對血管中血流進(jìn)行模擬的方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種對血管中血流進(jìn)行模擬的技術(shù)，特別是一種對血管中血流進(jìn)行模 擬的方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 冠狀動(dòng)脈血液循環(huán)給心臟，尤其是心肌提供氧和營養(yǎng)物質(zhì)以保持心臟功能。一些 動(dòng)脈疾病，諸如動(dòng)脈粥樣硬化，其發(fā)生和演變可以維持很長時(shí)間，而沒有臨床癥狀。對于大 多數(shù)人，當(dāng)粥樣硬化斑塊引起血管內(nèi)壁狹窄超過約60%時(shí)，在血液供應(yīng)需求增加的時(shí)候就 會(huì)出現(xiàn)缺血。
[0003] 如果動(dòng)脈粥樣硬化斑塊發(fā)生在冠狀動(dòng)脈，演化至后期引起的后果是心肌需氧大于 供氧。心肌供氧量和需氧量失衡時(shí)會(huì)出現(xiàn)心肌缺血伴收縮功能減退、心律失常甚至心肌梗 死、心臟病突發(fā)等?；颊邥?huì)感受到胸痛、慢性穩(wěn)定型心絞痛或不穩(wěn)定型心絞痛等等癥狀。
[0004] 因此，如果獲得心臟冠狀動(dòng)脈的血管血流的相關(guān)參數(shù)，可以給醫(yī)生提供參考，幫助 醫(yī)生獲得患者的相關(guān)血管的?目息。
[0005] 計(jì)算流體力學(xué)（CFD)方法已經(jīng)被證明能夠成功地應(yīng)用于心血管系統(tǒng)，包括評估健 康和有損傷的血管的狀態(tài)等。
[0006] 公告號為8, 311，748Β2的美國專利說明書（METHOD AND SYSTEM FOR PATIENT-SPECIFIC MODELING OF BLOOD FLOW)公開了一種結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)手段評估冠狀 動(dòng)脈血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)（FFR)值的方法，該發(fā)明所述為一種由患者CT數(shù)據(jù)重建其心臟冠脈三維 模型，然后確定邊界條件、進(jìn)行CFD計(jì)算、進(jìn)行結(jié)果后處理、提供診療建議方案的一套系統(tǒng) 和方法。但該方法的出口邊界條件和入口邊界條件參數(shù)多而復(fù)雜，難以確定具體數(shù)值，以致 前處理需要花費(fèi)大量時(shí)間；同時(shí)，由于該方法使用流固耦合，并且CFD計(jì)算與入口和出口邊 界條件相耦合，這樣致使CFD計(jì)算需要運(yùn)行多個(gè)周期才能使結(jié)果穩(wěn)定下來。為了得到精確 的結(jié)果需要消耗大量計(jì)算資源和計(jì)算時(shí)間，整個(gè)系統(tǒng)需要在大型計(jì)算機(jī)上完成。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 在下文中給出關(guān)于本發(fā)明的簡要概述，以便提供關(guān)于本發(fā)明的某些方面的基本理 解。應(yīng)當(dāng)理解，這個(gè)概述并不是關(guān)于本發(fā)明的窮舉性概述。它并不是意圖確定本發(fā)明的關(guān) 鍵或重要部分，也不是意圖限定本發(fā)明的范圍。其目的僅僅是以簡化的形式給出某些概念， 以此作為稍后論述的更詳細(xì)描述的前序。
[0008] 本發(fā)明的一個(gè)主要目的在于提供一種對血管血流進(jìn)行模擬的方法和系統(tǒng)，可以通 過非侵入式的方式獲得血管血流的各項(xiàng)參數(shù)，且邊界條件比較簡單。計(jì)算模型和方法實(shí)施 起來快速以及難度小，在一臺(tái)普通個(gè)人電腦上即可完成，同時(shí)能獲得比較可靠的結(jié)果。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的一方面，一種對血管中血流進(jìn)行模擬的方法，包括：
