shè)備屏幕上的坐標系，例如800X600分 辨率的顯示器，選取屏幕正中間的位置，獲得的屏幕坐標系為(400,300)。裁剪坐標系、相機 坐標系以及模型坐標系都是計算機圖形學(xué)中的概念。三維模型通過GPU(Graphic S Processing Unit，圖形處理器)植染到屏幕上需要經(jīng)過一系列坐標變換，從模型坐標系一 步一步變換到屏幕坐標系的過程，模型在CAD軟件中編輯時所在的坐標系為"模型坐標系"， 即最初將模型文件讀取進來的時候得到的頂點位置都是在"模型坐標系"中。要將虛擬的物 體渲染到屏幕上，需要一個"虛擬的相機"進行取景，以這個"虛擬相機"為原點建立的坐標 系是"相機坐標系"。"裁剪坐標系"是另外一個中間坐標系，GPU硬件在該坐標系中將屏幕上 不顯示的內(nèi)容剔除掉。
[0094] 用戶可以通過鼠標點選的方式，在健康的血管上選取即將長出腫瘤的位置。但鼠 標點選的方式僅為選取腫瘤病變位置的一實例，實際執(zhí)行時可以選擇其它的方式來選取腫 瘤病變位置，例如可以通過觸屏、鍵盤按鍵等方式進行選取。出于操作簡潔性的考慮，在一 實施例中，可以采用鼠標左鍵單擊選取的方式來生成腫瘤位置，當鼠標左鍵單擊時，獲得鼠 標單擊位置的屏幕坐標，通過經(jīng)由屏幕坐標系，裁剪坐標系，相機坐標系到模型坐標系的矩 陣變換，可以得到所選取的位置對應(yīng)于血管模型上的位置Pa，該位置即為腫瘤的生成位置。
[0095] 接下來是腫瘤孔洞切割，旨在生成邊界相對圓滑的孔洞，以便后續(xù)在此孔洞上生 成腫瘤模型。實施時先以在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤位置為球心，以腫瘤與血管數(shù)字模 型相交處的洞的半徑為半徑，生成一虛擬球體。
[0096] 實施例中先需要確定腫瘤的半徑R及其與血管的相交程度μ，由這兩個因素計算得 到血管瘤與血管接合處的半徑r，再以點Pa為球心，以r為半徑，生成虛擬球體。實施時可以 控制腫瘤的內(nèi)徑以及與血管的接合程度。
[0097] 具體的，可以按如下公式確定腫瘤與血管數(shù)字模型相交處的洞的半徑：
[0099] 其中，r為腫瘤與血管數(shù)字模型相交處的洞的半徑;R為腫瘤的半徑;μ為腫瘤與血 管數(shù)字模型的相交程度。
[0100] 圖2為本發(fā)明實施例中腫瘤與血管相交的具體實例圖。如圖2所示，在腫瘤與血管 數(shù)字模型相交處的洞的半徑r相同的情況下，相交程度μ越小，腫瘤突出血管的比例就越大， 表明病變程度越嚴重;反之，腫瘤突出血管的比例就越小，病變程度越輕微。
[0101]在生成虛擬球體后，用該虛擬球體與血管數(shù)字模型進行碰撞檢測，獲得所有與該 虛擬球體相交的三角形面片。具體的，可以將虛擬球體與血管進行碰撞檢測，獲得所有與該 球體相交的三角形面片信息，這些三角形面片的集合成為S。
[0102]接下來，需要對S中的三角形面片進行進一步的切割處理，以獲取邊緣平滑的腫瘤 孔洞。具體的，可以用虛擬球體對所有與該虛擬球體相交的三角形面片進行切割，獲得腫瘤 孔洞。實施例中，用虛擬球體對所有三角形面片進行切割，獲得一腫瘤孔洞，可以包括:根據(jù) 三角形面片的頂點在虛擬球體內(nèi)外的個數(shù)，確定三角形面片與虛擬球體的碰撞情況;根據(jù) 三角形面片與虛擬球體的碰撞情況，用虛擬球體對所有三角形面片進行切割;在切割獲得 的三角形面片中，刪除在虛擬球體內(nèi)部的三角形面片，保留在虛擬球體外部的三角形面片， 獲得腫瘤孔洞。
[0103] S中的每個三角形面片都與虛擬球體有不同的碰撞情況，按照三角形面片頂點在 虛擬球體內(nèi)外的個數(shù)，可以將S中的三角形面片進行碰撞情況分類。圖3為本發(fā)明實施例中 三角形面片與虛擬球體碰撞的不同情況示例圖。如圖3所示，本例中包括(a)、（b)、（c)、（d)、 (e)和(f)共六種不同的碰撞情況。表1給出了本例中三角形面片與球體碰撞情況分析：
[0104] 表1
[0106] 對于每種不同的碰撞情況，三角形面片切割的結(jié)果也各不相同。例如，對碰撞情況 (a)對應(yīng)的三角形面片進行切割時，有2個新頂點產(chǎn)生，對應(yīng)地，原三角形面片分裂成3個小 的三角形面片;對碰撞情況(b)對應(yīng)的三角形面片進行切割時，有4個新頂點產(chǎn)生，對應(yīng)地， 原三角形面片分裂成5個小的三角形面片。如果三個頂點全部都在虛擬球體內(nèi)，無需細分。
