一種模擬血流與血管壁作用的方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明適用于人機交互領域，提供了一種模擬血流與血管壁作用的方法和裝置，該方法包括：通過光滑粒子流體動力學方法計算血管內的流體粒子的壓力密度、粘性力密度和外力密度；使用質點彈簧模型計算位于血管壁與血流的交界處的邊界粒子受到的彈回邊界力；整合所述計算的力，更新所述血流與血管壁的動態(tài)信息。在模擬血流流動的同時，能夠模擬血管壁的變形，處于邊界上的粒子既可以看成是光滑粒子流體動力學方法中的邊界顆粒，又可以看作是質點彈簧模型中的邊界顆粒，通過彈回邊界力的計算，能夠為虛擬血管手術系統(tǒng)提供更真實、更實時、更有效的互動信息。
【專利說明】一種模擬血流與血管壁作用的方法和裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于人機交互領域，尤其涉及一種模擬血流與血管壁作用的方法和裝置?！颈尘凹夹g】
[0002]在許多外科手術的訓練和規(guī)劃的模擬血管手術系統(tǒng)中，研究血流與血管壁相互作用，從而真實地模擬血流及其與周圍組織的相互作用，可以為模擬血管手術系統(tǒng)提供實時、有效的交互信息，在遇到特殊情況時，可以更為有效的幫助醫(yī)生了解如何采取正確的行動。因而，血流與血管壁的相互作用的研究工作，對評價系統(tǒng)好壞具有十分重要的作用。
[0003]現(xiàn)有的模擬血流和血管壁相互作用的方法，包括基于粒子的方法，其具有獨立性較強的復雜網狀結構及較高的性能，因此常被應用在對流體的實時模擬中，Muller等人把光滑粒子流體動力學方法(SPH)應用于模擬手術系統(tǒng)中模擬血液的流動，然而其并沒有提供血流與變形組織(血管壁)之間相互作用的解決方案，對于血流與血管壁之間存在相互作用的模擬血管手術系統(tǒng)中，不能真實的反應血管壁和血流作用的交互信息。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種模擬血流與血管壁作用的方法，以解決現(xiàn)有技術因不能血流與血管壁之間相互作用，在模擬血管手術系統(tǒng)中不能真實的反應血流與血管壁作用的交互信息問題。
[0005]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種模擬血流與血管壁作用的方法，所述方法包括:
[0006]通過光滑粒子流體動力學方法計算血管內的流體粒子的壓力密度、粘性力密度和外力密度；
[0007]使用質點彈簧模型計算位于血管壁與血流的交界處的邊界粒子受到的彈回邊界力；
[0008]采用Runge-Kuntta模型整合所述計算的血管內的流體粒子的壓力密度、粘性力密度、外力密度和位于血管壁與血流的交界處的邊界粒子受到的彈回邊界力，更新所述血流與血管壁的動態(tài)信息。
[0009]本發(fā)明實施例的另一目的在于提供一種模擬血流與血管壁作用的裝置，所述裝置包括:
[0010]第一計算單元，用于通過光滑粒子流體動力學方法計算血管內的流體粒子的壓力密度、粘性力密度和外力密度；
[0011]第二計算單元，用于使用質點彈簧模型計算位于血管壁與血流的交界處的邊界粒子受到的彈回邊界力；
[0012]更新單元,用于采用Runge-Kuntta模型整合所述計算的血管內的流體粒子的壓力密度、粘性力密度、外力密度和位于血管壁與血流的交界處的邊界粒子受到的彈回邊界力，更新所述血流與血管壁的動態(tài)信息。
[0013]在本發(fā)明中，利用光滑粒子流體動力學方法計算血管內的流體粒子的壓力密度、粘性力密度和外力密度，使用質點彈簧模型計算位于血管壁與血流的交界處的邊界粒子受到的彈回邊界力，從而使得在模擬血流流動的同時，能夠模擬血管壁的變形，處于邊界上的粒子既可以看成是光滑粒子流體動力學方法中的邊界顆粒，又可以看作是質點彈簧模型中的邊界顆粒，通過彈回邊界力的計算，能夠為虛擬血管手術系統(tǒng)提供更真實、更實時、更有效的互動信息。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明第一實施例提供的模擬血流與血管壁作用的方法的實現(xiàn)流程圖；
