本發(fā)明屬于心臟外科臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種心臟模型對結(jié)構(gòu)性心臟病手術(shù)進(jìn)行模擬與評估的方法。
背景技術(shù)：
近年來3d打印技術(shù)在結(jié)構(gòu)性心臟病領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用，國外已有大量有關(guān)3d打印技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)性心臟病的診斷和治療實例，相比于傳統(tǒng)的影像診斷方法，3d打印心臟模型能夠更直觀地顯示解剖結(jié)構(gòu)，基于患者本人的3d打印心臟模型供醫(yī)生術(shù)前參考、研究，那么就可以有很清晰的解剖認(rèn)識，外科醫(yī)生還可以在心臟模型上面進(jìn)行模擬手術(shù)，根據(jù)模擬手術(shù)的效果制定出合適的手術(shù)方案。
當(dāng)前影像技術(shù)難以為外科醫(yī)生提供精準(zhǔn)心血管解剖及3d血流動力學(xué)信息的問題，以往外科醫(yī)生根據(jù)當(dāng)前影像資料下判斷缺乏準(zhǔn)確立體結(jié)構(gòu)的缺點，要進(jìn)行診斷不明的探查性手術(shù)，或者會出現(xiàn)術(shù)中所見與術(shù)前判斷不符所致的手術(shù)方案變更甚至無法手術(shù)的情況。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種心臟模型對結(jié)構(gòu)性心臟病手術(shù)進(jìn)行模擬與評估的方法，旨在提高結(jié)構(gòu)性心臟病的診斷效果和手術(shù)成功率，降低手術(shù)風(fēng)險，結(jié)合數(shù)字化病例庫及3d打印技術(shù)，建立病例模型庫，彌補(bǔ)醫(yī)學(xué)院校結(jié)構(gòu)性心臟病實體標(biāo)本匱乏的現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上配套術(shù)前手術(shù)方案設(shè)計、模擬手術(shù)操作及效果評估平臺，將該技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)生培訓(xùn)、教學(xué)方面，并通過個體標(biāo)本打印，應(yīng)用于健康教育及醫(yī)患溝通。
本發(fā)明所述的一種心臟模型對結(jié)構(gòu)性心臟病手術(shù)進(jìn)行模擬與評估的方法，其步驟為：
步驟1、運(yùn)用醫(yī)療檢測儀器采集結(jié)構(gòu)性心臟病患者的ct影像數(shù)據(jù)，保存為dicom格式；
步驟2、將步驟1中得到的患者的ct影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入到mimics軟件中識別并保存，生成計算機(jī)識別的.mcs文件；
步驟3、在mimics中提取出心臟組織的數(shù)據(jù)，建立心臟的三維數(shù)字模型，并將其轉(zhuǎn)化成3d打印系統(tǒng)可識別的stl格式文件；
步驟4、將步驟3處理好的文件導(dǎo)入光固化打印機(jī)sla中，同時在打印材料中加入造影劑，打印出心臟3d模型；
步驟5、心臟外科手術(shù)醫(yī)生基于步驟4生成的心臟3d模型進(jìn)行手術(shù)方案的設(shè)計論證；
步驟6、根據(jù)步驟5中論證過的手術(shù)方案進(jìn)行實際的模擬手術(shù)，將植入體或者修補(bǔ)體按照預(yù)手術(shù)方案中的操作路徑和步驟，精確實施模擬手術(shù)；
步驟7、對步驟6中模擬手術(shù)后的心臟模型進(jìn)行ct掃描，得到心臟模型的ct影像數(shù)據(jù)；
步驟8、將步驟7中得到的影像數(shù)據(jù)輸入到專業(yè)的軟件中進(jìn)行血流動力學(xué)仿真模擬；
步驟9、根據(jù)步驟8中的血流動力學(xué)仿真模擬數(shù)據(jù)對模擬手術(shù)效果和可行性進(jìn)行評估，優(yōu)化手術(shù)方案。
進(jìn)一步地，所述步驟1具體包括：
提取患者醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)采用增強(qiáng)ct掃描，從靜脈注入含碘造影劑，同時對患者心臟進(jìn)行ct薄層掃描，獲得更好的患者醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，同時將患者的數(shù)據(jù)保存為dicom格式。
進(jìn)一步地，所述步驟2中，所述識別過程是通過mimics軟件從所收集的帶有完整的胸部醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的ct影像數(shù)據(jù)中將心臟的數(shù)據(jù)提取出來，其他部位要通過mimics軟件進(jìn)行去除。
進(jìn)一步地，步驟3中，所述建立心臟的三維數(shù)字模型的步驟具體包括：
