一种心脏瓣膜置换优化方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种心脏瓣膜置换优化方法及系统，该方法包括如下步骤：(1)计算在经导管主动脉瓣置换术后不同患者的负荷力；(2)模拟主动脉根部和瓣膜组织行为，采用有限元方法提取生物力学特征；(3)建立主动脉瓣关闭不全风险预测模型；(4)利用风险预测模型对心脏瓣膜进行风险预测并对人工瓣膜进行优化，重复执步骤(1)～(3)直至风险预测结果为安全范围。与现有技术相比，本发明专利技术具有方法及系统能指导医生针对不同的病人使用不同的优化的瓣膜，最大限度的降低临床风险。

【技术实现步骤摘要】
一种心脏瓣膜置换优化方法及系统
本专利技术涉及一种心脏瓣膜优化方法及系统，尤其是涉及一种心脏瓣膜置换优化方法及系统。
技术介绍
主动脉瓣狭窄(AS)是老年人退行性瓣膜病，随着时间的推移会恶化。主动脉瓣狭窄的病理生理学是退行性和钙化性的，并且可能通过参与脂质积聚和炎症的相同细胞动脉粥样硬化过程加剧。伴有钙化主动脉瓣狭窄的症状患者可以通过称为经导管主动脉瓣置换术(TAVR)的微创手术治疗。TAVR由安装在金属支架内的生物心脏瓣膜的经皮植入组成。TAVR已经彻底改变了患有外科主动脉瓣置换(SAVR)高危或间歇性风险的患者症状严重主动脉瓣狭窄的治疗，如休克，年龄>80岁，肾功能不全，糖尿病等。TAVR于2011年被FDA批准目前临床使用的两个主要装置是自扩张式的MedtronicEvolutCoreValve(MCV)(Medtronic，Minneapolis，MN)和球囊扩张型EdwardsSAPIENS3阀(ESV)(EdwardsLifesciences，Irvine，CA)。在这两种情况下，假体支架扩张将主动脉瓣挤压到主动脉根部。正确的支架扩张对于确保装置在植入后维持其位置以及假体小叶功能正常至关重要。Sapien瓣膜尺寸为23毫米，26毫米和29毫米，而CoreValve的尺寸为26毫米，29毫米和31毫米。患者选择对TAVR的成功至关重要。文献中已经描述了TAVR最常引用的选择标准，该标准是针对主动脉瓣狭窄伴三叉瓣主动脉瓣的严重病情，有症状，钙化性狭窄的患者设计的，其主动脉和血管解剖结构适用于TAVR。标准包括，例如(1)患者具有超声心动图导出标准的钙化主动脉瓣狭窄；(2)SAVR患者无法手术或高风险；(3)无混合主动脉瓣疾病(主动脉瓣狭窄和主动脉瓣反流伴主动脉瓣反流)；(4)无先天性单尖或先天性二尖瓣，或非钙化主动脉瓣等。因为严重主动脉瓣狭窄的死亡率高，通过医疗措施可使预期寿命延长。TAVR的候选人在主动脉瓣中具有不同程度的钙化，并且钙沉积物的异质程度和模式。TAVR失败的主要预测因素可能包括紧急手术的需要，以前的心脏手术史，虚弱或其他问题。虽然TAVR能有效治疗严重的主动脉瓣狭窄，其并发症可能包括中风，错位，瓣膜迁移/栓塞，起搏器植入，反向/瓣膜瓣主动脉瓣反流或冠状动脉闭塞的需要。这些并发症可能会增加发病率和死亡率的风险，并增加成本。FDA最近向医生发出了关于TAVR期间主动脉瓣环断裂引起的死亡的警告。有利的结果(无主动脉瓣反流)需要适当的患者选择和细致的手术技术，以避免TAVR后的主动脉瓣关闭不全。不适当的植入(瓣膜尺寸选择)将导致TAVR假体的早期变性和功能障碍。此外，瓣膜小叶钙化的严重程度和分布会削弱TAVR的疗效。因此，在研究中需要重点关注TAVR的生物力学原因的失败，这意味着研究者将主要根据主动脉组织的生物力学因素预测TAVR后主动脉瓣关闭不全的风险。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种心脏瓣膜置换优化方法及系统。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种心脏瓣膜置换优化方法，该方法包括如下步骤：(1)计算在经导管主动脉瓣置换术后不同患者的负荷力；(2)模拟主动脉根部和瓣膜组织行为，采用有限元方法提取生物力学特征；(3)建立主动脉瓣关闭不全风险预测模型；(4)利用风险预测模型对心脏瓣膜进行风险预测并对人工瓣膜进行优化，重复执步骤(1)～(3)直至风险预测结果为安全范围。步骤(1)中不同患者的负荷力通过下式获得：其中，F为患者的负荷力，rsize为人工瓣膜的半径，Cannu为主动脉环的术前周长，d为主动脉瓣中钙化沉积物的最大直径，K为主动脉壁的刚度。步骤(2)具体为：(21)建立三维主动脉组织网络模型，生成三维主动脉组织网格数据；(22)测定主动脉组织的材料属性，将主动脉组织的解剖学数据纳入三维主动脉组织网格数据中；(23)采用有限元仿真提取生物力学特征：其中，σi表示第i个患者的生物力学特征，Fi为第i个患者的负荷力，E为人工瓣膜材料的杨氏模量，υ为人工瓣膜材料的泊松比，为第i个患者对应的网格节点n的横截面积，n＝1,2……N，N表示网格节点总数，Pi为第i个患者使用的人工瓣膜的类型，σ(·)表示根据胡克定律对参数Fi、E、υ、和pi进行建模。步骤(3)中主动脉瓣关闭不全风险预测模型为：其中，AR为患者的主动脉瓣反流大小，g为支持向量回归模型，F为患者的负荷力，E为人工瓣膜材料的杨氏模量，υ为人工瓣膜材料的泊松比，A(n)为患者对应的网格节点n的横截面积，n＝1,2……N，N表示网格节点总数，P为第个患者使用的人工瓣膜的类型，V为钙化体积，为模拟系数参数。步骤(4)利用风险预测模型对心脏瓣膜进行风险预测具体为：当选用一种类型的人工瓣膜时，利用主动脉瓣关闭不全风险预测模型计算其对应的患者的主动脉瓣反流大小AR，若AR在正常范围内，则选取的人工瓣膜无需优化，否则对人工瓣膜进行优化。一种心脏瓣膜置换优化系统，该系统包括：数据采集和预处理模块：采集样本患者心脏瓣膜置换手术前后CT数据和超声图并进行处理得到样本数据；负荷力计算模块：对样本数据进行处理得到经导管主动脉瓣置换术后不同患者的负荷力；生物力学特征提取模块：该模块基于负荷力采用有限元分析提取生物力学特征；风险预测优化模块：该模块建立风险预测模型并利用风险预测模型进行风险预测，利用风险预测结果对人工瓣膜进行优化。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：本专利技术采用全新的信息技术去估计病人的心脏特点，心肌的生物动力学特性，利用病人的电子病历、影像、心肌的生物动力学特征，并使用机器学习的方法，建立了一个主动脉瓣关闭不全风险预测模型，它能指导医生针对不同的病人使用不同的优化的瓣膜，最大限度的降低临床风险。附图说明图1为本专利技术心脏瓣膜置换优化方法的流程框图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例当TAVR假体瓣部署在主动脉根部的壁上，即主动脉环的区域时，来自假体周围支架扩张的应力将导致环的局部位移/运动反应。因此，环带的变化与应力成正比。第二，主动人工脉瓣被放置之前，环形应力将动态地改变主动脉根部的形态。为了获得最有效的结果，主动脉瓣装置应部署在均匀的钙化分布附近，其中瓣膜小叶仍然是可延展的，并且钙化区域不阻挡假体周围瓣膜小叶的功能。如果主动脉瓣小叶带有钙化严重和不均匀分布，则支架上的过度应力会阻塞假肢周围瓣膜的功能，并导致TAVR的早期失败。因此，主动脉组织的术后生物力学特征(应力)非常重要，因为它们可能会影响TAVR结果(有或没有假体周围渗漏/主动脉瓣反流)。TAVR结果通过在主动脉瓣介入术后测量术后超声心动图反转/瓣膜外漏(反流)来确定，这些结果与生物力学性质如假体周围支架扩张引起的应激密切相关。在本专利中，我们将术后超声心动图观察到的轻度至重度主动脉瓣回流(需要TAVR修订)定义为AR＝0，用于追踪主动脉瓣回流(仅需TAVR)和AR＝1。这里的AR是指的血液回流的状况。我们的模型包括两个步骤。(1)对于人工瓣膜部署，我们使用有限元法(FEM)来模拟主动脉组织增加的应力。(2)然后，使用支持向量回归(SVR)模拟TAVR结果AR与应力之间的关系，来预测主动脉瓣关闭不全的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种心脏瓣膜置换优化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)计算在经导管主动脉瓣置换术后不同患者的负荷力；(2)模拟主动脉根部和瓣膜组织行为，采用有限元方法提取生物力学特征；(3)建立主动脉瓣关闭不全风险预测模型；(4)利用风险预测模型对心脏瓣膜进行风险预测并对人工瓣膜进行优化，重复执步骤(1)～(3)直至风险预测结果为安全范围。

