CN105869218B - 血管数字模型的肿瘤病变编辑方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种血管数字模型的肿瘤病变编辑方法及装置，其中方法包括：确定在血管数字模型上选取的肿瘤位置；以在血管数字模型上选取的肿瘤位置为球心，以肿瘤与血管数字模型相交处的洞的半径为半径，生成一虚拟球体；用所述虚拟球体与血管数字模型进行碰撞检测，获得所有与所述虚拟球体相交的三角形面片；用所述虚拟球体对所有与所述虚拟球体相交的三角形面片进行切割，获得一肿瘤孔洞；根据肿瘤的半径和所述肿瘤孔洞上的顶点信息，进行经度和纬度上的采样，生成由三角形面片组成的肿瘤网格。采用本发明可以对现有的血管数字模型在任何位置添加肿瘤病变，极大的丰富虚拟手术领域可采用的病例模型，并且操作步骤简单，容易上手。

Description

血管数字模型的肿瘤病变编辑方法及装置

技术领域

本发明涉及虚拟手术技术领域，尤其涉及血管数字模型的肿瘤病变编辑方法及装置。

背景技术

虚拟手术是利用医学影像数据，使用虚拟现实技术在计算机中建立虚拟环境，使医生能够借助虚拟环境中的信息进行手术计划、训练，以及在实际手术中引导手术。传统的手术过程存在风险高，病人痛苦大，术后效果不理想等缺点，手术效果受医生个人业务水平影响很大。采用增强现实技术可以使医务工作者沉浸于虚拟的场景内，可以通过视、听、触觉感知并学***的发展不平衡的现状有着特殊的意义。

利用虚拟现实技术模拟实际手术过程，帮助医务工作者进行手术技能培训的过程中，模拟所采用的病例模型的丰富程度非常重要。第一，从训练者的角度，在丰富的病例模型上进行训练，可以帮助受训者适应在不同病理特征下的手术操作流程和技巧，为其日后在实际手术过程中遇到类似病例时做好充足的准备工作。第二，从医生的角度，拥有对血管病变位置的自主控制权，可以预防性地对将来可能出现的罕见病例进行事前模拟，同时可以丰富对新手医生的训练资源。第三，从手术器械厂商角度，可以对任何血管病变位置进行新的手术器械研发，及试验，避免了在单一仿体模型试验的不足。

在虚拟介入手术领域，病例模型指病变血管的数字模型。通常，这种病变血管模型由实际病例的CT/MRI/DSA扫描图像通过三维重建和后期处理得来。这种传统的病变血管模型获取方法存在病例数量有限，后期处理复杂、精度不高、周期漫长等诸多因素的限制，使得训练者难以很快地接触到丰富病变血管种类。

目前的虚拟手术过程中所采用的数字血管模型来源主要有以下两种：

一、三维重建

该方法基于实际病例的CT/MRI/DSA等扫描图像，进而采用三维重建技术获得三维血管数字模型。然而通过该方法获得的血管模型往往是粗糙的，要经过人工干预的后期处理才能用在虚拟手术过程中。该方法获取病例模型的前提是拥有该病例的图像，并且需要掌握对三维重建获得的粗糙模型的后期处理方法。

二、三维编辑软件

该方法建立在已经获取了经过三维重建和后期处理后的三维血管数字模型的基础之上，通过3DMax或者Maya等三维编辑软件，对三维血管数字模型进行编辑，进而获取不同类型的病变模型。该方法可以在健康血管数字模型上编辑获得病理特征种类丰富的病例模型。

基于扫描影像、三维重建进行病例模型获取的方法，必须首先获取该实际病例的扫描图像。而对于某些病理结构比较罕见的特殊病例，其病人数据往往是难以获取的。尤其在考虑到病人隐私的前提下，某些病人的病例数据通常是受保护且不予公开的。因此，这种丰富病变血管模型库的方法从数据来源方面就受到了极大的限制。此外，三维重建获得的血管数字模型往往需要投入大量的人力去进行手工的处理和调校才能达到虚拟手术的使用标准，这项工作的人力物力成本同样也很高昂，且周期较长。

通过三维软件编辑健康血管模型来得到病变血管模型的方法，要求操作人员熟练使用3DMax或Maya等三维编辑软件，这类型的软件需要使用者对血管三维模型的格式有一定了解，且操作方法复杂，上手较慢。