步驟31、點擊mimics軟件中的drawprofileline指令跨過心臟畫一條剖面線，并以此為基礎(chǔ)定義閾值范圍；
步驟32、點擊startthresholding調(diào)節(jié)閾值的范圍，觀察覆蓋的情況以確定選取了整個心臟組織；
步驟33、使用cropmask將分割的區(qū)域限制在心臟組織周圍；
步驟34、利用區(qū)域生長（regiongrowing）和動態(tài)區(qū)域生長（dynamicregiongrowing）的方法將離散的體素從心臟組織去除，用手動編輯（edit）的方法去除心臟組織以外的部分，完成心臟組織的提??；
步驟35、用calculate3d工具生成3d數(shù)字模型，使用smoothing工具對模型進(jìn)行光滑處理，形成stl格式的文件。
進(jìn)一步地，所述步驟4采用polyjet3d打印技術(shù)，所用的造影劑不與光敏樹脂反應(yīng)，同時將兩者進(jìn)行充分的混合，所述打印材料是tangoplus光敏樹脂材料，按照比例為1：1進(jìn)行打印。
進(jìn)一步地，所述打印的心臟3d模型全方位的展示病變的視角及其與周邊組織的關(guān)系。
進(jìn)一步地，所述步驟7具體是先將實施完模擬手術(shù)后的心臟模型縫合好，放入ct掃描儀中進(jìn)行掃描，將掃描得到的ct影像數(shù)據(jù)保存為dicom格式的文件。
進(jìn)一步地，所述步驟8具體包括步驟：
步驟81、將模擬手術(shù)后的心臟模型掃描后的ct數(shù)據(jù)輸入到mimics中進(jìn)行心臟模型的三維重建，并且對模型表面進(jìn)行面網(wǎng)格劃分，同時將模塊數(shù)據(jù)保存為stl格式；
步驟82、將步驟81中的stl文件輸入到icemcfd網(wǎng)格劃分軟件中將mimics中的面網(wǎng)格劃分轉(zhuǎn)化成體網(wǎng)格劃分；
步驟83、在基于有限體積法仿真的軟件cfx中設(shè)置瞬態(tài)分析的模擬類型、建立一個層流模型的求解域、設(shè)置好邊界條件、建立求解控制；
步驟84、對已經(jīng)設(shè)置好的模型根在cfx求解器進(jìn)行數(shù)值求解，包括血管內(nèi)壓力、剪切應(yīng)力、流速的數(shù)值求解；
步驟85、運(yùn)用合適的可視化技術(shù)將變量顯示出來。
相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明借助3d打印技術(shù)和計算機(jī)仿真模擬，醫(yī)生得以直觀的觀察患者的心臟解剖結(jié)構(gòu)，確定適合的手術(shù)方案，根據(jù)手術(shù)方案可以在實體的心臟模型上面進(jìn)行模擬手術(shù)，同時根據(jù)血流動力學(xué)仿真模擬的數(shù)據(jù)對模擬手術(shù)的效果進(jìn)行評估，優(yōu)化手術(shù)方案，為實際的手術(shù)找到一條最佳的途徑，大大降低了手術(shù)的風(fēng)險，增進(jìn)了醫(yī)患之間的溝通，還未臨床培訓(xùn)教學(xué)帶來了便利，為醫(yī)學(xué)生的實踐提供了一種簡潔有效的培訓(xùn)手段，提高實踐教學(xué)的質(zhì)量。
具體實施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白,現(xiàn)對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)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。
一種心臟模型對結(jié)構(gòu)性心臟病手術(shù)進(jìn)行模擬與評估的方法，其步驟為：
步驟1、運(yùn)用醫(yī)療檢測儀器采集結(jié)構(gòu)性心臟病患者的ct影像數(shù)據(jù)，保存為dicom格式；
步驟2、將步驟1中得到的患者的ct影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入到mimics軟件中識別并保存，生成計算機(jī)識別的.mcs文件；
步驟3、在mimics中提取出心臟組織的數(shù)據(jù)，建立心臟的三維數(shù)字模型，并將其轉(zhuǎn)化成3d打印系統(tǒng)可識別的stl格式文件；
步驟4、將步驟3處理好的文件導(dǎo)入光固化打印機(jī)sla中，同時在打印材料中加入造影劑，打印出心臟3d模型；
步驟5、心臟外科手術(shù)醫(yī)生基于步驟4生成的心臟3d模型進(jìn)行手術(shù)方案的設(shè)計論證；
步驟6、根據(jù)步驟5中論證過的手術(shù)方案進(jìn)行實際的模擬手術(shù)，將植入體或者修補(bǔ)體按照預(yù)手術(shù)方案中的操作路徑和步驟，精確實施模擬手術(shù)；
步驟7、對步驟6中模擬手術(shù)后的心臟模型進(jìn)行ct掃描，得到心臟模型的ct影像數(shù)據(jù)；
步驟8、將步驟7中得到的影像數(shù)據(jù)輸入到專業(yè)的軟件中進(jìn)行血流動力學(xué)仿真模擬；