[0107] 對S中的每個三角形面片都進行上述處理之后，得到的新的三角形面片集合T。對T 中的每個三角形面片，如果在虛擬球體內(nèi)部，則該三角形面片位于腫瘤與血管接合的孔洞 內(nèi)，需要刪除;對應(yīng)地，如果三角形面片在虛擬球體外部，說明該三角形面片不屬于孔洞，需 要保留。處理過后，將會得到如圖4所示的切割之后的腫瘤孔洞。圖4中的孔洞為腫瘤與血管 接合處形成的孔洞，其邊界為上述分裂過后的三角形面片的邊組成。
[0108] 至此，在健康的血管模型上生成了一個邊界相對光滑的孔洞，在這個過程中獲取 了組成該孔洞邊界的頂點信息。
[0109] 由于上述處理過程中對S中的三角形面片處理順序的隨機性，得到的孔洞邊界上 的頂點順序也是隨機的。為了方便第三階段腫瘤網(wǎng)格生成，可以將這些頂點按照順時針(或 者逆時針)的順序進行排序。即在實施例中，在用虛擬球體對所有與虛擬球體相交的三角形 面片進行切割，獲得一腫瘤孔洞之后，還可以包括:將腫瘤孔洞上的頂點按照順時針或逆時 針的順序進行排序。后續(xù)在根據(jù)腫瘤的半徑和腫瘤孔洞上的頂點信息，進行經(jīng)度和煒度上 的采樣，生成由三角形面片組成的腫瘤網(wǎng)格時，可以將排序后的腫瘤孔洞上的頂點首尾相 連，組成腫瘤與血管數(shù)字模型相交處的洞的邊界。
[0110] 實施例中，將腫瘤孔洞上的頂點按照順時針或逆時針的順序進行排序，可以包括：
[0111] 選取腫瘤孔洞邊界處任意一頂點為起始點So,找到以So為端點的一條邊Eo(共有兩 條邊以So為端點，取任意一條即可）；
[0112] 找到邊Ei上除了 Si之外的另一個頂點并作為起始點S1+1，尋找包含S1+1但不包含上 一個起始點Si的邊Ei+i;i = 0,1，2···;重復(fù)進行此步驟，直至Si+ι與So為同一個頂點為止。
[0113] 經(jīng)過上述步驟，可獲得孔洞邊界上按順時針(或者逆時針)順序排列的一組頂點P。
[0114] 實施例中，根據(jù)腫瘤的半徑和腫瘤孔洞上的頂點信息，進行經(jīng)度和煒度上的采樣， 生成由三角形面片組成的腫瘤網(wǎng)格，可以包括：
[0115] 對所有與虛擬球體相交的三角形面片的法向量求平均（即對集合S中的所有面的 法向量求平均），獲得腫瘤的生長方向Dt;
[0116] 根據(jù)Dt、腫瘤的半徑R和腫瘤與血管數(shù)字模型的相交程度μ，按如下公式計算腫瘤 的中心及最尚點的位置：
[0117] Pc=PA+R(l-2y)Dt；
[0118] Pt = Pc+RDt；
[0119] 其中，R為腫瘤的半徑;μ為腫瘤與血管數(shù)字模型的相交程度;Pc為腫瘤的中心的位 置;Pt為腫瘤的最高點的位置;Pa為在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤位置；
[0120]將腫瘤孔洞上的每個頂點(集合P中的每個頂點）作為經(jīng)度采樣點，以Pc為圓心，從 Pt到每個經(jīng)度采樣點之間形成了一段圓弧，對以Pc為圓心，從Pt到每個經(jīng)度采樣點之間形成 的圓弧上進行采樣，將采樣得到的點作為煒度采樣點，將相鄰兩條圓弧上的煒度采樣點進 行組合，形成三角形面片，組成腫瘤網(wǎng)格。圖5為本發(fā)明實施例中腫瘤網(wǎng)格生成的示意圖，圖 5中示出了經(jīng)度采樣點和煒度采樣點。
[0121] 基于同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明實施例中還提供了一種血管數(shù)字模型的腫瘤病變編輯 裝置，如下面的實施例所述。由于該裝置解決問題的原理與血管數(shù)字模型的腫瘤病變編輯 方法相似，因此該裝置的實施可以參見血管數(shù)字模型的腫瘤病變編輯方法的實施，重復(fù)之 處不再贅述。
[0122] 圖6為本發(fā)明實施例中血管數(shù)字模型的腫瘤病變編輯裝置的示意圖。如圖6所示， 該裝置可以包括：
[0123] 位置確定模塊601，用于確定在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤位置；
[0124] 球體生成模塊602,用于以在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤位置為球心，以腫瘤與血 管數(shù)字模型相交處的洞的半徑為半徑，生成一虛擬球體；
