一種臨床智能經(jīng)皮激光心肌血運(yùn)重建的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)信息技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種臨床智能經(jīng)皮激光心肌血運(yùn)重建的 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 冠狀動(dòng)脈性心臟病(Coronary heart disease)是中老年人群最常見的身體疾病 之一，又稱為冠心病。近50年來(lái)，冠心病在世界范圍內(nèi)發(fā)病率持續(xù)增高，成為主要的死亡原 因之一，并且發(fā)病人群有年輕化趨勢(shì)。80%的冠心病患者采用傳統(tǒng)的藥物治療、經(jīng)皮冠狀動(dòng) 脈腔內(nèi)血管成形術(shù)(PTCA)以及冠狀動(dòng)脈旁路移植術(shù)(CABG)等方式來(lái)緩解自身癥狀。但是對(duì) 于彌漫性冠脈病變、小血管病變、遠(yuǎn)端病變以及多次PTCA或CABG后的晚期復(fù)雜病例，以及術(shù) 后支架或血管再狹窄等病例，上述治療方法常常難以奏效，因此，如何對(duì)上述復(fù)雜病例進(jìn)行 有效的治療，成為醫(yī)學(xué)和病理學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。
[0003] 20世紀(jì)以來(lái)，激光科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，許多學(xué)者開始嘗試將激光技術(shù)應(yīng)用于臨床 醫(yī)學(xué)。1981年，Mirhoscini等將實(shí)驗(yàn)狗的冠狀動(dòng)脈結(jié)扎，然后利用二氧化碳激光在其左心室 腔和心肌間建立許多激光孔道，試圖使實(shí)驗(yàn)狗的心肌缺血區(qū)域恢復(fù)，最終實(shí)驗(yàn)狗的成活率 超過70%，而且在術(shù)后對(duì)一些存活的實(shí)驗(yàn)狗進(jìn)行解剖檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，建立的激光孔道通暢并 內(nèi)皮化。激光心肌血運(yùn)重建術(shù)分為心外膜照射與心內(nèi)膜照射。心外膜照射法又稱經(jīng)胸激光 血運(yùn)重建法(Trans myocardial Laser Revascularization，TMLR)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì) 激光孔道的定位準(zhǔn)確，不會(huì)對(duì)冠狀動(dòng)脈造成損傷，比較容易判斷激光孔道效果;但是它也有 自身的缺點(diǎn)，如由于需要打開胸腔，因此會(huì)對(duì)身體造成較大的損傷，而建立的貫穿性激光孔 道會(huì)導(dǎo)致出血較多。心內(nèi)膜照射法又稱經(jīng)皮激光血運(yùn)重建法(Percutaneous Myocardial Laser Re vascular izat ion，PMLR)，它是在心外膜照射法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新的冠 心病介入治療技術(shù)。與TMLR相比，PMLR不僅可以避免PTCA和CABG術(shù)后支架或血管再狹窄，還 具備不開胸、損傷小、恢復(fù)快、醫(yī)療花費(fèi)少等諸多優(yōu)點(diǎn)；但光纖導(dǎo)管定位不夠準(zhǔn)確是該技術(shù) 還需要進(jìn)一步提高的部分。
[0004] 目前較為理想的激光器類型是準(zhǔn)分子類的激光，如二氧化碳激光，Nd: YAG激光， H〇:YAG激光等。這種激光產(chǎn)生的熱量可以迅速被組織吸收，是組織溫度升高發(fā)生汽化，形成 表面較為光滑的激光孔道，且無(wú)炭化層及凝固性壞死。臨床常用的激光參數(shù)是每次2個(gè)脈 沖，每個(gè)脈沖激光輸出能量2J、功率3.5W，脈寬200us，激光孔道直徑約1.0mm，激光孔道深度 約5.0~6.0_，打孔數(shù)目取決于缺血心肌區(qū)域的面積，例如:對(duì)于左冠狀動(dòng)脈主干病變合并 左前降支慢性完全閉塞打孔20個(gè)左右。