发明内容

本发明实施例提供一种血管数字模型的肿瘤病变编辑方法，用以丰富虚拟手术领域可采用的病例模型并且使操作简单、容易上手，该方法包括：

确定在血管数字模型上选取的肿瘤位置；

以在血管数字模型上选取的肿瘤位置为球心，以肿瘤与血管数字模型相交处的洞的半径为半径，生成一虚拟球体；

用所述虚拟球体与血管数字模型进行碰撞检测，获得所有与所述虚拟球体相交的三角形面片；

用所述虚拟球体对所有与所述虚拟球体相交的三角形面片进行切割，获得一肿瘤孔洞；

根据肿瘤的半径和所述肿瘤孔洞上的顶点信息，进行经度和纬度上的采样，生成由三角形面片组成的肿瘤网格。

一个实施例中，所述确定在血管数字模型上选取的肿瘤病变位置，包括：

获取用户在血管数字模型上选取的肿瘤病变位置的屏幕坐标；

将所述屏幕坐标经由屏幕坐标系，裁剪坐标系，相机坐标系到模型坐标系的矩阵变换，获得在血管数字模型上选取的肿瘤病变位置。

一个实施例中，所述以在血管数字模型上选取的肿瘤位置为球心，以肿瘤与血管数字模型相交处的洞的半径为半径，生成一虚拟球体，包括：

按如下公式确定肿瘤与血管数字模型相交处的洞的半径：

其中，r为肿瘤与血管数字模型相交处的洞的半径；R为肿瘤的半径；μ为肿瘤与血管数字模型的相交程度。

一个实施例中，用所述虚拟球体对所有三角形面片进行切割，获得一肿瘤孔洞，包括：

根据三角形面片的顶点在所述虚拟球体内外的个数，确定三角形面片与所述虚拟球体的碰撞情况；

根据三角形面片与所述虚拟球体的碰撞情况，用所述虚拟球体对所有三角形面片进行切割；

在切割获得的三角形面片中，删除在所述虚拟球体内部的三角形面片，保留在所述虚拟球体外部的三角形面片，获得所述肿瘤孔洞。

一个实施例中，用所述虚拟球体对所有与所述虚拟球体相交的三角形面片进行切割，获得一肿瘤孔洞之后，还包括：

将所述肿瘤孔洞上的顶点按照顺时针或逆时针的顺序进行排序；

所述根据肿瘤的半径和所述肿瘤孔洞上的顶点信息，进行经度和纬度上的采样，生成由三角形面片组成的肿瘤网格，包括：

将排序后的所述肿瘤孔洞上的顶点首尾相连，组成肿瘤与血管数字模型相交处的洞的边界。

一个实施例中，将所述肿瘤孔洞上的顶点按照顺时针或逆时针的顺序进行排序，包括：

步骤1：选取所述肿瘤孔洞边界处任意一顶点为起始点S₀，找到以S₀为端点的一条边E₀；

步骤2：找到边E_i上除了S_i之外的另一个顶点并作为起始点S_i+1，寻找包含S_i+1但不包含上一个起始点S_i的边E_i+1；i＝0,1,2…；

重复进行步骤2，直至S_i+1与S₀为同一个顶点为止。

一个实施例中，所述根据肿瘤的半径和所述肿瘤孔洞上的顶点信息，进行经度和纬度上的采样，生成由三角形面片组成的肿瘤网格，包括：

对所有与所述虚拟球体相交的三角形面片的法向量求平均，获得肿瘤的生长方向D_t；

按如下公式计算肿瘤的中心及最高点的位置：

P_C＝P_A+R(1-2μ)D_t；

P_t＝P_C+RD_t；

其中，R为肿瘤的半径；μ为肿瘤与血管数字模型的相交程度；P_C为肿瘤的中心的位置；P_t为肿瘤的最高点的位置；P_A为在血管数字模型上选取的肿瘤位置；

将所述肿瘤孔洞上的每个顶点作为经度采样点，对以P_C为圆心，从P_t到每个经度采样点之间形成的圆弧上进行采样，将采样得到的点作为纬度采样点，将相邻两条圆弧上的纬度采样点进行组合，形成三角形面片，组成肿瘤网格。