[0125] 碰撞檢測模塊603,用于用虛擬球體與血管數(shù)字模型進行碰撞檢測，獲得所有與虛 擬球體相交的三角形面片；
[0126] 孔洞獲得模塊604,用于用虛擬球體對所有與虛擬球體相交的三角形面片進行切 害J，獲得一腫瘤孔洞；
[0127] 網(wǎng)格生成模塊605,用于根據(jù)腫瘤的半徑和腫瘤孔洞上的頂點信息，進行經(jīng)度和煒 度上的采樣，生成由三角形面片組成的腫瘤網(wǎng)格。
[0128] 具體實施時，位置確定模塊601具體可以用于：
[0129] 獲取用戶在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤病變位置的屏幕坐標；
[0130] 將屏幕坐標經(jīng)由屏幕坐標系，裁剪坐標系，相機坐標系到模型坐標系的矩陣變換， 獲得在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤病變位置。
[0131 ]具體實施時，球體生成模塊602具體可以用于：
[0132]按如下公式確定腫瘤與血管數(shù)字模型相交處的洞的半徑：
[0134] 其中，r為腫瘤與血管數(shù)字模型相交處的洞的半徑;R為腫瘤的半徑;μ為腫瘤與血 管數(shù)字模型的相交程度。
[0135] 具體實施時，孔洞獲得模塊604具體可以用于：
[0136] 根據(jù)三角形面片的頂點在虛擬球體內(nèi)外的個數(shù)，確定三角形面片與虛擬球體的碰 撞情況；
[0137] 根據(jù)三角形面片與虛擬球體的碰撞情況，用虛擬球體對所有三角形面片進行切 割；
[0138] 在切割獲得的三角形面片中，刪除在虛擬球體內(nèi)部的三角形面片，保留在虛擬球 體外部的三角形面片，獲得腫瘤孔洞。
[0139] 具體實施時，孔洞獲得模塊604還可以用于：
[0140] 將腫瘤孔洞上的頂點按照順時針或逆時針的順序進行排序；
[0141] 網(wǎng)格生成模塊605具體可以用于：
[0142] 將排序后的腫瘤孔洞上的頂點首尾相連，組成腫瘤與血管數(shù)字模型相交處的洞的 邊界。
[0143 ]具體實施時，孔洞獲得模塊604具體可以用于：
[0144] 選取腫瘤孔洞邊界處任意一頂點為起始點So,找到以So為端點的一條邊Eo;
[0145] 找到邊Ei上除了 Si之外的另一個頂點并作為起始點S1+1，尋找包含S1+1但不包含上 一個起始點Si的邊Ei+i;i = 0,1，2···;重復(fù)進行此步驟，直至Si+i與So為同一個頂點為止。
[0146] 具體實施時，網(wǎng)格生成模塊605具體可以用于：
[0147] 對所有與虛擬球體相交的三角形面片的法向量求平均，獲得腫瘤的生長方向Dt;
[0148] 按如下公式計算腫瘤的中心及最高點的位置：
[0149] Pc = PA+R(l-2y)Dt；
[0150] Pt = Pc+RDt；
[0151] 其中，R為腫瘤的半徑;μ為腫瘤與血管數(shù)字模型的相交程度;Pc為腫瘤的中心的位 置;Pt為腫瘤的最高點的位置;Pa為在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤位置；
[0152]將腫瘤孔洞上的每個頂點作為經(jīng)度采樣點，對以PC為圓心，從Pt到每個經(jīng)度采樣點 之間形成的圓弧上進行采樣，將采樣得到的點作為煒度采樣點，將相鄰兩條圓弧上的煒度 采樣點進行組合，形成三角形面片，組成腫瘤網(wǎng)格。
[0153]本發(fā)明實施例在心腦血管介入手術(shù)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)上進行了實驗。實驗條件如下： CPU:Xeon E5-2630v2 2.60GHz 6核心；內(nèi)存：32G;顯卡：Nvidia Quadro K4000(3G顯存）；顯 示器畫面分辨率= 1920X 1080。圖7為本發(fā)明實施例中實驗的腫瘤生成前后模型對比圖，如 圖7所示，本發(fā)明實施例可以在血管的任意位置生成病變程度不同的血管瘤，且病變血管瘤 與健康部分的過渡相對平滑，不突兀。圖8為本發(fā)明實施例中實驗的不同采樣參數(shù)生成的腫 瘤對比圖，如圖8所示，通過控制經(jīng)度和煒度采樣點的數(shù)量，可以生成不同精細度的腫瘤模 型。