[0010] 將血管劃分為計(jì)算域和解析域；其中以由醫(yī)學(xué)斷層掃描影像數(shù)據(jù)重建出的目標(biāo)區(qū) 域的三維模型區(qū)域?yàn)橛?jì)算域，其他部分為解析域； toon] 將所述解析域作為邊界條件加載到所述計(jì)算域上；
[0012] 對加載了所述邊界條件的計(jì)算域進(jìn)行流體力學(xué)計(jì)算，得到血管血流參數(shù)。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，一種對血管中血流進(jìn)行模擬的系統(tǒng)，包括：
[0014] 前處理模塊，用于確定血管模型的邊界條件參數(shù)進(jìn)行計(jì)算設(shè)置，并進(jìn)行網(wǎng)格劃 分；
[0015] 以及，
[0016] 流體力學(xué)計(jì)算模塊，用于對加載了所述邊界條件的計(jì)算域進(jìn)行流體力學(xué)計(jì)算，得 到血管血流參數(shù)；
[0017] 其中，所述計(jì)算設(shè)置包括邊界條件設(shè)置和流體力學(xué)計(jì)算模型設(shè)置。
[0018] 采用本發(fā)明的對血管血流進(jìn)行模擬的方法和系統(tǒng)，可以以非侵入式的方式獲得血 流的各項(xiàng)參數(shù)。
【附圖說明】
[0019] 參照下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施例的說明，會(huì)更加容易地理解本發(fā)明的以上和其 它目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。附圖中的部件只是為了示出本發(fā)明的原理。在附圖中，相同的或類似 的技術(shù)特征或部件將采用相同或類似的附圖標(biāo)記來表示。
[0020] 圖1為本發(fā)明的對血管中血流進(jìn)行模擬的方法的一種實(shí)施方式的流程圖；
[0021] 圖2為計(jì)算域和解析域劃分的一種實(shí)施方式的示意圖；
[0022] 圖3為對血管三維模型的計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的示意圖；
[0023] 圖4為本發(fā)明的對血管中血流進(jìn)行模擬的裝置的一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面參照附圖來說明本發(fā)明的實(shí)施例。在本發(fā)明的一個(gè)附圖或一種實(shí)施方式中描 述的元素和特征可以與一個(gè)或更多個(gè)其它附圖或?qū)嵤┓绞街惺境龅脑睾吞卣飨嘟Y(jié)合。應(yīng) 當(dāng)注意，為了清楚的目的，附圖和說明中省略了與本發(fā)明無關(guān)的、本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知 的部件和處理的表示和描述。
[0025] 參見圖1所示，為本發(fā)明的對血管中血流進(jìn)行模擬的方法的一種實(shí)施方式的流程 圖。
[0026] 在本實(shí)施方式中，對血管中血流進(jìn)行模擬的方法包括：
[0027] S10:將血管劃分為計(jì)算域和解析域；其中以由醫(yī)學(xué)斷層掃描影像數(shù)據(jù)重建出的 目標(biāo)區(qū)域的三維模型區(qū)域?yàn)橛?jì)算域，其他部分為解析域；
[0028] S20:將解析域作為邊界條件加載到計(jì)算域上；
[0029] S30:對加載了邊界條件的計(jì)算域進(jìn)行流體力學(xué)計(jì)算，得到血管血流參數(shù)。
