一种虚拟球囊血管成形术诊疗方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种虚拟球囊血管成形术诊疗方法及系统，其中所述诊疗方法包括根据血管介入植入物的参数集构建介入手术植入物的数据库，根据接收的球囊类型、球囊长度、支架类型、支架长度、球囊内气压、球扩型支架或球扩型瓣膜植入位置、血管参数以及血管病变的参数对血管成形术进行模拟确认形态学特征；对模拟扩张后的血管系统进行血流模拟以确定血流模拟结果；基于形态学特征和血流动力学计算结果进行术前或术中的模拟评估，从而为血管成形术提供最优术前的规划方案或术中实时模拟。供最优术前的规划方案或术中实时模拟。供最优术前的规划方案或术中实时模拟。

【技术实现步骤摘要】
一种虚拟球囊血管成形术诊疗方法及系统


[0001]本专利技术涉及生物医学工程及计算机科学领域，特别涉及一种虚拟球囊血管成形术诊疗方法及系统。

技术介绍

[0002]经皮血管腔内血管成形术(percutaneous transluminal angioplasty,PTA)是经导管等器械扩张再通动脉粥样硬化或其他原因所致的血管狭窄或闭塞性病变，这一疗法是60年代开始应用的，在80年代前主要采用球囊导管进行治疗，称为球囊血管成形术(balloon angioplasty)。PTA原来主要用于肢体血管，以后扩展至内动脉，如肾动脉、冠状动脉，并且由动脉发展至静脉，如扩张治疗腔静脉狭窄，以至治疗人造血管、移植血管的狭窄或闭塞。
[0003]球囊血管成形术
[0004](一)适应证：理想的适应证是中等大小或大血管局限、孤立性短段狭窄。其次为多发、分散的短段狭窄和闭塞。长段狭窄或闭塞、小血管病变、溃疡性狭窄或已有钙化的狭窄或闭塞病变不适宜于PTA治疗。(二)操作技术：在血管造影确定病变位、程度和侧支供血情况以及狭窄上下方的血压等血液动力学改变后，将造影导管调换成球囊导管。将球囊置于狭窄区，用压力泵或手推稀释的造影剂充胀球囊。充胀的球囊作用于狭窄的血管，使之发生扩张。扩张结束后，要复查血管造影，了解血管扩张情况，同时再次测量原狭窄区上下方的血压差以确定扩张治疗的效果。为了减少并发症和预防再狭窄，从术前一天开始应用抗血小板聚集药物，如阿司匹林等。术中要用肝素抗凝，术后1～6个月服用阿司匹林、潘生丁等药物。(三)血管扩张的机理充胀的球囊压力造成了狭窄区血管壁内、中膜局限性撕裂。血管壁特别是中膜过度伸展以及动脉粥样斑的断裂，从而导致血管壁张力减退和腔径的扩大。(四)疗效PTA的近期和远期疗效均较好。髂、肾动脉的PTA成功率在90％以上，五年平均血管开放率在70％以上。冠状动脉脉单支病变PTA成功率在90％以上。影响疗效的因素中，除病变部位外，病变性质、病变的解剖与病理学特征、患者全身状况、设备情况以及术者经验等也是重要因素。例如在肾动脉狭窄中，以纤维肌发育不良的疗效最好，扩张成功率在90％～95％，临床上高血压治愈和改善率达93％；其次为动脉粥样硬化症；而多发性大动脉炎的疗效较差。PTA比外科手术的优点在于对患者创伤小，并发症少，收效快，操作较简便，减少用费，门诊即可进行，一旦发生再狭窄可以重复PTA治疗。
[0005]PTA血管腔内血管成形术手术中，球囊的尺寸球囊内扩张的气压和置入方式的选择以及球囊的准确定位对于手术是否成功十分关键。目前临床常用的诊断方法是根据X射线冠脉造影(coronaryangiography，CAG)或者CT冠状动脉造影(CT angiography，CTA)图像，利用一些二维分析技术来估算血管的病变程度以及所需球囊的型号。但是，CAG或CTA图像所提供的空间信息非常有限，不能真实反映血管及其病变的实际情况。而且，测量结果都受到主观因素的影响，势必为准确估计所用球囊的型号带来困难。
[0006]根据以上不足和临床应用的实际需求，人们开始探索开发虚拟球囊和支架置入系
统，来进行动脉球囊成形术前的规划。之前的虚拟支架植入方法和系统侧重与预测虚拟支架植入方按如飞利浦INTEGRIS 3D
‑
RA工作站，通过自动和半自动的图像分割工具，结合网格生成工具来建立特定病人的血管模型，并在三维图像模型上自动提取血管腔中心线。然后，沿着管腔中心线置入虚拟支架，并以交互方式调整支架的长度和直径，用于进行手术计划，例如模拟支架置入、模拟血流过程等。或则专利(CN106539622A)提出了一种可自动完成血管狭窄程度计算、生成支架植入策略、量化评估虚拟支架植入效果，减少对个人经验的依赖，提高医生决策效率，减少医生决策风险的基于血流动力学分析的冠脉虚拟支架植入方法和系统。
[0007]以上的方案存在2个缺陷1.没有涉及到球囊的模拟。由于冠脉虚拟支架的释放是球扩型支架，单纯模拟支架而忽略球囊会造成模拟结果的不准确。并且随着药物洗脱球囊的发展越来越多的患者倾向选择药物球囊治疗而非释放支架，先前的专利技术专利无法模拟球囊成形手术。2.先前冠脉虚拟支架专利技术没有考虑到支架的详细结构也对血流照成的影响，过于的简化了支架的结构造成无法分析局部的血流动力学影响。另外在现有技术中精确的球囊扩张血管成形主要是基于有限元的计算模拟，该方法可以模拟复杂的材料模型，模拟结果的精度也较高，但是该方法也存在计算成本高(因为需要求解大量PDE偏微分方程，对于超弹性材料与记忆金属的材料模拟涉及到非线性材料的求解)，无法快速给出预测结果的缺点。