本发明实施例还提供一种血管数字模型的肿瘤病变编辑装置，用以丰富虚拟手术领域可采用的病例模型并且使操作简单、容易上手，该装置包括：

位置确定模块，用于确定在血管数字模型上选取的肿瘤位置；

球体生成模块，用于以在血管数字模型上选取的肿瘤位置为球心，以肿瘤与血管数字模型相交处的洞的半径为半径，生成一虚拟球体；

碰撞检测模块，用于用所述虚拟球体与血管数字模型进行碰撞检测，获得所有与所述虚拟球体相交的三角形面片；

孔洞获得模块，用于用所述虚拟球体对所有与所述虚拟球体相交的三角形面片进行切割，获得一肿瘤孔洞；

网格生成模块，用于根据肿瘤的半径和所述肿瘤孔洞上的顶点信息，进行经度和纬度上的采样，生成由三角形面片组成的肿瘤网格。

一个实施例中，所述位置确定模块具体用于：

获取用户在血管数字模型上选取的肿瘤病变位置的屏幕坐标；

将所述屏幕坐标经由屏幕坐标系，裁剪坐标系，相机坐标系到模型坐标系的矩阵变换，获得在血管数字模型上选取的肿瘤病变位置。

一个实施例中，所述球体生成模块具体用于：

按如下公式确定肿瘤与血管数字模型相交处的洞的半径：

其中，r为肿瘤与血管数字模型相交处的洞的半径；R为肿瘤的半径；μ为肿瘤与血管数字模型的相交程度。

一个实施例中，所述孔洞获得模块具体用于：

根据三角形面片的顶点在所述虚拟球体内外的个数，确定三角形面片与所述虚拟球体的碰撞情况；

根据三角形面片与所述虚拟球体的碰撞情况，用所述虚拟球体对所有三角形面片进行切割；

在切割获得的三角形面片中，删除在所述虚拟球体内部的三角形面片，保留在所述虚拟球体外部的三角形面片，获得所述肿瘤孔洞。

一个实施例中，所述孔洞获得模块还用于：

将所述肿瘤孔洞上的顶点按照顺时针或逆时针的顺序进行排序；

所述网格生成模块具体用于：

将排序后的所述肿瘤孔洞上的顶点首尾相连，组成肿瘤与血管数字模型相交处的洞的边界。

一个实施例中，所述孔洞获得模块具体用于：

步骤1：选取所述肿瘤孔洞边界处任意一顶点为起始点S₀，找到以S₀为端点的一条边E₀；

步骤2：找到边E_i上除了S_i之外的另一个顶点并作为起始点S_i+1，寻找包含S_i+1但不包含上一个起始点S_i的边E_i+1；i＝0,1,2…；

重复进行步骤2，直至S_i+1与S₀为同一个顶点为止。

一个实施例中，所述网格生成模块具体用于：

对所有与所述虚拟球体相交的三角形面片的法向量求平均，获得肿瘤的生长方向D_t；

按如下公式计算肿瘤的中心及最高点的位置：

P_C＝P_A+R(1-2μ)D_t；

P_t＝P_C+RD_t；

其中，R为肿瘤的半径；μ为肿瘤与血管数字模型的相交程度；P_C为肿瘤的中心的位置；P_t为肿瘤的最高点的位置；P_A为在血管数字模型上选取的肿瘤位置；

将所述肿瘤孔洞上的每个顶点作为经度采样点，对以P_C为圆心，从P_t到每个经度采样点之间形成的圆弧上进行采样，将采样得到的点作为纬度采样点，将相邻两条圆弧上的纬度采样点进行组合，形成三角形面片，组成肿瘤网格。

本发明实施例不需要获取实际病例的扫描图像，就可以对现有的血管数字模型在任何位置添加肿瘤病变，并且操作步骤简单，容易上手，通过本发明实施例对血管数字模型进行肿瘤病变编辑，可以极大的丰富虚拟手术领域可采用的病例模型。

附图说明

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，显而易见地，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。在附图中：

