用于心脏机电学的交互计算的方法和系统技术方案

公开了一种用于模拟患者的心脏功能的方法和系统。从患者的医学图像数据，生成患者心脏的至少一部分的患者特定的解剖模型。通过使用患者特定的心脏电生理学模型，针对多个时间步中的每个时间步而在由患者特定的解剖模型限定的计算域上计算心脏电生理学电势。对于每个时间步，作用于计算域的多个节点上的电生理学电势被并行地计算。通过使用耦合到心脏电生理学模型的心脏生物力学模型，针对多个时间步中的每个时间步的计算域上的生物力学的力。对于每个时间步，作用于网格域的多个节点上的生物力学的力被并行地估计。基于所计算的生物力学的力，在多个时间步中的每个时间步处计算血流和心脏移动。显示所计算的电生理学电势、生物力学的力和心脏参数，交互地接收用户输入，以改变患者特定的模型的参数中的至少一个，并且重新计算电生理学电势、生物力学的力以及血流和心脏移动。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】用于心脏机电学的交互计算的方法和系统 本申请要求于2013年1月18日提交的美国临时申请No. 61/754, 174的权益，所 述美国临时申请的公开内容通过引用被并入本文中。
技术介绍
本专利技术涉及使用医学图像数据对心脏功能建模，并且更特别地涉及用于从临床数 据和医学图像数据对心脏解剖、电生理学、生物力学和血液动力学建模的集成框架，其足够 快速以致是交互性的并且被嵌入在临床设置中。 心力衰竭是具有高度社会、经济和健康护理影响的慢性病，在西方国家有估计的 2%的成年人具有所述状况。在心力衰竭的可能表现中，所有情况中的几乎三分之一呈现扩 张性心肌病（DCM)，其由心脏的渐进的扩大和衰弱而表征。DCM的治疗是具有挑战性的，这 是由于病原学(病毒性的、遗传性的、缺血性的)的大的变异性和缺乏疾病预后的预测器。存 在对于帮助临床医生预测病程并且规划治疗疗法的计算工具的需要。
技术实现思路
本公开提供了一种用于心脏功能的患者特定的建模的方法和系统。本专利技术的实施 例提供了用于从临床信息和医学成像数据而对心脏解剖、电生理学、生物力学和血液动力 学建模的集成框架，其足够快速以致是交互性的并且被嵌入在临床设置中。本专利技术的实施 例利用大规模并行架构，诸如图形处理单元（GPU)，以实现与近实时的心脏电生理学模型、 心脏血液动力学的高效集总的模型、和用于从医学图像数据进行心脏解剖估计的数据驱动 的技术親合的心肌组织的正交各向异性（orthotropic)模型。 在本专利技术的一个实施例中，从患者的医学图像数据，生成患者心脏的至少一部分 的患者特定的解剖模型。通过使用患者特定的心脏电生理学模型，为多个时间步（time step)中的每个时间步，在由患者特定的解剖模型所限定的计算域上计算患者的心脏电生 理学电势，其中对于多个时间步中的每个时间步，作用于计算域的多个节点上的电生理学 电势被并行地计算。通过使用耦合到心脏电生理学模型的心脏生物力学模型，为多个时间 步中的每个时间步，在计算域上计算生物力学的力，其中对于多个时间步中的每个时间步， 作用于网格域的多个节点上的生物力学的力被并行地估计。基于所估计的生物力学的力， 在多个时间步的每个时间步处计算血流和心脏移动。显示所计算的电生理学电势、生物力 学的力和心脏参数。交互地接收用户输入，以改变以下中的至少一个的参数的至少之一：患 者特定的解剖模型、心脏电生理学模型和心脏生物力学模型。重新计算电生理学电势、生物 力学的力以及血流和心脏移动。 通过参考以下的【具体实施方式】和附图，本专利技术的这些和其它优点将对本领域普通 技术人员显而易见。【附图说明】 图1图示了根据本专利技术的实施例的用于患者特定的心脏功能建模的框架的概述； 图2图示了根据本专利技术的实施例的用于患者特定的心脏功能建模的方法； 图3图示了根据本专利技术的实施例的用于生成左和右心室的患者特定的解剖模型的方 法； 图4图示了图3的步骤的示例性结果； 图5图示了使用基于规则的方法的纤维和纤维片（sheet)的估计； 图6图示了根据本专利技术的实施例的一般化的并行实现方式； 图7图示了根据本专利技术的实施例的使用(映射元素）查找表而确定对于节 点的元素贡献的示例； 图8图示了关于从相同患者生成的具有各种大小的网格的解剖模型生成以及血流和 心脏移动模拟的基准结果； 图9图示了拟合于MRI图像的个性化模型和它如何被显示，以及从模型计算的容积和 压力-容积曲线； 图10图示了根据本专利技术的实施例的用于针对多个时间步而计算心脏生物力学的总拉 格朗日显式动力学（TLED)有限元方法； 图11图示了根据本专利技术的实施例的TLED框架的全局概述； 图12图示了用于TLED框架的示例性方法和基准；和 图13是能够实现本专利技术的计算机的高层级框图。