基于流固耦合的对血管血流与环管腔组织进行模拟的方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了基于流固耦合的对血管血流与环管腔组织进行模拟的方法和系统，基于三维血管造影方法获取的医学影像(CTA、MRA),进而生成血管三维模型以及血管周组织模型。通过有限元流固耦合模拟获取血管中血流流动情况以及血管周组织受力情况，在临床可辅助医生了解感兴趣区域缺血与斑块严重情况。与现有技术相比，其有益效果是：提供针对感兴趣区域对保留与去除末端分支的方法，有效提高人工处理效率、降低计算时间与成本。提供流量分配方案，有效检测与处理流量不守恒的分支。提供中心线界面光滑分割图像方法，有效减少来自于整体光滑导致的可能的细小末端分支消失问题。对起源异常等分支非常接近情况，有效避免普通光滑方法导致的分支粘连问题。导致的分支粘连问题。导致的分支粘连问题。

【技术实现步骤摘要】
基于流固耦合的对血管血流与环管腔组织进行模拟的方法和系统


[0001]本专利技术涉及医学影像
，具体为基于流固耦合的对血管血流与环管腔组织进行模拟的方法和系统。

技术介绍

[0002]FFR，即血流储备分数，它的主要功能就是评估冠状动脉病变狭窄到底对于远端血流产生了多大的影响。FFR即指的是在冠状动脉存在狭窄病变的情况下，该血管所供心肌区域能获得的最大血流量与同一区域理论上正常情况下所能获得的最大血流量之比，简化定义为心肌最大充血状态下狭窄远端冠状动脉内平均压与冠状动脉口部主动脉平均压的比值。
[0003]血流动力学参数问题上，CT
‑
FFR通过模拟血压经由狭窄段的压降只能展现出，在获取医疗影像的时刻心脏是否面临缺血问题。其他重要血流模拟参数如血管壁剪切应力WSS。心脏缺血造成急慢性症状的主要原因是冠状动脉斑块过大或者破裂导致的血管阻塞或变窄，血管狭窄后血流无法充分并及时流向供给区域。WSS是衡量及预测部分血管段是否有生成斑块的危险。
[0004]血管，尤其是有斑块段，周围固体组织的受力可以帮助预测斑块破裂造成血栓及堵塞的风险。提早预测斑块破裂风险可以减少手术及微创治疗程度和增加，保守治疗机会以减少手术与预后风险以及经济负担。
[0005]已有的血管血流模拟没有讨论应该涵盖到血管的的几级分支、是否涵盖所有分支等问题。在医生勾画血管时会导致标准不统一，会因此影响分析准确性。现有的血流分析基本会涵盖所有的冠状动脉树，但是感兴趣区域一般只在某一两条主要冠状动脉。因此，在模拟的和分析的效率低下，成本高昂。
[0006]WSS是根据血流速度推导而得参数，需要力学张量计算基础并具有较高病理生理学意义。血管流固耦合分析的成功率比较低，易出现收敛问题。因此做流固体耦合研究与模拟较少。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供基于流固耦合的对血管血流与环管腔组织进行模拟的方法和系统，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0008]为实现上述目的，本专利技术公开了基于流固耦合的对血管血流与环管腔组织进行模拟的方法，包括如下步骤：步骤一，为图像处理阶段，先输入原始冠脉CTA、原始冠脉分割图像和中心线信息，并在原始冠脉CTA中寻找感兴趣的区域；在感兴趣的区域的终止端，延长中心线，将五个平均冠脉直径之后的末端分支移除，或者沿中心线分割区域将整个血管连通区域分为感兴趣区域与末端分支区域，将后者连通区域移除；得到感兴趣原始冠脉分割区域后，沿着各条血
管中心线通过区域增长处理方法分割、修复及平滑原始冠脉分割图像，并沿着各条血管中心线通过灰度值过滤以及边缘检测分割出环血管周组织分割图像并进行平滑与降噪修复。步骤二，为网格生成阶段，通过等值立方搜索演算法从分割图像内生成冠脉及冠周组织二维表面网格；通过二维便面网格将非均匀有理B样条得到C2连续性光滑二维表面网格；在光滑表面网格内生成三维非结构性网格；在冠周组织的分割图像与原始CTA的三维图像交集中，通过不同组织对应的灰度值区域可得到不同组织对应的三维网格中所对应的位置；步骤三，为血液流体边界条件施加阶段，使用自入口端至出口端逐级动脉流量分配(自上而下)，确定出口边界条件；根据滋养心肌的体积求解：得到主动脉与左右冠脉流量分配(Q
c
)，然后根据左右冠脉各自的的划分级数进行流量守恒判定以及基于形态学流量分配。步骤四，为模拟分析阶段，将入口与出口边界条件施加在流体网格上，获得流体表面节点的压力与时间变化值，将此结果附加在血管周组织内边皮对应节点上，并固定血管周组织入口端与出口端横截面位移，完成施加血管周组织的边界条件并对血管周组织模拟分析。
[0009]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤一中移除区域时还可选择在感兴趣区域的终止端，延长中心线将五个平均冠脉直径之后的末端分支移除。
[0010]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤二中根据组织在对应三维网格中对应位置，采用调整后的穆里
‑
里夫林应变能密度函数进行材料本构填充。
[0011]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤三中左右冠脉流量可根据总流量的4％进行分配。