图1为本发明实施例中血管数字模型的肿瘤病变编辑方法的流程图；

图2为本发明实施例中肿瘤与血管相交的具体实例图；

图3为本发明实施例中三角形面片与虚拟球体碰撞的不同情况示例图；

图4为本发明实施例中肿瘤孔洞的示例图；

图5为本发明实施例中肿瘤网格生成的示意图；

图6为本发明实施例中血管数字模型的肿瘤病变编辑装置的示意图；

图7为本发明实施例中实验的肿瘤生成前后模型对比图；

图8为本发明实施例中实验的不同采样参数生成的肿瘤对比图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

为了丰富虚拟手术领域可采用的病例模型并且使操作简单、容易上手，本发明实施例提供一种血管数字模型的肿瘤病变编辑方法，如图1所示，该方法可以包括：

步骤101、确定在血管数字模型上选取的肿瘤位置；

步骤102、以在血管数字模型上选取的肿瘤位置为球心，以肿瘤与血管数字模型相交处的洞的半径为半径，生成一虚拟球体；

步骤103、用虚拟球体与血管数字模型进行碰撞检测，获得所有与虚拟球体相交的三角形面片；

步骤104、用虚拟球体对所有与虚拟球体相交的三角形面片进行切割，获得一肿瘤孔洞；

步骤105、根据肿瘤的半径和肿瘤孔洞上的顶点信息，进行经度和纬度上的采样，生成由三角形面片组成的肿瘤网格。

由图1所示流程可以得知，本发明实施例提供了在虚拟手术领域中，针对血管数字模型的一种肿瘤病变的编辑方法，该方法可以对现有的血管数字模型在任何位置添加肿瘤病变，并且该方法的操作步骤简单，容易上手，通过该方法对血管数字模型进行编辑，可以极大的丰富虚拟手术领域可采用的病例模型库。本发明实施例的血管数字模型的肿瘤病变编辑方法可以适用于心脑血管介入等手术的模拟。

该方法主要分为三个阶段：肿瘤位置选取、肿瘤孔洞切割和肿瘤网格生成。首先，在肿瘤位置选取阶段，可以通过鼠标点选的方式，在健康的血管上选取即将长出肿瘤的位置。接下来，在肿瘤孔洞切割阶段，以鼠标选取的点为球心，以肿瘤与血管相交处的洞的半径为半径，生成一个虚拟球体，用该虚拟球体与血管数字模型进行碰撞检测，获得所有与该虚拟球体相交的三角形面片的信息。然后，用该虚拟球体对上面所获得的三角形面片进行切割，获得边界较为平滑的肿瘤孔洞。最后，在肿瘤网格生成阶段，根据肿瘤的半径和孔洞上的顶点信息，进行经度和纬度上的采样，生成由三角形面片组成的肿瘤网格。

具体实施时，需要先确定在血管数字模型上选取的肿瘤病变位置，例如可以包括：获取用户在血管数字模型上选取的肿瘤病变位置的屏幕坐标；将该屏幕坐标经由屏幕坐标系，裁剪坐标系，相机坐标系到模型坐标系的矩阵变换，获得在血管数字模型上选取的肿瘤病变位置。其中，屏幕坐标系是指用户所操作的终端设备屏幕上的坐标系，例如800×600分辨率的显示器，选取屏幕正中间的位置，获得的屏幕坐标系为(400，300)。裁剪坐标系、相机坐标系以及模型坐标系都是计算机图形学中的概念。三维模型通过GPU(GraphicsProcessing Unit，图形处理器)渲染到屏幕上需要经过一系列坐标变换，从模型坐标系一步一步变换到屏幕坐标系的过程，模型在CAD软件中编辑时所在的坐标系为“模型坐标系”，即最初将模型文件读取进来的时候得到的顶点位置都是在“模型坐标系”中。要将虚拟的物体渲染到屏幕上，需要一个“虚拟的相机”进行取景，以这个“虚拟相机”为原点建立的坐标系是“相机坐标系”。“裁剪坐标系”是另外一个中间坐标系，GPU硬件在该坐标系中将屏幕上不显示的内容剔除掉。

用户可以通过鼠标点选的方式，在健康的血管上选取即将长出肿瘤的位置。但鼠标点选的方式仅为选取肿瘤病变位置的一实例，实际执行时可以选择其它的方式来选取肿瘤病变位置，例如可以通过触屏、键盘按键等方式进行选取。出于操作简洁性的考虑，在一实施例中，可以采用鼠标左键单击选取的方式来生成肿瘤位置，当鼠标左键单击时，获得鼠标单击位置的屏幕坐标，通过经由屏幕坐标系，裁剪坐标系，相机坐标系到模型坐标系的矩阵变换，可以得到所选取的位置对应于血管模型上的位置P_A，该位置即为肿瘤的生成位置。

接下来是肿瘤孔洞切割，旨在生成边界相对圆滑的孔洞，以便后续在此孔洞上生成肿瘤模型。实施时先以在血管数字模型上选取的肿瘤位置为球心，以肿瘤与血管数字模型相交处的洞的半径为半径，生成一虚拟球体。

实施例中先需要确定肿瘤的半径R及其与血管的相交程度μ，由这两个因素计算得到血管瘤与血管接合处的半径r，再以点P_A为球心，以r为半径，生成虚拟球体。实施时可以控制肿瘤的内径以及与血管的接合程度。