【具体实施方式】 本专利技术涉及用于心脏功能的交互式患者特定的建模的方法和系统。在本文中描述 本专利技术的实施例以给出对患者特定的心脏功能和计算方法的视觉理解。数字图像通常由一 个或者多个对象(或者形状）的数字表示组成。在本文中，对象的数字表示通常在标识和操 纵对象的方面被描述。这样的操纵是在计算机系统的存储器或者其它电路/硬件中实现的 虚拟操纵。因此，要理解的是，本专利技术的实施例可以在计算机系统内通过使用存储在计算机 系统内的数据执行。 本专利技术的实施例提供了一种用于从临床信息和医学成像数据对心脏解剖、电生理 学、生物力学和血液动力学建模的集成框架，其足够快速以致是交互性的并且被嵌入在临 床设置中。特别地，本专利技术的实施例利用在大规模并行架构（比如多核CPU和图形处理单元 (GPU))上对以下的高效实现方式：与心脏血液动力学的高效集总模型和用于从医学图像数 据进行心脏解剖估计的数据驱动的技术親合的心肌组织的正交各向异性Ho I zapf e I-Ogden 模型和心脏电生理学模型。 本专利技术的实施例提供了用于在临床设置中计算心脏功能的患者特定的心脏模型 的方法。这要求稳健的图像分析以从医学图像估计心脏解剖，以及快速的数值方法以计算 心脏机电学以供交互式使用、参数估计和疗法规划。根据本专利技术的有利实施例，公开了集成 但模块化的框架用于计算患者特定的心脏机电学。该框架包括用于解剖模型生成的集成流 水线（pipeline)、用以在心脏周期的任何时相(并且特别是等容时相）期间计算心脏运动的 计算性高效方法和用以高效求解心脏生物力学和电生理学的大规模并行框架。 图1图示了根据本专利技术的实施例的用于患者特定的心脏功能建模的框架的概述。 如图1中图示的，用于对心脏功能建模的框架包括解剖模型102、电生理学模型104、生物力 学模型106和循环模型108。患者的临床数据101被用于模型的个性化。解剖模型102对 患者解剖和组织结构建模，包括心脏几何结构、瘢痕组织和纤维结构。电生理学模型104计 算通过患者的心脏解剖的电波传播，其然后弱耦合到生物力学模型106,所述生物力学模型 106计算组织的被动和主动属性。循环模型108采用心脏血液动力学的集总模型来计算生 物力学模型106的血流和边界条件。 图2图示了根据本专利技术的实施例的用于患者特定的心脏功能建模的方法。如图2 中图示的，在步骤202处，接收患者的医学图像和临床数据。医学图像可以是患者的3D手 术前图像。医学图像可以是在至少一个完整的心脏周期上获取的医学图像的动态序列或者 静态图像。在本专利技术的有利实施例中，医学图像可以是磁共振图像(MRI)和/或计算的层析 X射线摄影法（CT)图像和/或超声图像，但是本专利技术不一定被限制于这些成像模态。医学 图像可以从医学成像设备(诸如MR或者超声扫描仪)直接接收，或者医学图像可以通过加载 所存储的患者医学图像而被接收。临床数据可以包括非成像的患者特定的测量，诸如ECG、 压力测量等等。压力测量可以通过基于导管的侵入式压力测量或者套囊压力测量而获取。 在步骤204处，使用医学图像而生成患者特定的心脏解剖模型。在一个实施例中， 心脏形态在专家引导下从医学图像(诸如MRI、CT或者超声的)、通过使用数据库引导的机器 学习框架而被自动地估计。心脏的平均形状模型可以通过使用概率提升树和边际空间学习 来自动检测其全局定位、取向和尺度而被配准（register)。然后，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于患者的心脏功能的交互式计算的方法，包括：从患者的医学图像数据，生成患者心脏的至少一部分的患者特定的解剖模型；通过使用患者特定的心脏电生理学模型，针对多个时间步中的每个时间步而在由患者特定的解剖模型限定的计算域上计算患者的心脏电生理学电势，其中对于多个时间步中的每个时间步，作用于计算域的多个节点上的电生理学电势被并行地计算；通过使用耦合到心脏电生理学模型的心脏生物力学模型，针对多个时间步中的每个时间步而在计算域上计算生物力学的力，其中对于多个时间步中的每个时间步，作用于计算域的多个节点上的生物力学的力被并行地计算；基于所计算的生物力学的力，在多个时间步中的每个时间步处计算血流和心脏移动；显示所计算的电生理学电势、生物力学的力和心脏参数；交互地接收用户输入，以改变以下中的至少一个的参数中的至少一个：患者特定的解剖模型、心脏电生理学模型和心脏生物力学模型；和重新计算电生理学电势、生物力学的力以及血流和心脏移动。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：T曼西，O泽蒂尼希，B乔治斯库，A卡门，D科马尼丘，S拉帕卡，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE