一种基于数值模拟的主动脉瓣膜支架接触有限元仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种基于数值模拟的主动脉瓣膜支架接触有限元仿真方法，包括以下步骤：步骤一，基于心血管影像数据和心血管造影图像，构建原始三维模型，并构建原始人工主动脉瓣膜支架三维模型；步骤二，将三维模型导入有限元仿真软件中，分别设置生物力学参数和对应的分析模型；步骤三，设置分析模型的边界条件，并对三维模型进行网格划分，确定网格数据；步骤四，根据生物力学参数、边界条件、网格数据和分析模型进行有限元仿真计算；步骤五，根据仿真结果确定冠脉阻塞风险指数和术后瓣周漏风险指数。本发明专利技术不仅提高了手术风险评估的准确性，还能够为人工瓣膜支架的设计提供参考数据，为进一步优化人工瓣膜的设计与开发提供有效参考。效参考。效参考。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数值模拟的主动脉瓣膜支架接触有限元仿真方法


[0001]本专利技术属于生物力学仿真
，具体涉及一种基于数值模拟的主动脉瓣膜支架接触有限元仿真方法。

技术介绍

[0002]主动脉是体循环中的主干血管，主动脉瓣位于左心室和主动脉之间，是抑制射入主动脉的血流回流入左心室的薄膜，承担着压力与损耗。主动脉瓣是位于左心室和主动脉之间，抑制射入主动脉的血流回流入左心室的薄膜。因为处于中心位置，主动脉瓣与各个心腔和瓣膜关系密切。在每一个心动周期都会经历一次打开和关闭的过程。而频繁的压力作用导致主动脉瓣成为人体中容易发生病变的部位。主动脉瓣发生病变则会严重威胁到人类的生命安全，严重的主动脉瓣病变会引起心脏前后负荷升高，进而发展为左心心力衰竭，甚至导致患者猝死。主动脉瓣的主要病变类型为钙化、变形等物理病变，钙化阻碍了小叶的全范围运动，导致从左心室到主动脉的血流受阻，心室功能不全。由于缺乏有效的靶向治疗药物，经导管主动脉瓣置换术(TAVR)成为治疗的主要手段，相比于传统的开胸手术，以介入方法植入支架替换病变瓣膜，该手术将人工瓣膜经过主动脉输送到靠近左心室的位置，在主动脉瓣处释放，以人工瓣膜替代原生的瓣膜进行工作，无需开胸对身体损伤小。
[0003]目前的术前规划主要方式为，通过术前和术中成像的测量结果，判断与评估人工瓣膜的型号选择与植入位置。对主动脉根部进行CT图像采集，完成主动脉瓣环的确定与测量，测量出左室流出道、主动脉窦、窦管结合部，测量升主动脉内径、周长、冠状动脉开口距瓣环的高度、粥样硬化情况、钙化分布情况等，通过MDCT成像，可以清晰地了解主动脉瓣瓣叶的形态、瓣叶及瓣环交界处的钙化的形态和程度，可作为超声成像的补充。借由图像采集的方式，临床医生得以通过图像数据完成对手术的风险评估。此种评估方法对与临床医生的经验依赖性比较高，且缺乏定量判断的数值依据，评估结果的准确性不佳。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种基于数值模拟的主动脉瓣膜支架接触有限元仿真方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0005]一种基于数值模拟的主动脉瓣膜支架接触有限元仿真方法，包括以下步骤：
[0006]步骤一，基于心血管影像数据和心血管造影图像，通过计算机三维建模重建患者的心脏的原始三维模型，并构建原始人工主动脉瓣膜支架三维模型；其中，所述原始三维模型包括：指示主动脉根部、主动脉瓣和左心室流出道的原始心脏三维模型和钙化斑块三维模型；
[0007]步骤二，将所述原始心脏三维模型、所述钙化斑块三维模型和所述原始人工主动脉瓣膜支架三维模型导入有限元仿真软件中，分别设置所述原始心脏三维模型、所述钙化斑块三维模型和所述原始人工主动脉瓣膜支架三维模型的生物力学参数和对应的分析模型；