步驟9、根據(jù)步驟8中的血流動力學(xué)仿真模擬數(shù)據(jù)對模擬手術(shù)效果和可行性進(jìn)行評估，優(yōu)化手術(shù)方案。
具體而言，所述步驟1具體包括：
提取患者醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)采用增強(qiáng)ct掃描，從靜脈注入含碘造影劑，同時對患者心臟進(jìn)行ct薄層掃描，獲得更好的患者醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，同時將患者的數(shù)據(jù)保存為dicom格式。
具體而言，所述步驟2中，所述識別過程是通過mimics軟件從所收集的帶有完整的胸部醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的ct影像數(shù)據(jù)中將心臟的數(shù)據(jù)提取出來，其他部位要通過mimics軟件進(jìn)行去除。
具體而言，步驟3中，所述建立心臟的三維數(shù)字模型的步驟具體包括：
步驟31、點擊mimics軟件中的drawprofileline指令跨過心臟畫一條剖面線，并以此為基礎(chǔ)定義閾值范圍；
步驟32、點擊startthresholding調(diào)節(jié)閾值的范圍，觀察覆蓋的情況以確定選取了整個心臟組織；
步驟33、使用cropmask將分割的區(qū)域限制在心臟組織周圍；
步驟34、利用區(qū)域生長（regiongrowing）和動態(tài)區(qū)域生長（dynamicregiongrowing）的方法將離散的體素從心臟組織去除，用手動編輯（edit）的方法去除心臟組織以外的部分，完成心臟組織的提取；
步驟35、用calculate3d工具生成3d數(shù)字模型，使用smoothing工具對模型進(jìn)行光滑處理，形成stl格式的文件。
具體而言，所述步驟4采用polyjet3d打印技術(shù)，所用的造影劑不與光敏樹脂反應(yīng)，同時將兩者進(jìn)行充分的混合，所述打印材料是tangoplus光敏樹脂材料，按照比例為1：1進(jìn)行打印。
具體而言，所述打印的心臟3d模型全方位的展示病變的視角及其與周邊組織的關(guān)系。
具體而言，所述步驟7具體是先將實施完模擬手術(shù)后的心臟模型縫合好，放入ct掃描儀中進(jìn)行掃描，將掃描得到的ct影像數(shù)據(jù)保存為dicom格式的文件。
具體而言，所述步驟8具體包括步驟：
步驟81、將模擬手術(shù)后的心臟模型掃描后的ct數(shù)據(jù)輸入到mimics中進(jìn)行心臟模型的三維重建，并且對模型表面進(jìn)行面網(wǎng)格劃分，同時將模塊數(shù)據(jù)保存為stl格式；
步驟82、將步驟81中的stl文件輸入到icemcfd網(wǎng)格劃分軟件中將mimics中的面網(wǎng)格劃分轉(zhuǎn)化成體網(wǎng)格劃分；
步驟83、在基于有限體積法仿真的軟件cfx中設(shè)置瞬態(tài)分析的模擬類型、建立一個層流模型的求解域、設(shè)置好邊界條件、建立求解控制；
步驟84、對已經(jīng)設(shè)置好的模型根在cfx求解器進(jìn)行數(shù)值求解，包括血管內(nèi)壓力、剪切應(yīng)力、流速的數(shù)值求解；
步驟85、運(yùn)用合適的可視化技術(shù)將變量顯示出來。
本發(fā)明采用icemcfd軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立幾何模型和選擇單元類型以后，就應(yīng)基于幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分網(wǎng)的工作量大，需要考慮的問題很多，網(wǎng)格劃分能力的高低是決定工作效率的主要因素之一，特別是對于復(fù)雜的問題，網(wǎng)格生成極為耗時且極易出錯，因此網(wǎng)格的質(zhì)量和形式將直接影響結(jié)果精度和速度，icemcfd有強(qiáng)大的幾何模型創(chuàng)建和修改的功能，可以輕易的檢測出修補(bǔ)幾何模型中存在的縫隙和漏洞，同時它可以自動忽略幾何模型中的缺陷及多余的細(xì)小特征，而且它可以自動進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，劃分的體網(wǎng)格更加的精確有效。
本發(fā)明選用的材料是tangoplus光敏樹脂材料，一種類橡膠半透明材料，為了讓外科醫(yī)生更好的進(jìn)行模擬手術(shù)，所選用的材料的力學(xué)性能要接近心臟的真實情況，tangoplus光敏樹脂材料具有良好的彈性和韌性，可以很好的進(jìn)行心臟模擬實驗,同時按照比例1：1進(jìn)行打印。
本發(fā)明血流動力學(xué)仿真技術(shù)中采用的可視化技術(shù)是用云圖的方式將變量顯示出來。
上述雖然對本發(fā)明的具體實施方式進(jìn)行了描述,但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性的勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。