[0005] 在國(guó)外，1965年Sen等就采用針刺法進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)狗的左心室腔和心肌間 建立許多孔道，并證實(shí)孔道對(duì)狗梗塞后的心肌具有保護(hù)作用，能有效的改善心肌的缺血狀 況。1990年1月，Crew等在全球第一次單獨(dú)采用高功率(800W)C0 2激光對(duì)1例83歲的高齡冠心 病患者在心臟跳動(dòng)情況下進(jìn)行了 PMLR手術(shù)，在手術(shù)過后，患者的心絞痛消失，心臟的其它功 能也得到明顯改善。美國(guó)的食品與藥品監(jiān)督管理局(FDA)于1990~1996年經(jīng)過多個(gè)研究中 心對(duì)高功率CO2激光TMLR長(zhǎng)達(dá)6年的觀察，最終批準(zhǔn)了TMLR的臨床應(yīng)用。我國(guó)緊隨世界TMLR 發(fā)展潮流，在20世紀(jì)末成功開展TMLR的臨床與基礎(chǔ)研究。安徽省立醫(yī)院與合工大，首都醫(yī)科 大學(xué)，第三軍醫(yī)大學(xué)西南醫(yī)院、北京301醫(yī)院和中山醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院等也對(duì)TMLR進(jìn)行 了一系列的臨床研究，都得到了較為理想的結(jié)果。
[0006] 在PMLR手術(shù)過程中，所建立的激光孔道的血液灌注能力將會(huì)直接影響手術(shù)的治療 效果，而在血液動(dòng)力學(xué)中，用單位時(shí)間內(nèi)流過激光孔道某一截面處的血流量來(lái)描述激光孔 道對(duì)缺血心肌組織的灌注能力。對(duì)于激光孔道的孔徑和孔道深度的影響因素有激光器的輸 出功率、激光束的光斑半徑和激光脈沖持續(xù)的時(shí)間等，另外，心肌組織自身的光學(xué)特性參 數(shù)、密度、汽化潛熱、比熱以及組織的熱擴(kuò)散率和熱導(dǎo)率等也對(duì)其有一定的影響。在實(shí)際過 程中，也有部分熱量會(huì)對(duì)組織造成熱損傷，熱損傷的程度將會(huì)直接影響到手術(shù)的效果。但目 前都是醫(yī)生依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判定，主觀性較強(qiáng)，結(jié)果比較保守。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種臨床智能經(jīng)皮激光心肌血運(yùn)重建的方法，能夠整體 優(yōu)化經(jīng)皮激光心肌血運(yùn)重建過程中打孔位置、數(shù)量、深度、孔徑以及能量，具有在滿足缺血 心肌灌注情況下，心肌打孔數(shù)目最少，均勻分布，且對(duì)激光打孔周圍心肌熱損傷最小的效 果。
[0008] 本發(fā)明的臨床智能經(jīng)皮激光心肌血運(yùn)重建的方法，包括如下步驟：
[0009] 第1步，確定心肌組織的缺血區(qū)域，根據(jù)臨床經(jīng)驗(yàn)評(píng)估所需要的總血流量范圍；
[0010] 第2步，根據(jù)心肌壁的厚度對(duì)心肌組織的缺血區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將一定厚度范圍 內(nèi)的心肌組織劃分在同一個(gè)網(wǎng)格中，并對(duì)所有網(wǎng)格進(jìn)行編號(hào);記錄各網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)心肌壁的 厚度范圍；
[0011] 第3步，針對(duì)每一個(gè)網(wǎng)格，首先從網(wǎng)格中心肌壁最厚部位打第1個(gè)激光孔道，其中， 在超聲心動(dòng)圖檢查舒張期心肌壁厚度<8mm處不打孔;初步確定激光的輸出功率P;
[0012] 第4步，針對(duì)當(dāng)前激光孔道i，根據(jù)公式(1)確定當(dāng)前激光孔道的打孔時(shí)間
[0013]
(1)
[0014] 其中，P為激光的輸出功率;to為從激光發(fā)射到心肌組織因激光作用開始發(fā)生汽化 所經(jīng)歷的時(shí)間；P為心肌組織的密度;q為心肌組織的汽化熱；c為心肌組織的比熱;λ為激光 波長(zhǎng) ;Zl為第i個(gè)激光孔道的深度，其中，激光孔道的剩余心肌壁厚度大于等于4mm; ?〇為21 =〇處的高斯光束的束腰半徑；
[0015] 第5步，利用步驟4確定的打孔時(shí)間。，采用公式(2)計(jì)算激光器的閾值功率Pc,1;
[0016]
(2)
[0017] 其中，k為熱擴(kuò)散率；
[0018] 將計(jì)算獲得的閾值功率Pc, i與激光輸出功率P進(jìn)行比較，如果P<PC, i，則調(diào)大激光 的輸出功率，重新計(jì)算打孔時(shí)間，直到P 2 P。, i，執(zhí)行第6步；
[0019] 第6步，根據(jù)第5步最終確定的激光輸出功率P和打孔時(shí)間ti，利用公式(3)確定當(dāng) 前激光孔道的孔徑CU;
[0020]
(3)
[0021] 其中，ya為心肌組織對(duì)激光的吸收系數(shù)；ω為高斯光束在心肌內(nèi)任一深度的束腰 半徑；
