技术领域
[0001] 本
发明属于医疗器械领域，具体涉及一种微导管塑形器的生成方法及生成系统。
背景技术
[0002] 微导管是介入手术
治疗中常用的一种器械。例如，在颅内
动脉瘤的
弹簧圈介入栓塞手术中，首先要将相应微导管选择性
送达动脉瘤内。该手术过程中很重要的一个环节就是微导管的成功塑形。对微导管前端的形态进行良好的塑形，能够大大提高介入手术中微导管的到位准确性、微导管在栓塞过程中的
稳定性和微导管的操控灵活性。成功的微导管塑形是手术成功的基本保证，微导管塑形对于床突旁及微小动脉瘤的介入治疗尤其重要。
[0003] 然而在实际的手术过程当中，微导管的塑形成功与否与医生的技术
水平和临床经验直接相关。虽然颅内动脉瘤栓塞手术中的微导管塑形已有不少国内外临床报告和学术论文进行了深入讨论与总结，脑血管和颅内动脉瘤的三维空间形态可通过数字血管减影技术和3D重建技术获得，血管的精确尺寸也可以通过三维图像测量获得，微导管的塑形还是需要依赖医生丰富的知识和经验，而临床上一直以来都缺少精确有效的辅助设计手段。
发明内容
[0004] 为了解决
现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种微导管塑形器的生成方法及生成系统。
[0005] 本发明所采用的技术方案为：一种微导管塑形器的生成方法包括以下步骤：
[0006] 根据三维血管图像得到三维血管中
心轴；
[0007] 根据三维血管中心轴上各点与其周围所有点的相邻关系，建立连接网络；
[0008] 读取用户选取的原点和末点坐标，计算沿三维血管中心轴从与原点距离最近的点到与末点距离最近的点的最
短路径；
[0009] 对三维血管中心轴周围的
像素进行处理，得到初步截取的血管；
[0010] 根据初步截取的血管，获得
临界点坐标，将所有临界点坐标相连得到血管表面；
[0011] 根据得到的血管表面，计算得到微导管折线路径；
[0012] 对微导管折线路径进行平滑处理，得到微导管路径；
[0013] 根据微导管路径上的折线点，得到塑形器的折线路径；
[0014] 对塑形器的折线路径进行平滑处理，得到表示微导管塑形器的二元三维矩阵；
[0015] 根据微导管塑形器的二元三维矩阵，得到微导管塑形器的表面文件。
[0016] 进一步地，所述根据三维血管图像得到三维血管中心轴的步骤中，采用图像侵蚀
算法对表示三维血管图像的二元三维矩阵重复进行对称的图像侵蚀处理，直到得到三维血管中心轴。
[0017] 进一步地，所述根据三维血管中心轴上各点与其周围所有点的相邻关系建立连接网络的步骤中，预设三维血管中心轴上两个点之间的最小直线距离为L，如果三维血管中心轴上两个点之间的距离小于或等于 则判定这两个点为相邻关系。
[0018] 进一步地，所述计算沿三维血管中心轴从与原点距离最近的点到与末点距离最近的点的最短路径的具体过程为：
[0019] 分别计算三维血管中心轴上各个点与读取的原点和末点之间的距离，得到三维血管中心轴上与原点之间距离最近的点以及三维血管中心轴上与末点之间距离最近的点；其中，三维血管中心轴上与原点之间距离最近的点为起点，三维血管中心轴上与末点之间距离最近的点为终点，
[0020] 根据得到的连接网络，采用迪杰斯特拉算法得到沿三维血管中心轴从起点到终点的最短路径。
[0021] 进一步地，所述对三维血管中心轴周围的像素进行处理得到初步截取的血管的具体过程为：
[0022] 根据获取的最短路径，得到最短路径上各个点的坐标；
[0023] 对于二元三维矩阵的每个非0的血管像素点，定义该像素点与最短路径上各个点沿最短路径的距离为该像素点的坐标(x，y，z)同最短路径上各个点坐标的距离的最小值；
[0024] 计算二元三维矩阵的每个非0的血管像素点与最短路径上各个点坐标之间的距离；
[0025] 预设距离临界值，如果计算得到的距离大于距离临界值，则将该距离对应的血管像素值设为背景值0，以此将与沿最短路径较远的血管点设为背景值，仅保留沿最短路径附近的血管，得到初步截取的血管。
[0026] 进一步地，所述得到血管表面的具体过程为：
[0027] 以起点为
种子，采用区域生长的方法，对与种子不相连但在得到初步截取的血管的过程中保留的像素点进行清除，得到新的二元三维矩阵；
[0028] 在新的二元三维矩阵的
基础上，获得满足条件的临界点坐标，将所有临界点坐标相连得到血管表面；其中，临界点坐标满足的条件包括与种子相连且与最短路径上各个点坐标之间的距离小于距离临界值。