[0154] 綜上所述，本發(fā)明實施例不需要獲取實際病例的掃描圖像，突破了臨床數(shù)據(jù)來源 限制，可以對現(xiàn)有的血管數(shù)字模型在任何位置添加腫瘤病變，獲得自定義地，個性化的病變 數(shù)據(jù);并且可以參數(shù)化病變位置及病變程度，操作步驟簡單，容易上手，學(xué)習(xí)成本低;通過本 發(fā)明實施例對血管數(shù)字模型進行腫瘤病變編輯，可以極大的豐富虛擬手術(shù)領(lǐng)域可采用的病 例模型。
[0155] 本發(fā)明實施例中的孔洞切割可用于管狀物體與其他物體的合并，以及具有環(huán)狀接 合部的模型在母模型上的動態(tài)生成及編輯。
[0156] 本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)明白，本發(fā)明的實施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計算機程序 產(chǎn)品。因此，本發(fā)明可采用完全硬件實施例、完全軟件實施例、或結(jié)合軟件和硬件方面的實 施例的形式。而且，本發(fā)明可采用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機 可用存儲介質(zhì)（包括但不限于磁盤存儲器、CD-ROM、光學(xué)存儲器等）上實施的計算機程序產(chǎn) 品的形式。
[0157] 本發(fā)明是參照根據(jù)本發(fā)明實施例的方法、設(shè)備（系統(tǒng)）、和計算機程序產(chǎn)品的流程 圖和/或方框圖來描述的。應(yīng)理解可由計算機程序指令實現(xiàn)流程圖和/或方框圖中的每一流 程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結(jié)合?？商峁┻@些計算機程序 指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器以產(chǎn) 生一個機器，使得通過計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器執(zhí)行的指令產(chǎn)生用于實 現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。
[0158] 這些計算機程序指令也可存儲在能引導(dǎo)計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備以特 定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產(chǎn)生包括指 令裝置的制造品，該指令裝置實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或 多個方框中指定的功能。
[0159] 這些計算機程序指令也可裝載到計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備上，使得在計 算機或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行一系列操作步驟以產(chǎn)生計算機實現(xiàn)的處理，從而在計算機或 其他可編程設(shè)備上執(zhí)行的指令提供用于實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一 個方框或多個方框中指定的功能的步驟。
[0160] 以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限定本發(fā)明的保 護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本 發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種血管數(shù)字模型的腫瘤病變編輯方法，其特征在于，包括： 確定在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤位置； 以在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤位置為球心，以腫瘤與血管數(shù)字模型相交處的洞的半 徑為半徑，生成一虛擬球體； 用所述虛擬球體與血管數(shù)字模型進行碰撞檢測，獲得所有與所述虛擬球體相交的三角 形面片； 用所述虛擬球體對所有與所述虛擬球體相交的三角形面片進行切割，獲得一腫瘤孔 洞； 根據(jù)腫瘤的半徑和所述腫瘤孔洞上的頂點信息，進行經(jīng)度和煒度上的采樣，生成由三 角形面片組成的腫瘤網(wǎng)格。