[0022] 如果Cl1位于設(shè)定的孔徑范圍內(nèi)，則執(zhí)行第7步，否則增加激光孔道的深度后、重新 計(jì)算打孔時(shí)間和閾值功率Pu，直到P 2匕^且心位于設(shè)定的孔徑范圍內(nèi)；如果激光孔道的深 度已經(jīng)達(dá)到最大值，即剩余心肌壁厚度為4_，則最大激光孔道深度為最終的激光孔道的深 度；
[0023] 第7步，根據(jù)公式(4)確定當(dāng)前激光孔道的灌注量Vi，
[0024]
⑷
[0025] 其中，Δρ為左室內(nèi)壓，η為血液粘滯度；
[0026] SV1在設(shè)定的單個(gè)激光孔道的灌注量范圍內(nèi)，則激光開始進(jìn)行打孔操作，否則放 棄打孔，重新選取激光輸出功率P后，返回第4步；
[0027] 第8步，將前i次打孔的累積灌注量V1,sum與缺血心肌所需總血流量的最大值咬進(jìn)行 比較，如果尺_(dá) <g，則按照第4步~第7步進(jìn)行下一次打孔，其中，下一個(gè)激光孔道的位置 為:與當(dāng)前激光孔道間隔Icm;當(dāng)，結(jié)束打孔。
[0028] 較優(yōu)的，網(wǎng)格劃分中，各網(wǎng)格中心設(shè)置在該網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)最大心肌壁厚度處。
[0029]進(jìn)一步地，網(wǎng)格劃分時(shí)，首先對(duì)缺血心肌進(jìn)行非統(tǒng)一有理B樣條曲面擬合，然后使 用映射方式對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選用混合型的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，對(duì)大形變心肌以六面體單 元為主;不規(guī)則區(qū)域心肌使用四面體網(wǎng)格優(yōu)化，最后將一定厚度范圍內(nèi)的心肌組織劃分在 同一個(gè)網(wǎng)格中。
[0030] 較優(yōu)的，第8步中，沿順時(shí)針方向打下一個(gè)激光孔道，直到所有網(wǎng)格內(nèi)的缺血心肌 打孔。
[0031] 有益效果：
[0032] 本發(fā)明方法，對(duì)比已有技術(shù)，能夠整體優(yōu)化經(jīng)皮激光心肌血運(yùn)重建過程中打孔位 置、數(shù)量、深度、孔徑、能量，具有在滿足缺血心肌灌注情況下，心肌打孔數(shù)目最少，均勻分 布，且對(duì)激光打孔周圍心肌熱損傷最小的效果。心肌表面打孔數(shù)目盡可能少，這意味著對(duì)心 肌的二次創(chuàng)傷會(huì)更小;打孔點(diǎn)在心肌表面分布均勻，保障微循環(huán)。
【附圖說明】
[0033]圖1為本發(fā)明流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0035]本發(fā)明提供了一種臨床智能經(jīng)皮激光心肌血運(yùn)重建的方法，具體包括如下步驟：
[0036]第1步，確定心肌組織的缺血范圍，評(píng)估所需要的總血流量。
[0037] 手術(shù)前通過血液動(dòng)力學(xué)檢測(cè)心臟左室內(nèi)壓△ p，血液流變學(xué)測(cè)量血液粘滯度n，正 電子發(fā)射斷層掃描檢測(cè)心肌缺血范圍，根據(jù)臨床經(jīng)驗(yàn)定量評(píng)估缺血心肌所需總血流量范圍
[,并根據(jù)臨床經(jīng)驗(yàn)設(shè)置單個(gè)激光孔道的灌注量范圍[Vsmin，Vsmax]，以及單個(gè)激光孔 道的孔徑沮圍[dmin，dmax ] O
[0038] 第2步，網(wǎng)格化心肌組織的缺血區(qū)域。
[0039] 通過三維動(dòng)態(tài)增強(qiáng)磁共振檢測(cè)心肌壁的厚度是否均勻。如果不是，根據(jù)心肌壁的 不同厚度采用有界元/有限元法分割為多個(gè)網(wǎng)格，然后依次對(duì)所有網(wǎng)格進(jìn)行編號(hào)1，2,…，N; 評(píng)估記錄各網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)心肌壁的厚度范圍其中，η)為第j個(gè)網(wǎng)格的最小心肌壁的 厚度，好?為第j個(gè)網(wǎng)格的最大心肌壁的厚度，j = 1，2，…，N。確定缺血心肌壁的最小厚度
當(dāng)心肌厚度分布均勻 時(shí)，將網(wǎng)格數(shù)看作是1。
[0040] 網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)缺血心肌進(jìn)行非統(tǒng)一有理B樣條(NURBS)曲面擬合，使用映射方式 對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選用混合型的網(wǎng)格結(jié)