[0015]圖2是本發(fā)明第一實施例提供的采用光滑粒子動力學方法求解血管內的流體粒子的動態(tài)特征過程圖；
[0016]圖3是本發(fā)明第一實施例提供的邊界粒子所受的彈回邊界力示意圖；
[0017]圖4為本發(fā)明第一實施例提供的基于光滑粒子動力學方法獲取的粒子的實時性
[0018]圖5a為動脈瘤模型的初始狀態(tài)圖；
[0019]圖5b為動脈瘤模型經過20個時間步長后大量粒子注入動脈瘤空腔的示意圖；
[0020]圖5c為經過50個時間步長后，粒子從血管壁涌出的示意圖；
[0021]圖5d為基于移動立體方法的動脈瘤破裂示意圖；
[0022]圖6為本發(fā)明第二實施例提供的模擬血流與血管壁作用的裝置的結構框圖?！揪唧w實施方式】
[0023]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0024]當人們把大量時間和精力花費在人體組織與虛擬設備之間的軟組織變形模型及實時交互的力反饋模型開發(fā)工作時，卻忽略了對流體與變形組織之間相互作用的模擬工作,如血流與血管壁之間的相互作用等。
[0025]事實上，真實地模擬血流及其與周圍組織的相互作用，可以幫助醫(yī)生了解如何在受到干預時采取正確的行動，在許多外科訓練和規(guī)劃系統(tǒng)中，研究血流與血管壁相互作用對評價系統(tǒng)好壞具有十分重要的作用。
[0026]本發(fā)明所提出的模擬血流及其與周圍組織，即血管壁的相互作用的方法，包括:
[0027]通過光滑粒子流體動力學方法計算血管內的流體粒子的壓力密度、粘性力密度和外力密度；
[0028]使用質點彈簧模型計算位于血管壁與血流的交界處的邊界粒子受到的彈回邊界力；
[0029]采用Runge-Kuntta模型整合所述計算的血管內的流體粒子的壓力密度、粘性力密度、外力密度和位于血管壁與血流的交界處的邊界粒子受到的彈回邊界力，更新所述血流與血管壁的動態(tài)信息。
[0030]本發(fā)明利用光滑粒子流體動力學方法計算血管內的流體粒子的壓力密度、粘性力密度和外力密度，使用質點彈簧模型計算位于血管壁與血流的交界處的邊界粒子受到的彈回邊界力，從而使得在模擬血流流動的同時，能夠模擬血管壁的變形，處于邊界上的粒子既可以看成是光滑粒子流體動力學方法中的邊界顆粒，又可以看作是質點彈簧模型中的邊界顆粒，通過彈回邊界力的計算，能夠為虛擬血管手術系統(tǒng)提供更真實、更實時、更有效的互動信息。
[0031]實施例一:
[0032]圖1示出了本發(fā)明第一實施例提供的模擬血流與血管壁作用的方法的實現(xiàn)流程，詳述如下:
[0033]在步驟SlOl中，通過光滑粒子流體動力學方法計算血管內的流體粒子的壓力密度、粘性力密度和外力密度。
[0034]具體的，通常情況下，血流運動的基本方程是由流體的質量守恒、動量守恒和能量守恒推導出。我們假設血流的溫度幾乎是恒定的且沒有熱量輸入到系統(tǒng)中。因此，能量平衡方程與機械能平衡的方程是一樣的，能量守恒導致沒有新的獨立方程。此外，粒子系統(tǒng)通過維持粒子數(shù)量與單個粒子質量不變而達到質量守恒。因此，我們可以將重點放在如何解決Navier-Stokes方程,其動量守恒公式為:
【權利要求】
1.一種模擬血流與血管壁作用的方法，其特征在于，所述方法包括: 通過光滑粒子流體動力學方法計算血管內的流體粒子的壓力密度、粘性力密度和外力密度； 使用質點彈簧模型計算位于血管壁與血流的交界處的邊界粒子受到的彈回邊界力；采用Runge-Kuntta模型整合所述計算的血管內的流體粒子的壓力密度、粘性力密度、外力密度和位于血管壁與血流的交界處的邊界粒子受到的彈回邊界力，更新所述血流與血管壁的動態(tài)信息。
2.根據權利要求1所述方法，其特征在于，所述通過光滑粒子流體動力學方法計算血管內的血流粒子的壓力密度、粘性力密度和外力密度步驟包括: 在單位時間步長中，在設定的支持半徑范圍內查找與目標粒子i相鄰近的相鄰粒子j ；根據光滑粒子流體動力學原理，獲取血管內的目標粒子i的密度P i以及粒子i的壓力密度f?; 設定引力為唯一的外力，獲取外力密度f廣； 結合層粘度與子粒子尺度計算粘度力密度f?。