[0029] 进一步地，所述根据得到的血管表面得到微导管折线路径的具体过程为：
[0030] 以通过起点的沿最短路径方向为起始方向，以直线的方式延伸路径，方向记为[0031] 如果路径抵达血管壁，则记录下对应血管壁的坐标W，找到与坐标W距离最小的沿最短路径上的点C，求得方向 相对于点C的对称方向 并保证从坐标W开始，延方向 延伸会使得路径朝向血管内部，直到再次碰到血管壁；
[0032] 重复上述过程，直到路径与终点之间的距离小于距离临界值，得到微导管折线路径。
[0033] 进一步地，所述根据微导管路径上的折线点得到塑形器的折线路径的具体过程为：
[0034] 根据微导管路径上的折线点，计算出每段线段的长度及方向，其中方向由三维单元向量表示，并计算出由两段线段决定的
坐标系到下两段线段决定的坐标系的旋转矩阵；
[0035] 利用旋转矩阵得到相邻线段组之间的
角度；每个线段组中包含两条相邻的线段；
[0036] 假定微导管塑形器的角度与微导管路径的折线角度有固定的倍数关系α，根据折线点的坐标和计算得到的旋转矩阵，从第一条线段开始，将微导管路径旋转矩阵对应的旋转角度乘以给定的倍数α，得到塑形器下一条线段相对于前一条线段的旋转矩阵，并依据该矩阵得到塑形器下一条线段的方向，同时保证塑形器下一条线段的长度同微导管路径对应线段的长度相同，由此确定下一条线段，直到得到塑形器的全部折线路径。
[0037] 进一步地，所述得到微导管塑形器的表面文件的具体过程为：
[0038] 假定微导管的半径为r1，塑形器的半径为r2；
[0039] 对每个
背景像素，计算其坐标(x，y，z)与微导管路径上每个点的距离，对得到的距离值进行比较后得到最小距离值d；
[0040] 如果d<＝r1，则将背景像素的像素值设为1；如果r1r2，则将背景像素的像素值设为0；
[0041] 选取像素值为0和2的表面作为微导管塑形器的外表面，像素值为1和2的表面作为微导管塑形器的内表面，得到微导管塑形器的表面文件。
[0042] 一种微导管塑形器的生成系统包括三维血管中心轴生成模
块、血管截取模块、血管表面生成模块、微导管路径生成模块、塑形器路径生成模块和塑形器表面文件生成模块；
[0043] 所述三维血管中心轴生成模块用于根据三维血管数据生成三维血管中心轴；所述血管截取模块用于根据三维血管中心轴上各点之间的连接关系对三维血管中心轴周围的像素进行处理，得到截取的血管；所述血管表面生成模块用于根据截取的血管生成血管表面文件；所述微导管路径生成模块用于根据血管表面文件处理得到微导管路径；所述塑形器路径生成模块用于根据微导管路径处理得到微导管塑形器的路径；所述塑形器表面文件生成模块用于根据微导管塑形器的路径生成微导管塑形器的表面文件。
[0044] 由于采用以上技术方案，本发明的有益效果为：本发明根据三维血管图像 得到初步截取的血管，采用Marching Cube算法得到血管表面，进而得到微导管路径，根据微导管路径得到微导管塑形器的表面文件，采用本发明能够自动生成微导管塑形器的表面文件，进而为塑形器的制作提供设计参考。本发明能够有效地指导设计人员设计微导管塑形器的工作，提高设计人员的工作效率。
附图说明
[0045] 为了更清楚地说明本发明
实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0046] 图1是本发明一实施例提供的一种微导管塑形器的生成方法的
流程图；
[0047] 图2是本发明一实施例提供的一种微导管塑形器的生成系统的结构
框图。
[0048] 图中：1-三维血管中心轴生成模块；2-血管截取模块；3-血管表面生成模块；4-微导管路径生成模块；5-塑形器路径生成模块；6-塑形器表面文件生成模块。
具体实施方式
[0049] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
[0050] 微导管在神经介入手术中发挥着相当重要的作用，在治疗血管瘤和血管栓塞中，针对不同病人的病变情况和血
管束设计出最合适的微导管路径及微导管塑形器能够大大提高手术的效率和治疗效果。
[0051] 手术前利用高
分辨率的DSA(digital subtraction angiography，数字减影心
血管造影术)、CTA(CT血管造影术)或MRA(Magnetic Resonance Angiography，磁共振血管成像)，通过