【技术特征摘要】
1.一种心脏瓣膜置换优化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)计算在经导管主动脉瓣置换术后不同患者的负荷力；(2)模拟主动脉根部和瓣膜组织行为，采用有限元方法提取生物力学特征；(3)建立主动脉瓣关闭不全风险预测模型；(4)利用风险预测模型对心脏瓣膜进行风险预测并对人工瓣膜进行优化，重复执步骤(1)～(3)直至风险预测结果为安全范围。2.根据权利要求1所述的一种心脏瓣膜置换优化方法，其特征在于，步骤(1)中不同患者的负荷力通过下式获得：其中，F为患者的负荷力，rsize为人工瓣膜的半径，Cannu为主动脉环的术前周长，d为主动脉瓣中钙化沉积物的最大直径，K为主动脉壁的刚度。3.根据权利要求1所述的一种心脏瓣膜置换优化方法，其特征在于，步骤(2)具体为：(21)建立三维主动脉组织网络模型，生成三维主动脉组织网格数据；(22)测定主动脉组织的材料属性，将主动脉组织的解剖学数据纳入三维主动脉组织网格数据中；(23)采用有限元仿真提取生物力学特征：其中，σi表示第i个患者的生物力学特征，Fi为第i个患者的负荷力，E为人工瓣膜材料的杨氏模量，υ为人工瓣膜材料的泊松比，为第i个患者对应的网格节点n的横截面积，n＝1,2……N，N表示网格节点总数，Pi为第i个患者使用的人工瓣膜的类型，σ(·)表示根据胡克...

【专利技术属性】
技术研发人员：周小波，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31