2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述確定在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤病變 位置，包括： 獲取用戶在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤病變位置的屏幕坐標； 將所述屏幕坐標經(jīng)由屏幕坐標系，裁剪坐標系，相機坐標系到模型坐標系的矩陣變換， 獲得在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤病變位置。3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述以在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤位置為 球心，以腫瘤與血管數(shù)字模型相交處的洞的半徑為半徑，生成一虛擬球體，包括： 按如下公式確定腫瘤與血管數(shù)字模型相交處的洞的半徑：其中，r為腫瘤與血管數(shù)字模型相交處的洞的半徑;R為腫瘤的半徑;μ為腫瘤與血管數(shù) 字模型的相交程度。4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，用所述虛擬球體對所有三角形面片進行切 害J，獲得一腫瘤孔洞，包括： 根據(jù)三角形面片的頂點在所述虛擬球體內(nèi)外的個數(shù)，確定三角形面片與所述虛擬球體 的碰撞情況； 根據(jù)三角形面片與所述虛擬球體的碰撞情況，用所述虛擬球體對所有三角形面片進行 切割； 在切割獲得的三角形面片中，刪除在所述虛擬球體內(nèi)部的三角形面片，保留在所述虛 擬球體外部的三角形面片，獲得所述腫瘤孔洞。5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，用所述虛擬球體對所有與所述虛擬球體相交 的三角形面片進行切割，獲得一腫瘤孔洞之后，還包括： 將所述腫瘤孔洞上的頂點按照順時針或逆時針的順序進行排序； 所述根據(jù)腫瘤的半徑和所述腫瘤孔洞上的頂點信息，進行經(jīng)度和煒度上的采樣，生成 由三角形面片組成的腫瘤網(wǎng)格，包括： 將排序后的所述腫瘤孔洞上的頂點首尾相連，組成腫瘤與血管數(shù)字模型相交處的洞的 邊界。6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，將所述腫瘤孔洞上的頂點按照順時針或逆時 針的順序進行排序，包括： 選取所述腫瘤孔洞邊界處任意一頂點為起始點So,找到以So為端點的一條邊Eo; 找到邊Ei上除了 Si之外的另一個頂點并作為起始點S1+1，尋找包含S1+1但不包含上一個 起始點Si的邊Ei+i;i = 0,1，2···;重復(fù)進行此步驟，直至Si+i與So為同一個頂點為止。7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)腫瘤的半徑和所述腫瘤孔洞上的頂 點信息，進行經(jīng)度和煒度上的采樣，生成由三角形面片組成的腫瘤網(wǎng)格，包括： 對所有與所述虛擬球體相交的三角形面片的法向量求平均，獲得腫瘤的生長方向Dt; 按如下公式計算腫瘤的中心及最高點的位置： Pc=PA+R(l-2y)Dt； Pt = Pc+RDt； 其中，R為腫瘤的半徑;μ為腫瘤與血管數(shù)字模型的相交程度;Pc為腫瘤的中心的位置;Pt 為腫瘤的最高點的位置;Pa為在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤位置； 將所述腫瘤孔洞上的每個頂點作為經(jīng)度采樣點，對以Pc為圓心，從Pt到每個經(jīng)度采樣點 之間形成的圓弧上進行采樣，將采樣得到的點作為煒度采樣點，將相鄰兩條圓弧上的煒度 采樣點進行組合，形成三角形面片，組成腫瘤網(wǎng)格。