图像分割的方法，可以得到完整的三维血管图像。三维血管图像通常是以二元三维矩阵的形式进行表示，其中，0表示背景，1表示 血管及血管内部血液。
[0052] 基于完整的三维血管图像，如图1所示，本发明提供了一种微导管塑形器的生成方法，其包括以下步骤：
[0053] S1、根据三维血管图像得到三维血管中心轴。
[0054] 以三维血管数据为基准，参照人体坐标建立三维坐标系。其中，X轴对应人体左右方向，Y轴对应人体前后方向，Z轴对应人体头脚方向。三维血管图像中每个像素点对应三维坐标系的整数点，例如第一个像素点对应的三维坐标为(1，1，1)。采用图像侵蚀算法对表示三维血管图像的二元三维矩阵重复进行对称的图像侵蚀处理，直到得到三维血管中心轴。
[0055] 图像侵蚀算法能够在保证血管连接性不变的前提下，将血管缩小成多条相互连接的线段。由于图像侵蚀算法在缩小的过程中保持对称性，因此得到的线段为血管束的中心线。血管束中心线以中心线上所有点的坐标来表示，由于每个像素点对应整数点三维坐标，血管束中心线上的每个点也对应整数点三维坐标。
[0056] S2、根据三维血管中心轴上各点与其周围所有点的相邻关系，建立连接网络。
[0057] 预设三维血管中心轴上两个点之间的最小直线距离为L，如果三维血管中心轴上两个点之间的距离小于或等于 则判定这两个点为相邻关系。L通常取值为1。例如，三维血管中心轴上一个点的坐标为(x，y，z)，另一个点的坐标为(x+1，y+1，z+1)，这两个点之间的直线距离为 则判定这两个点为相邻关系。三维血管中心轴上点(x，y，z)与点(x+2，y，z)之间的直线距离为2，则判定这两个点不相邻。
[0058] 例如，三维血管中心轴上四个点A、B、C、D之间的关系为：A<->B相邻，B<->C相邻，C<->D相邻，其它均不相邻，则建立的连接网络为点A、B、C、D构成的网络。
[0059] S3、读取用户选取的原点和末点坐标，计算得到三维血管中心轴上与原点距离最近的点以及与末点距离最近的点，采用迪杰斯特拉算法得到沿三维血管 中心轴从与原点距离最近的点到与末点距离最近的点的最短路径，其具体过程为：
[0060] 1)分别计算三维血管中心轴上各个点与读取的原点和末点之间的距离，得到三维血管中心轴上与原点之间距离最近的点，该点记为起点S；得到三维血管中心轴上与末点之间距离最近的点，该点记为终点E。
[0061] 2)根据步骤S2得到的连接网络，每条从起点S到终点E的可能路径为从起点S到终点E的相邻点，再到起点S的相邻点的相邻点，依次类推，直到相邻点中包含终点E，采用迪杰斯特拉算法得到沿三维血管中心轴从起点S到终点E的最短路径。例如，S->A->B->E，起点S与点A相邻，点A与点B相邻，点B与终点E相邻。
[0062] S4、对三维血管中心轴周围的像素进行处理，得到初步截取的血管，其具体过程为：
[0063] 1)根据步骤S3获取的最短路径，得到最短路径上各个点的坐标。
[0064] 2)对于二元三维矩阵的每个非0的血管像素点，定义该像素点与最短路径上各个点沿最短路径的距离为该像素点的坐标(x，y，z)同最短路径上各个点坐标的距离的最小值。
[0065] 3)计算二元三维矩阵的每个非0的血管像素点与最短路径上各个点坐标之间的距离。
[0066] 4)预设距离临界值，如果步骤3)计算得到的距离大于距离临界值，则将该距离对应的血管像素值设为背景值0，以此将与沿最短路径较远的血管点设为背景值，仅保留沿最短路径附近的血管，得到初步截取的血管。
[0067] S5、根据初步截取的血管，采用Marching Cube算法获得满足条件的临界点坐标，将所有临界点坐标相连得到血管表面，其具体过程为：
[0068] 1)以起点S为种子，采用区域生长的方法，对与种子不相连但在步骤S4中保留的像素点进行清除，即将其像素值设为背景值0，得到新的二元三维矩阵。
[0069] 该新的二元三维矩阵中，值为1的像素点同时满足步骤S4中与最短路径上 各个点坐标之间的距离小于距离临界值以及与种子相连这两个条件。该新的二元三维矩阵能够代表起点S到终点E之间的血管。
[0070] 2)在新的二元三维矩阵的基础上，1和0的临界点定义为左右或上下或前后两个相邻点的像素分别为1和0的点。例如，坐标为(x，y，z)的A点对应像素值为1，坐标为(x，y+1，z)的B点对应像素值为0，A点与B点之间的临界点则为坐标为(x，y+0.5，z)的点。
[0071] S6、根据得到的血管表面，计算得到微导管折线路径。