具体的，可以按如下公式确定肿瘤与血管数字模型相交处的洞的半径：

其中，r为肿瘤与血管数字模型相交处的洞的半径；R为肿瘤的半径；μ为肿瘤与血管数字模型的相交程度。

图2为本发明实施例中肿瘤与血管相交的具体实例图。如图2所示，在肿瘤与血管数字模型相交处的洞的半径r相同的情况下，相交程度μ越小，肿瘤突出血管的比例就越大，表明病变程度越严重；反之，肿瘤突出血管的比例就越小，病变程度越轻微。

在生成虚拟球体后，用该虚拟球体与血管数字模型进行碰撞检测，获得所有与该虚拟球体相交的三角形面片。具体的，可以将虚拟球体与血管进行碰撞检测，获得所有与该球体相交的三角形面片信息，这些三角形面片的集合成为S。

接下来，需要对S中的三角形面片进行进一步的切割处理，以获取边缘平滑的肿瘤孔洞。具体的，可以用虚拟球体对所有与该虚拟球体相交的三角形面片进行切割，获得肿瘤孔洞。实施例中，用虚拟球体对所有三角形面片进行切割，获得一肿瘤孔洞，可以包括：根据三角形面片的顶点在虚拟球体内外的个数，确定三角形面片与虚拟球体的碰撞情况；根据三角形面片与虚拟球体的碰撞情况，用虚拟球体对所有三角形面片进行切割；在切割获得的三角形面片中，删除在虚拟球体内部的三角形面片，保留在虚拟球体外部的三角形面片，获得肿瘤孔洞。

S中的每个三角形面片都与虚拟球体有不同的碰撞情况，按照三角形面片顶点在虚拟球体内外的个数，可以将S中的三角形面片进行碰撞情况分类。图3为本发明实施例中三角形面片与虚拟球体碰撞的不同情况示例图。如图3所示，本例中包括(a)、(b)、(c)、(d)、(e)和(f)共六种不同的碰撞情况。表1给出了本例中三角形面片与球体碰撞情况分析：

表1

对于每种不同的碰撞情况，三角形面片切割的结果也各不相同。例如，对碰撞情况(a)对应的三角形面片进行切割时，有2个新顶点产生，对应地，原三角形面片***成3个小的三角形面片；对碰撞情况(b)对应的三角形面片进行切割时，有4个新顶点产生，对应地，原三角形面片***成5个小的三角形面片。如果三个顶点全部都在虚拟球体内，无需细分。

对S中的每个三角形面片都进行上述处理之后，得到的新的三角形面片集合T。对T中的每个三角形面片，如果在虚拟球体内部，则该三角形面片位于肿瘤与血管接合的孔洞内，需要删除；对应地，如果三角形面片在虚拟球体外部，说明该三角形面片不属于孔洞，需要保留。处理过后，将会得到如图4所示的切割之后的肿瘤孔洞。图4中的孔洞为肿瘤与血管接合处形成的孔洞，其边界为上述***过后的三角形面片的边组成。

至此，在健康的血管模型上生成了一个边界相对光滑的孔洞，在这个过程中获取了组成该孔洞边界的顶点信息。

由于上述处理过程中对S中的三角形面片处理顺序的随机性，得到的孔洞边界上的顶点顺序也是随机的。为了方便第三阶段肿瘤网格生成，可以将这些顶点按照顺时针(或者逆时针)的顺序进行排序。即在实施例中，在用虚拟球体对所有与虚拟球体相交的三角形面片进行切割，获得一肿瘤孔洞之后，还可以包括：将肿瘤孔洞上的顶点按照顺时针或逆时针的顺序进行排序。后续在根据肿瘤的半径和肿瘤孔洞上的顶点信息，进行经度和纬度上的采样，生成由三角形面片组成的肿瘤网格时，可以将排序后的肿瘤孔洞上的顶点首尾相连，组成肿瘤与血管数字模型相交处的洞的边界。

实施例中，将肿瘤孔洞上的顶点按照顺时针或逆时针的顺序进行排序，可以包括：

选取肿瘤孔洞边界处任意一顶点为起始点S₀，找到以S₀为端点的一条边E₀(共有两条边以S₀为端点，取任意一条即可)；

找到边E_i上除了S_i之外的另一个顶点并作为起始点S_i+1，寻找包含S_i+1但不包含上一个起始点S_i的边E_i+1；i＝0,1,2…；重复进行此步骤，直至S_i+1与S₀为同一个顶点为止。