8. -種血管數(shù)字模型的腫瘤病變編輯裝置，其特征在于，包括： 位置確定模塊，用于確定在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤位置； 球體生成模塊，用于以在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤位置為球心，以腫瘤與血管數(shù)字 模型相交處的洞的半徑為半徑，生成一虛擬球體； 碰撞檢測模塊，用于用所述虛擬球體與血管數(shù)字模型進行碰撞檢測，獲得所有與所述 虛擬球體相交的三角形面片； 孔洞獲得模塊，用于用所述虛擬球體對所有與所述虛擬球體相交的三角形面片進行切 害J，獲得一腫瘤孔洞； 網(wǎng)格生成模塊，用于根據(jù)腫瘤的半徑和所述腫瘤孔洞上的頂點信息，進行經(jīng)度和煒度 上的采樣，生成由三角形面片組成的腫瘤網(wǎng)格。9. 如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述位置確定模塊具體用于： 獲取用戶在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤病變位置的屏幕坐標； 將所述屏幕坐標經(jīng)由屏幕坐標系，裁剪坐標系，相機坐標系到模型坐標系的矩陣變換， 獲得在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤病變位置。10. 如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述球體生成模塊具體用于： 按如下公式確定腫瘤與血管數(shù)字模型相交處的洞的半徑：其中，r為腫瘤與血管數(shù)字模型相交處的洞的半徑;R為腫瘤的半徑;μ為腫瘤與血管數(shù) 字模型的相交程度。11. 如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述孔洞獲得模塊具體用于： 根據(jù)三角形面片的頂點在所述虛擬球體內(nèi)外的個數(shù)，確定三角形面片與所述虛擬球體 的碰撞情況； 根據(jù)三角形面片與所述虛擬球體的碰撞情況，用所述虛擬球體對所有三角形面片進行 切割； 在切割獲得的三角形面片中，刪除在所述虛擬球體內(nèi)部的三角形面片，保留在所述虛 擬球體外部的三角形面片，獲得所述腫瘤孔洞。12. 如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述孔洞獲得模塊還用于： 將所述腫瘤孔洞上的頂點按照順時針或逆時針的順序進行排序； 所述網(wǎng)格生成模塊具體用于： 將排序后的所述腫瘤孔洞上的頂點首尾相連，組成腫瘤與血管數(shù)字模型相交處的洞的 邊界。13. 如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，所述孔洞獲得模塊具體用于： 選取所述腫瘤孔洞邊界處任意一頂點為起始點So,找到以So為端點的一條邊E〇; 找到邊Ei上除了 Si之外的另一個頂點并作為起始點S1+1，尋找包含S1+1但不包含上一個 起始點Si的邊Ei+i;i = 0,1，2···;重復(fù)進行此步驟，直至Si+i與So為同一個頂點為止。14. 如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述網(wǎng)格生成模塊具體用于： 對所有與所述虛擬球體相交的三角形面片的法向量求平均，獲得腫瘤的生長方向Dt; 按如下公式計算腫瘤的中心及最高點的位置： Pc=PA+R(l-2y)Dt； Pt = Pc+RDt； 其中，R為腫瘤的半徑;μ為腫瘤與血管數(shù)字模型的相交程度;Pc為腫瘤的中心的位置;Pt 為腫瘤的最高點的位置;Pa為在血管數(shù)字模型上選取的腫瘤位置； 將所述腫瘤孔洞上的每個頂點作為經(jīng)度采樣點，對以Pc為圓心，從Pt到每個經(jīng)度采樣點 之間形成的圓弧上進行采樣，將采樣得到的點作為煒度采樣點，將相鄰兩條圓弧上的煒度 采樣點進行組合，形成三角形面片，組成腫瘤網(wǎng)格。
【文檔編號】G06T19/20GK105869218SQ201610183729
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月28日
【發(fā)明人】王浩宇, 吳劍煌
【申請人】中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院