[0072] 为计算微导管路径，以起点S为起始点，以通过该起始点的沿最短路径方向为起始方向，以直线的方式延伸路径，方向记为 如果路径抵达血管壁，则记录下对应血管壁的坐标W，找到与坐标W距离最小的沿最短路径上的点C，求得方向 相对于点C的对称方向并保证从坐标W开始，延方向 延伸会使得路径朝向血管内部，直到再次碰到血管壁。然后重复上述过程，直到路径与终点E之间的距离小于距离临界值，得到微导管折线路径。其中，依照完成截取的二元化三维矩阵，是否为血管壁以0和1的边界点为判断依据。
[0073] S7、对微导管折线路径进行平滑处理，用平滑曲线代替折线，得到微导管路径。
[0074] S8、根据微导管路径上的折线点，得到塑形器的折线路径，其具体过程为：
[0075] 1)根据微导管路径上的折线点，计算出每段线段的长度及方向，其中方向由三维单元向量表示，并计算出由两段线段决定的坐标系到下两段线段决定的坐标系的旋转矩阵。利用旋转矩阵得到相邻线段组之间的角度。每个线段组中包含两条相邻的线段。
[0076] 从两条线段到三维坐标系的计算方法为：假定v1，v2为不平行的两段相邻线段，取与v1同方向的单元向量为坐标系X轴，v1叉乘v2得到的方向为坐标系Y轴，Y轴单元向量和X轴单元向量叉乘得到Z轴单元向量。
[0077] 2)假定微导管塑形器的角度与微导管路径的折线角度有固定的倍数关系α，根据折线点的坐标和步骤1)中计算得到的旋转矩阵，从第一条线段开始，将微导管路径旋转矩阵对应的旋转角度乘以给定的倍数α，得到塑形器下一条 线段相对于前一条线段的旋转矩阵，并依据该矩阵得到塑形器下一条线段的方向，同时保证塑形器下一条线段的长度同微导管路径对应线段的长度相同，由此确定下一条线段，直到得到塑形器的全部折线路径。其中，倍数α通常取值为2。
[0078] S9、对塑形器的折线路径进行平滑处理，得到表示微导管塑形器的二元三维矩阵。
[0079] S10、根据微导管塑形器的二元三维矩阵，利用Marching Cube的方法，选取像素值为0和2的表面作为微导管塑形器的外表面，像素值为1和2的表面作为微导管塑形器的内表面，得到微导管塑形器的表面文件，其具体过程为：
[0080] 1)假定微导管的半径为r1，塑形器的半径为r2。
[0081] 2)对每个背景像素(像素值为0)，计算其坐标(x，y，z)与微导管路径上每个点的距离，对得到的距离值进行比较后得到最小距离值d。
[0082] 3)如果d<＝r1，则将背景像素的像素值设为1。如果r1r2，则将背景像素的像素值设为0。
[0083] 4)选取像素值为0和2的表面作为微导管塑形器的外表面，像素值为1和2的表面作为微导管塑形器的内表面，得到微导管塑形器的表面文件。
[0084] 本发明微导管塑形器的生成方法还包括以下步骤，在生成的微导管路径的基础上，对微导管折线路径上的折线点的
位置进行调整，得到调整后的微导管路径。
[0085] 使用本发明微导管塑形器的生成方法生成微导管塑形器时，用户给定大概的微导管原点和末点，本发明微导管塑形器的生成方法自动计算出微导管的最优路径，并可依据原点和末点对血管束进行简化显示，以便于使用户更清晰的了解手术相关区域的血管构造。基于得到的微导管路径，用户可以通过对关键点的位置进行必要的调整，以便达到最优效果，在优化的微导管路径基础上，自动生成微导管塑形器的表面文件，根据生成的表面文件得到微导管塑形器。
[0086] 如图2所示，本发明还提供了一种微导管塑形器的生成系统，其包括三维血管中心轴生成模块1、血管截取模块2、血管表面生成模块3、微导管路径生 成模块4、塑形器路径生成模块5和塑形器表面文件生成模块6。其中，三维血管中心轴生成模块1用于根据三维血管数据生成三维血管中心轴。血管截取模块2用于根据三维血管中心轴上各点之间的连接关系对三维血管中心轴周围的像素进行处理，得到截取的血管。血管表面生成模块3用于根据截取的血管生成血管表面文件。微导管路径生成模块4用于根据血管表面文件处理得到微导管路径。塑形器路径生成模块5用于根据微导管路径处理得到微导管塑形器的路径。塑形器表面文件生成模块6用于根据微导管塑形器的路径生成微导管塑形器的表面文件。
[0087] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明所披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述
权利要求的保护范围为准。