经过上述步骤，可获得孔洞边界上按顺时针(或者逆时针)顺序排列的一组顶点P。

实施例中，根据肿瘤的半径和肿瘤孔洞上的顶点信息，进行经度和纬度上的采样，生成由三角形面片组成的肿瘤网格，可以包括：

对所有与虚拟球体相交的三角形面片的法向量求平均(即对集合S中的所有面的法向量求平均)，获得肿瘤的生长方向D_t；

根据D_t、肿瘤的半径R和肿瘤与血管数字模型的相交程度μ，按如下公式计算肿瘤的中心及最高点的位置：

P_C＝P_A+R(1-2μ)D_t；

P_t＝P_C+RD_t；

其中，R为肿瘤的半径；μ为肿瘤与血管数字模型的相交程度；P_C为肿瘤的中心的位置；P_t为肿瘤的最高点的位置；P_A为在血管数字模型上选取的肿瘤位置；

将肿瘤孔洞上的每个顶点(集合P中的每个顶点)作为经度采样点，以P_C为圆心，从P_t到每个经度采样点之间形成了一段圆弧，对以P_C为圆心，从P_t到每个经度采样点之间形成的圆弧上进行采样，将采样得到的点作为纬度采样点，将相邻两条圆弧上的纬度采样点进行组合，形成三角形面片，组成肿瘤网格。图5为本发明实施例中肿瘤网格生成的示意图，图5中示出了经度采样点和纬度采样点。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种血管数字模型的肿瘤病变编辑装置，如下面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与血管数字模型的肿瘤病变编辑方法相似，因此该装置的实施可以参见血管数字模型的肿瘤病变编辑方法的实施，重复之处不再赘述。

图6为本发明实施例中血管数字模型的肿瘤病变编辑装置的示意图。如图6所示，该装置可以包括：

位置确定模块601，用于确定在血管数字模型上选取的肿瘤位置；

球体生成模块602，用于以在血管数字模型上选取的肿瘤位置为球心，以肿瘤与血管数字模型相交处的洞的半径为半径，生成一虚拟球体；

碰撞检测模块603，用于用虚拟球体与血管数字模型进行碰撞检测，获得所有与虚拟球体相交的三角形面片；

孔洞获得模块604，用于用虚拟球体对所有与虚拟球体相交的三角形面片进行切割，获得一肿瘤孔洞；

网格生成模块605，用于根据肿瘤的半径和肿瘤孔洞上的顶点信息，进行经度和纬度上的采样，生成由三角形面片组成的肿瘤网格。

具体实施时，位置确定模块601具体可以用于：

获取用户在血管数字模型上选取的肿瘤病变位置的屏幕坐标；

将屏幕坐标经由屏幕坐标系，裁剪坐标系，相机坐标系到模型坐标系的矩阵变换，获得在血管数字模型上选取的肿瘤病变位置。

具体实施时，球体生成模块602具体可以用于：

按如下公式确定肿瘤与血管数字模型相交处的洞的半径：

其中，r为肿瘤与血管数字模型相交处的洞的半径；R为肿瘤的半径；μ为肿瘤与血管数字模型的相交程度。

具体实施时，孔洞获得模块604具体可以用于：

根据三角形面片的顶点在虚拟球体内外的个数，确定三角形面片与虚拟球体的碰撞情况；

根据三角形面片与虚拟球体的碰撞情况，用虚拟球体对所有三角形面片进行切割；

在切割获得的三角形面片中，删除在虚拟球体内部的三角形面片，保留在虚拟球体外部的三角形面片，获得肿瘤孔洞。

具体实施时，孔洞获得模块604还可以用于：

将肿瘤孔洞上的顶点按照顺时针或逆时针的顺序进行排序；

网格生成模块605具体可以用于：

将排序后的肿瘤孔洞上的顶点首尾相连，组成肿瘤与血管数字模型相交处的洞的边界。

具体实施时，孔洞获得模块604具体可以用于：

选取肿瘤孔洞边界处任意一顶点为起始点S₀，找到以S₀为端点的一条边E₀；

找到边E_i上除了S_i之外的另一个顶点并作为起始点S_i+1，寻找包含S_i+1但不包含上一个起始点S_i的边E_i+1；i＝0,1,2…；重复进行此步骤，直至S_i+1与S₀为同一个顶点为止。

具体实施时，网格生成模块605具体可以用于：

对所有与虚拟球体相交的三角形面片的法向量求平均，获得肿瘤的生长方向D_t；

按如下公式计算肿瘤的中心及最高点的位置：

P_C＝P_A+R(1-2μ)D_t；

P_t＝P_C+RD_t；

其中，R为肿瘤的半径；μ为肿瘤与血管数字模型的相交程度；P_C为肿瘤的中心的位置；P_t为肿瘤的最高点的位置；P_A为在血管数字模型上选取的肿瘤位置；

将肿瘤孔洞上的每个顶点作为经度采样点，对以P_C为圆心，从P_t到每个经度采样点之间形成的圆弧上进行采样，将采样得到的点作为纬度采样点，将相邻两条圆弧上的纬度采样点进行组合，形成三角形面片，组成肿瘤网格。