技术实现思路

[0008]针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供了一种虚拟球囊血管成形术诊疗方法及系统，基于近似有限元方法的计算模型具有计算速度高的特性，实现了手术过程的实时模拟，可以在短时间内实现手术过程的多次迭代计算，从而为血管成形术提供最优术前的规划方案或术中实时模拟。
[0009]为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0010]一种虚拟球囊血管成形术诊疗方法及系统，所述虚拟血管成形术诊疗的计算机实现的方法包括以下步骤：
[0011](1)接收植入器材相关关键参数或则器材扫描图像数据；计算构建球囊、支架、球扩型支架、球扩型瓣膜等植入物的数据库；可以理解的是植入器材的相关参数包含植入器材本身的参数以及制作器材的器械的相关参数。基于这些参数可以虚拟模拟构建植入器材的模型。
[0012](2)接收目标患者血管系统的至少一部分的图像数据，所述患者血管系统包括具有一个或多个血管壁的一个或多个血管；识别接收到的血管系统图像中的病变区域；使用所接收的图像数据，生成所述患者的所述解剖结构的所述部分的患者特定的三维解剖模型以及病变血管模型；并且检测生成病人特异性的血管解剖模型的中心线；
[0013](3)接收球囊类型、球囊长度、支架类型、支架长度、球囊内气压、球扩型支架或球扩型瓣膜植入位置、血管参数以及血管病变参数等；
[0014](4)生成计算网格并且执行虚拟球囊扩张或则虚拟球囊扩张式支架或则虚拟球囊扩张式瓣膜的模拟计算以确定形态学上的参数指标如斑块位移、血管扩张率等；
[0015](5)对模拟扩张后的血管系统进行血流模拟以确定血流模拟结果，其中在血流模
拟的过程中，将计算流体力学模型应用于应用与血管的三位模型中并且结合血管循环模型的参数；
[0016](6)基于形态学特征和血流动力学计算结果评估是否修改参数来生产更新患者特定解剖模型或则重新进行计算模拟，将评估结果输出到电子存储介质或显示器中。
[0017]更进一步地，所述建立虚拟的球囊、支架、球扩型支架、球扩型瓣膜数据库包括：运用Micro CT扫描的方法或则虚拟建模的方法对球囊、支架、球扩型支架、球扩型瓣膜架进行建模；
[0018]通过以下步骤实现：
[0019](1)球囊：通过对目标球囊的Micro CT扫描获得图像进行建模或则通过虚拟制作本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种虚拟球囊血管成形术诊疗方法及系统，其特征在于，所述虚拟血管成形术诊疗的计算机实现的方法包括以下步骤：(1)接收植入器材相关关键参数或则器材扫描图像数据；计算构建球囊、支架、球扩型支架、球扩型瓣膜植入物的数据库；(2)接收目标患者血管系统的至少一部分的图像数据，识别接收到的血管系统图像中的病变区域；使用所接收的图像数