[0030] 在一種實(shí)施方式中，可以根據(jù)實(shí)際需求，以感興趣的區(qū)域作為目標(biāo)區(qū)域，并將該部 分的三維模塊作為計(jì)算域。
[0031] 由于人體的血管數(shù)量繁多，從人體的醫(yī)學(xué)斷層掃描圖像（CT圖像）中能重建出的 三維血管幾何體，其最小直徑在Imm左右，再小直徑的血管使用目前的技術(shù)無法重建。并 且，人體血管是一個(gè)極為復(fù)雜的網(wǎng)狀、相互連接的系統(tǒng)，如果把所有血管包括大動(dòng)脈小動(dòng)脈 毛細(xì)血管和靜脈都作為計(jì)算域進(jìn)行流體力學(xué)計(jì)算，其計(jì)算量大大超出了現(xiàn)有計(jì)算機(jī)硬件的 處理能力。因此可以將影像學(xué)中無法提取出的、下游的小動(dòng)脈和毛細(xì)血管網(wǎng)，簡化后作為解 析域，而將影像學(xué)能夠提取出的較大血管作為計(jì)算域，并將解析域以邊界條件的形式加載 到計(jì)算域上，再對該加載了解析域的計(jì)算域進(jìn)行流體力學(xué)計(jì)算。
[0032] 以心臟循環(huán)為例，心臟的血液循環(huán)是血液從心室中泵出，經(jīng)心房和主動(dòng)脈，再到冠 狀動(dòng)脈，經(jīng)多個(gè)分支最后到微小循環(huán)，然后返回靜脈。心房心室和主動(dòng)脈以及冠狀動(dòng)脈的一 部分能夠在CTA斷層掃描圖像中重建出來，然而作為計(jì)算域的只有冠狀動(dòng)脈和主動(dòng)脈的一 部分，其上下游（主動(dòng)脈入口、心房心室、微循環(huán)等等）都作為解析域。
[0033] 這樣一來，便可以根據(jù)流體力學(xué)計(jì)算的結(jié)果來獲取患者的血管、血流的多種參數(shù)， 通過與正常值相比較，可以判斷患者的相關(guān)指標(biāo)是否處于正常范圍之內(nèi)。
[0034] 在一種實(shí)施方式中，邊界條件例如可以包括血流入口邊界條件、血流出口邊界條 件、血管壁面邊界條件的一種或多種。
[0035] 其中，入口邊界條件例如可以包括耦合模擬電路入口邊界條件、血流壓力入口邊 界條件和血流速度入口邊界條件的一種或多種。
[0036] 耦合模擬電路入口邊界條件是使用電路模型來模擬心臟運(yùn)行。電流代表血流量， 電壓代表血壓，電阻代表血液流動(dòng)阻力，電感代表血液慣性，電容代表血管壁彈性。
[0037] 當(dāng)使用患者身上測量到的血壓或者血流速度時(shí)，即可不使用模擬電路邊界條件， 直接將測量值施加到入口上，這可以認(rèn)為是一種入口邊界條件的簡化。例如，由患者上臂測 量到的血壓數(shù)據(jù)，加上一個(gè)差量（5~IOmm Hg左右）即可認(rèn)為是患者心臟主動(dòng)脈處的血壓， 直接施加為壓力入口邊界條件即可。
[0038] 出口邊界條件例如可以包括模擬電路出口邊界條件、血流阻力出口邊界條件和小 血管樹邊界條件的一種或多種。
[0039] 與耦合模擬電路入口邊界條件類似，在模擬電路出口邊界條件中，仍然用電流代 表血流量，電壓代表血壓，電阻代表血液流動(dòng)阻力，電感代表血液慣性，電容代表血管壁彈 性。
[0040] 此外，小血管樹邊界條件（structured tree)使用一定的算法來模擬出一個(gè)下游 的小血管網(wǎng)，該算法假設(shè)每個(gè)根血管都是二分支，每個(gè)分支都延伸一定的長度；一個(gè)分支 分成兩個(gè)子分支，兩個(gè)子分支分成四個(gè)子分支…如此往復(fù)直到分支直徑到毛細(xì)血管量級為 止。計(jì)算每一段的血液流動(dòng)阻值再求總阻值，即為計(jì)算域中的該血管出口處的流動(dòng)阻值。
[0041] 參見圖2所示，為計(jì)算域和解析域劃分的一種實(shí)施方式的示意圖。
[0042] 圖2中具有一個(gè)入口⑴和多個(gè)出口（2)、（3)等等