本发明实施例在心脑血管介入手术模拟训练***上进行了实验。实验条件如下：CPU：Xeon E5-2630 v2 2.60GHz 6核心；内存：32G；显卡：Nvidia Quadro K4000(3G显存)；显示器画面分辨率：1920×1080。图7为本发明实施例中实验的肿瘤生成前后模型对比图，如图7所示，本发明实施例可以在血管的任意位置生成病变程度不同的血管瘤，且病变血管瘤与健康部分的过渡相对平滑，不突兀。图8为本发明实施例中实验的不同采样参数生成的肿瘤对比图，如图8所示，通过控制经度和纬度采样点的数量，可以生成不同精细度的肿瘤模型。

综上所述，本发明实施例不需要获取实际病例的扫描图像，突破了临床数据来源限制，可以对现有的血管数字模型在任何位置添加肿瘤病变，获得自定义地，个性化的病变数据；并且可以参数化病变位置及病变程度，操作步骤简单，容易上手，学习成本低；通过本发明实施例对血管数字模型进行肿瘤病变编辑，可以极大的丰富虚拟手术领域可采用的病例模型。

本发明实施例中的孔洞切割可用于管状物体与其他物体的合并，以及具有环状接合部的模型在母模型上的动态生成及编辑。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种血管数字模型的肿瘤病变编辑方法，其特征在于，包括：

确定在血管数字模型上选取的肿瘤位置；

以在血管数字模型上选取的肿瘤位置为球心，以肿瘤与血管数字模型相交处的洞的半径为半径，生成一虚拟球体；

用所述虚拟球体与血管数字模型进行碰撞检测，获得所有与所述虚拟球体相交的三角形面片；

用所述虚拟球体对所有与所述虚拟球体相交的三角形面片进行切割，获得一肿瘤孔洞；

根据肿瘤的半径和所述肿瘤孔洞上的顶点信息，进行经度和纬度上的采样，生成由三角形面片组成的肿瘤网格。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定在血管数字模型上选取的肿瘤病变位置，包括：

获取用户在血管数字模型上选取的肿瘤病变位置的屏幕坐标；

将所述屏幕坐标经由屏幕坐标系，裁剪坐标系，相机坐标系到模型坐标系的矩阵变换，获得在血管数字模型上选取的肿瘤病变位置。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以在血管数字模型上选取的肿瘤位置为球心，以肿瘤与血管数字模型相交处的洞的半径为半径，生成一虚拟球体，包括：

按如下公式确定肿瘤与血管数字模型相交处的洞的半径：

其中，r为肿瘤与血管数字模型相交处的洞的半径；R为肿瘤的半径；μ为肿瘤与血管数字模型的相交程度。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用所述虚拟球体对所有三角形面片进行切割，获得一肿瘤孔洞，包括：

根据三角形面片的顶点在所述虚拟球体内外的个数，确定三角形面片与所述虚拟球体的碰撞情况；

根据三角形面片与所述虚拟球体的碰撞情况，用所述虚拟球体对所有三角形面片进行切割；

在切割获得的三角形面片中，删除在所述虚拟球体内部的三角形面片，保留在所述虚拟球体外部的三角形面片，获得所述肿瘤孔洞。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用所述虚拟球体对所有与所述虚拟球体相交的三角形面片进行切割，获得一肿瘤孔洞之后，还包括：

将所述肿瘤孔洞上的顶点按照顺时针或逆时针的顺序进行排序；

所述根据肿瘤的半径和所述肿瘤孔洞上的顶点信息，进行经度和纬度上的采样，生成由三角形面片组成的肿瘤网格，包括：

将排序后的所述肿瘤孔洞上的顶点首尾相连，组成肿瘤与血管数字模型相交处的洞的边界。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，将所述肿瘤孔洞上的顶点按照顺时针或逆时针的顺序进行排序，包括：

步骤1：选取所述肿瘤孔洞边界处任意一顶点为起始点S₀，找到以S₀为端点的一条边E₀；

步骤2：找到边E_i上除了S_i之外的另一个顶点并作为起始点S_i+1，寻找包含S_i+1但不包含上一个起始点S_i的边E_i+1；i＝0,1,2…；

重复进行步骤2，直至S_i+1与S₀为同一个顶点为止。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据肿瘤的半径和所述肿瘤孔洞上的顶点信息，进行经度和纬度上的采样，生成由三角形面片组成的肿瘤网格，包括：