[0012]基于流固耦合的对血管血流与环管腔组织进行模拟的系统，包括如下单元：图形处理单元、网格生成单元、边界选取单元、模拟分析单元、后处理单元；所述图形处理单元用于确认动脉感兴趣区域，除去无意义的末端分支后建立三维组织模型并进行平滑修复；所述网格生成单元用于建立三维组织模型的3D网格，并根据对应网格关系赋予模型材料属性；所述边界选取单元用于血管出口流量赋值、进行流量守恒判定、基于形态学流量分配并处理流量不守恒分支；所述模拟分析单元用于对血流模型进行流体分析，并根据血管壁及其周围组织的血压变化进行有限元分析，进行流量守恒判定以及基于形态学流量分配；所述后处理单元用于将流体与固体的模拟结果处理后提取其中的血流参数与组织受力数据。
[0013]作为本专利技术的一种优选技术方案，处理流量不守恒分支的方法如下：步骤一，选定主支及其直接子分支，先通过雷定律得到横截面积(A)指数比值(r)：δ在冠脉模拟中为2.6；步骤二，进行流量守恒判定：1
‑
∑r＜容差(容差对于冠脉选取1％)；若公式不满足这表示子支出现分支缺失等问题。因此，子支及其之后分支所得流量会与未出现子支缺失状况值有偏差。此子支与其之后分支将会被记录；
步骤三，基于流量守恒的子支流量分配流量，同一主支下的子支满足以下两个公式：式：步骤四，流量分配在各级分支循环，直到所有分支都分配到流量。出口端流量分配即为出口端边界条件。
[0014]作为本专利技术的一种优选技术方案，血管出口流量赋值的方法如下：步骤一，在流体模拟结束后，获得流体表面节点的压力与时间变化值。将此结果附加在血管周组织内边皮对应节点上。同时，固定血管周组织入口端与出口端横截面位移。血管周组织的边界条件即施加完成；步骤二，各固体组织求解满足柯西动量方程：u位移、σ应力张量、ρ密度；步骤三，求解单向流固耦合模拟后，可在流体表面节点获得节点压强以及柯西应力张量(σ)。血管壁所受壁面剪切应力(WSS)的求解：WSS＝τ
w
＝(m
·
t)m＝(m
·
σ
·
n)mn为流体表面法向量，m为切线向量；步骤四，计算血管周组织所受有效应力σ
e
：
[0015]作为本专利技术的一种优选技术方案，FFR求解需要模拟在冠脉充血时冠脉感兴趣区域的血压与主动脉(左右冠脉入口)的时间平均压强比值。充血状态在出口流量边界条件设定时，将使用4.5倍放大参数。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1，提供针对感兴趣区域对保留与去除末端分支的方法，有效提高人工处理效率、降低计算时间与成本。2，提供中心线界面光滑分割图像方法，有效减少来自于整体光滑导致的可能的细小末端分支消失问题。对起源异常等分支非常接近情况，有效避免普通光滑方法导致的分支粘连问题。3，自上而本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于流固耦合的对血管血流与环管腔组织进行模拟的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，为图像处理阶段，先输入原始冠脉CTA、原始冠脉分割图像和中心线信息，并在原始冠脉CTA中寻找感兴趣的区域；在感兴趣的区域的终止端，延长中心线，将五个平均冠脉直径之后的末端分支移除，或者沿中心线分割区域将整个血管连通区域分为感兴趣区域与末端分支区域，将后者连通区域移除；得到感兴趣原始冠脉分割区域后，沿着各条血管中心线通过区域增长处理方法分割、修复及平滑原始冠脉分割图像，并沿着各条血管中心线通过灰度值过滤以及边缘检测分割出环血管周组织分割图像并进行平滑与降噪修复。步骤二，为网格生成阶段，通过等值立方搜索演算法从分割图像内生成冠脉及冠周组织二维表面网格；通过二维表面网格将非均匀有理B样条得到C2连续性光滑线条，并进一步得到三维非结构性网格；在冠周组织的分割图像与原始CTA的三维图像交集中，通过不同组织对应的灰度值区域可得到不同组织对应的三维网格中所对应的位置；步骤三，为血液流体边界条件施加阶段，使用自入口端至出口端逐级动脉流量分配(自上而下)，确定出口边界条件；根据滋养心肌的体积求解：得到主动脉与左右冠脉流量分配(Q
c
)，然后根据左右冠脉各自的的划分级数进行流量守恒判定以及基于形态学流量分配。步骤四，为模拟分析阶段，将入口与出口边界条件施加在流体网格上，获得流体表面节点的压力与时间变化值，将此结果附加在血管周组织内边皮对应节点上，并固定血管周组织入口端与出口端横截面位移，完成施加血管周组织的边界条件。2.根据权利要求1所述的基于流固耦合的对血管血流与环管腔组织进行模拟的方法，其特征在于：所述步骤一中移除区域时还可选择在感兴趣区域的终止端，延长中心线将五个平均冠脉直径之后的末端分支移除。3.根据权利要求1所述的基于流固耦合的对血管血流与环管腔组织进行模拟的方法，其特征在于：所述步骤二中根据组织在对应三维网格中对应位置，采用调整后的穆里
‑
里夫林应变能密度函数进行材料本构填充。4.根据权利要求1所述的基于流固耦合的对血管血流与环管腔组织进行模拟的方法，其特征在于：所述步骤三中左右冠脉流量可根据总流量的4％进行分配。5.基于流固耦合的对血管血流与环管腔组织进行模拟的系统，其特征在于，包括如下单元：图形处理单元、网格生成单元、边界选取单元、模拟分析单元、后处理单元；所述图形处理单元用于确认动脉感兴趣区域，除去无意义的末端分支后建立三维...

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