3.根據權利要求2所述方法，其特征在于，所述在單位時間步長中，在設定的支持半徑范圍內查找與目標粒子i相鄰近的相鄰粒子j步驟具體為: 在單位時間步長中，在設定的支持半徑范圍內，采用成對接近方法、鏈接列表方法或者基于樹的方法，查找與目標粒子i相鄰近的相鄰粒子j。
4.根據權利要求2所述方法，其特征在于，所述根據光滑粒子流體動力學原理，獲取血管內的目標粒子i的密度P i步驟具體為: 根據光滑粒子流體動力學原理，采用求和密度法或者繼續(xù)密度法，獲取血管內的目標粒子i的密度Pit5
5.根據權利要求1所述方法，其特征在于，所述使用質點彈簧模型計算位于血管壁與血流的交界處的邊界粒子受到的彈回邊界力具體為: 將位于血管壁與血流的交界處的邊界粒子上的力分解為與邊界垂直的方向上的力N(X)和與邊界相切方向上的力T (y)，其中所述與邊界垂直的方向上的力N(X)具體為:當邊界粒子與流體粒子間的距離大于預定的閾值距離時，所述與邊界垂直的方向上的力N(X)為零； 當邊界粒子與流體粒子間的距離小于或等于預定的閾值距離、且所述與邊界垂直的方向上的力N(X)小于或等于邊界粒子彈簧連接中拉伸力的最大值時，所述與邊界垂直的方向上的力N(X)為所述r=丄，+，h為光滑粒子動力學方法
yjr2/?八 P的支持半徑，X為邊界粒子與流體粒子間的距離，P為流體粒子a與邊界交互的壓力，P是粒子密度，Vab為流體粒子a相對于相對邊界粒子b的速度；nb為邊界粒子b的法向方向；當流體粒子a與邊界粒子b相互接近時，β取I ;當流體`粒子a與邊界粒子b反向時，β取I ; 當所述N(X)大于邊界粒子彈簧連接中拉伸力的最大值時，所述與邊界垂直的方向上的力N(X)為零。
6.根據權利要求1所述方法，其特征在于，所述采用Runge-Kuntta模型整合所述計算的血管內的流體粒子的壓力密度、粘性力密度、外力密度和位于血管壁與血流的交界處的邊界粒子受到的彈回邊界力，更新所述血流與血管壁的動態(tài)信息步驟具體為: 根據所計算的血管內的流體粒子的壓力密度、粘性力密度以及與邊界粒子交互產生的外力，結合粒子的當前位置和粒子密度，根據牛頓第二定律計算各粒子的加速度、速度，根據所述計算的速度與加速度值重新確定粒子的位置。
7.一種模擬血流與血管壁作用的裝置，其特征在于，所述裝置包括: 第一計算單元，用于通過光滑粒子流體動力學方法計算血管內的流體粒子的壓力密度、粘性力密度和外力密度； 第二計算單元，用于使用質點彈簧模型計算位于血管壁與血流的交界處的邊界粒子受到的彈回邊界力； 更新單元，用于采用Runge-Kuntta模型整合所述計算的血管內的流體粒子的壓力密度、粘性力密度、外力密度和位于血管壁與血流的交界處的邊界粒子受到的彈回邊界力，更新所述血流與血管壁的動態(tài)信息。
8.根據權利要求7所述裝置，其特征在于，所述第一計算單元包括: 查找子單元，用于在單位時間步長中，在設定的支持半徑范圍內查找與目標粒子i相鄰近的相鄰粒子j ; 第一獲取子單元，用于根據光滑粒子流體動力學原理，獲取血管內的目標粒子i的密度P i以及粒子i的壓力密度f?; 第二獲取子單元，用于設定引力為唯一的外力，獲取外力密度--χ; 計算子單元，用于結合層粘度與子粒子尺度計算粘度力密度fj。
9.根據權利要求7所述裝置，其特征在于，第二計算單元具體用于: 當邊界粒子與流體粒子間的距離大于預定的閾值距離時，所述與邊界垂直的方向上的力N(X)為零； 當邊界粒子與流體粒子間的距離小于或等于預定的閾值距離、且所述與邊界垂直的方向上的力N(X)小于或等于邊界粒子彈簧連接中拉伸力的最大值時，所述與邊界垂直的方向上的力N(X
10.根據權利要求7所述裝置，其特征在于，所述獲取單元用于根據所計算的血管內的流體粒子的壓力密度、粘性力密度以及與邊界粒子交互產生的外力，結合粒子的當前位置和粒子密度，根據牛頓第二定律計算各粒子的加速度、速度，根據所述計算的速度與加速度值重新確定粒子的位置。
【文檔編號】G06F19/00GK103729555SQ201310712494
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月20日 優(yōu)先權日:2013年12月20日
【發(fā)明者】孫寅紫, 秦璟, 王平安 申請人:深圳先進技術研究院