对所有与所述虚拟球体相交的三角形面片的法向量求平均，获得肿瘤的生长方向D_t；

按如下公式计算肿瘤的中心及最高点的位置：

P_C＝P_A+R(1-2μ)D_t；

P_t＝P_C+RD_t；

其中，R为肿瘤的半径；μ为肿瘤与血管数字模型的相交程度；P_C为肿瘤的中心的位置；P_t为肿瘤的最高点的位置；P_A为在血管数字模型上选取的肿瘤位置；

将所述肿瘤孔洞上的每个顶点作为经度采样点，对以P_C为圆心，从P_t到每个经度采样点之间形成的圆弧上进行采样，将采样得到的点作为纬度采样点，将相邻两条圆弧上的纬度采样点进行组合，形成三角形面片，组成肿瘤网格。

8.一种血管数字模型的肿瘤病变编辑装置，其特征在于，包括：

位置确定模块，用于确定在血管数字模型上选取的肿瘤位置；

球体生成模块，用于以在血管数字模型上选取的肿瘤位置为球心，以肿瘤与血管数字模型相交处的洞的半径为半径，生成一虚拟球体；

碰撞检测模块，用于用所述虚拟球体与血管数字模型进行碰撞检测，获得所有与所述虚拟球体相交的三角形面片；

孔洞获得模块，用于用所述虚拟球体对所有与所述虚拟球体相交的三角形面片进行切割，获得一肿瘤孔洞；

网格生成模块，用于根据肿瘤的半径和所述肿瘤孔洞上的顶点信息，进行经度和纬度上的采样，生成由三角形面片组成的肿瘤网格。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述位置确定模块具体用于：

获取用户在血管数字模型上选取的肿瘤病变位置的屏幕坐标；

将所述屏幕坐标经由屏幕坐标系，裁剪坐标系，相机坐标系到模型坐标系的矩阵变换，获得在血管数字模型上选取的肿瘤病变位置。

10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述球体生成模块具体用于：

按如下公式确定肿瘤与血管数字模型相交处的洞的半径：

其中，r为肿瘤与血管数字模型相交处的洞的半径；R为肿瘤的半径；μ为肿瘤与血管数字模型的相交程度。

11.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述孔洞获得模块具体用于：

根据三角形面片的顶点在所述虚拟球体内外的个数，确定三角形面片与所述虚拟球体的碰撞情况；

根据三角形面片与所述虚拟球体的碰撞情况，用所述虚拟球体对所有三角形面片进行切割；

在切割获得的三角形面片中，删除在所述虚拟球体内部的三角形面片，保留在所述虚拟球体外部的三角形面片，获得所述肿瘤孔洞。

12.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述孔洞获得模块还用于：

将所述肿瘤孔洞上的顶点按照顺时针或逆时针的顺序进行排序；

所述网格生成模块具体用于：

将排序后的所述肿瘤孔洞上的顶点首尾相连，组成肿瘤与血管数字模型相交处的洞的边界。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述孔洞获得模块具体用于：

步骤1：选取所述肿瘤孔洞边界处任意一顶点为起始点S₀，找到以S₀为端点的一条边E₀；

步骤2：找到边E_i上除了S_i之外的另一个顶点并作为起始点S_i+1，寻找包含S_i+1但不包含上一个起始点S_i的边E_i+1；i＝0,1,2…；

重复进行步骤2，直至S_i+1与S₀为同一个顶点为止。

14.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述网格生成模块具体用于：

对所有与所述虚拟球体相交的三角形面片的法向量求平均，获得肿瘤的生长方向D_t；

按如下公式计算肿瘤的中心及最高点的位置：

P_C＝P_A+R(1-2μ)D_t；

P_t＝P_C+RD_t；

其中，R为肿瘤的半径；μ为肿瘤与血管数字模型的相交程度；P_C为肿瘤的中心的位置；P_t为肿瘤的最高点的位置；P_A为在血管数字模型上选取的肿瘤位置；

将所述肿瘤孔洞上的每个顶点作为经度采样点，对以P_C为圆心，从P_t到每个经度采样点之间形成的圆弧上进行采样，将采样得到的点作为纬度采样点，将相邻两条圆弧上的纬度采样点进行组合，形成三角形面片，组成肿瘤网格。