据，生成所述患者的所述解剖结构的所述部分的患者特定的三维解剖模型以及病变血管模型；并且检测生成病人特异性的血管解剖模型的中心线；(3)接收球囊类型、球囊长度、支架类型、支架长度、球囊内气压、球扩型支架或球扩型瓣膜植入位置、血管参数以及血管病变参数；(4)生成计算网格并且执行虚拟球囊扩张或则虚拟球囊扩张式支架或则虚拟球囊扩张式瓣膜的模拟计算以确定形态学上的参数指标如斑块位移、血管扩张率；(5)对模拟扩张后的血管系统进行血流模拟以确定血流模拟结果，其中在血流模拟的过程中，将计算流体力学模型应用于应用与血管的三位模型中并且结合血管循环模型的参数；(6)基于形态学特征和血流动力学计算结果评估是否修改参数来生产更新患者特定解剖模型或则重新进行计算模拟，将评估结果输出到电子存储介质或显示器中。2.根据权利要求1所述的一种虚拟血管成形术诊疗的计算机实现的方法，其特征在于：所述建立虚拟的球囊、支架、球扩型支架、球扩型瓣膜数据库包括：运用Micro CT扫描的方法或则虚拟建模的方法对球囊、支架、球扩型支架、球扩型瓣膜架进行建模；通过以下步骤实现：(1)球囊：通过对目标球囊的Micro CT扫描获得图像进行建模或则通过虚拟制作球囊的方法获得，虚拟制作包括获取球囊制作过程中的折叠和压缩器材的关键参数构建虚拟球囊制作算法，此步骤包括：(1.1)从医疗器械厂商获得球囊的基本参数如球囊材料、球囊长度、球囊直径与球囊内压的实验数据、折叠和压缩器材的型号等关键参数；(1.2)基于获得的关键参数对球囊制作过程进行虚拟模拟，模拟的方法可以是有限元、粒子法、弹簧质点等模拟的方法；(1.3)模拟结果获得术前球囊的模型；建立的球囊数据库包括：不同类型的球囊以及每一种球囊的不同长度与宽度。(2)支架：通过对目标支架Micro CT扫描获得扫描图像进行建模或则虚拟制作获得支架模型，虚拟制作包括获取支架的模型数据参数如支架长度、单元结构的角度等参数构建支架的骨架然后通过添加厚度的算法构建完整的术前支架模型；(3)球扩型支架与球扩型瓣膜：通过Micro CT扫描获得球扩型支架的图像直接进行建模或者通过直接结合虚拟制作完成的球囊和支架或瓣膜，或则将虚拟球囊和虚拟支架或瓣膜进行压接的方式获得。3.根据权利要求1所述的一种虚拟球囊血管成形术诊疗的计算机实现的方法，其特征在于：步骤(2)中获取患者特异性血管系统的相关影像数据可以是患者的CT图血管造影图、或者患者特异性其他血管影像信息，通过对影像数据的处理构建三维血管模型以及血管病
变模型，患者特异性血管系统包括至少一个感兴趣的血管和从所述感兴趣的血管分支的一个或多个血管段，冠状脉管系统；脑血管系统；外周脉管系统；肝脉管系统；肾脉管系统；内脏脉管系统；或任何具有一个或多个血管的脉管系统。4.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕孟哲，
申请(专利权)人：吕孟哲，
类型：发明
国别省市：