[0008]步骤三，设置所述分析模型的边界条件，并对所述原始心脏三维模型、所述钙化斑块三维模型和所述原始人工主动脉瓣膜支架三维模型进行网格划分，确定网格数据；
[0009]步骤四，根据所述生物力学参数、所述边界条件、所述网格数据和所述分析模型进行有限元仿真计算，得到心脏三维应力云图和支架三维应力云图；
[0010]步骤五，根据所述心脏三维应力云图和所述支架三维应力云图和对应的数据确定冠脉阻塞风险指数和术后瓣周漏风险指数。
[0011]在本专利技术的一个实施例中，所述方法还包括：
[0012]通过计算机断层扫描获得术前的患者的所述心血管影像数据，并通过造影系统和心电门控系统获取患者注射造影剂后的所述心血管造影图像。
[0013]在本专利技术的一个实施例中，生物力学参数包括杨氏模量、泊松比和密度中的一种或多种。
[0014]在本专利技术的一个实施例中，所述原始心脏三维模型的分析模型为超弹性模型；所述钙化斑块三维模型的分析模型为线性弹性模型；
[0015]所述超弹性模型的表达式为：
[0016][0017]在本专利技术的一个实施例中，所述钙化斑块三维模型为线性弹性模型。
[0018]在本专利技术的一个实施例中，所述边界条件包括原始心脏三维模型的主动脉根部的分割位置的固定约束和所述原始人工主动脉瓣膜支架三维模型的z方向和沿径向向外的指定位移。
[0019]在本专利技术的一个实施例中，所述z方向的指定位移为0；
[0020]所述沿径向向外的指定位移为：
[0021][0022]其中，a表示原始人工主动脉瓣膜支架三维模型扩张的距离，X表示添加到x方向的指定位移，Y表示添加到y方向的指定位移。
[0023]本专利技术的有益效果：
[0024]本专利技术通过有限元仿真的方式模拟手术过程的主动脉所受到的压力分布情况，以便有效、准确地得到患者特异性的生理状态模拟信息，从而判断各人工瓣膜支架物理模型的植入可能引起的术后风险指数，不仅提高了手术风险评估的准确性，还能够为人工瓣膜支架的设计提供参考数据，为进一步优化人工瓣膜的设计与开发提供有效参考。
[0025]以下将结合附图及实施例对本专利技术做进一步详细说明。
附图说明
[0026]图1为本专利技术实施例提供的一种基于数值模拟的主动脉瓣膜支架接触有限元仿真方法的流程示意图；
[0027]图2为本专利技术实施例提供的原始心脏三维模型、钙化斑块三维模型和原始人工主动脉瓣膜支架三维模型网格划分示意图；
[0028]图3为本专利技术实施例提供的心脏三维应力云图和支架三维应力云图。
具体实施方式
[0029]下面结合具体实施例对本专利技术做进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。
[0030]实施例一
[0031]如图1所示，一种基于数值模拟的主动脉瓣膜支架接触有限元仿真方法，包括以下步骤：
[0032]步骤一，基于心血管影像数据和心血管造影图像，通过计算机三维建模重建患者的心脏的原始三维模型，并构建原始人工主动脉瓣膜支架三维模型。
[0033]其中，原始三维模型包括：指示主动脉根部、主动脉瓣和左心室流出道的原始心脏三维模型和钙化斑块三维模型。
[0034]在步骤一之前，通过计算机断层扫描获得TAVR术前的患者的心血管影像数据，提取分割出主动脉根部、主动脉瓣、左心室流出道、钙化斑块部分的影像数据。该心血管影像数据是未注射造影剂的心血管影像。之后患者注射造影剂后，通过造影设备扫描，并可以采用心电门控辅助进行扫描，进行心血管造影图像的获取。
[0035]这里，原始人工主动脉瓣膜支架三维模型可以根据所要使用的支架的型号的相关数据进行构建。
[0036]步骤二，将原始心脏三维模型、钙化斑块三维模型和原始人工主动脉瓣膜支架三维模型导入有限元仿真软件中，分别设置原始心脏三维模型、钙化斑块三维模型和原始人工主动脉瓣膜支架三维模型的生物力学参数和对应的分析模型。生物力学参数包括杨氏模量、泊松比和密度中的一种或多种。
[0037]具体地，将原始心脏三维模型和钙化斑块三维模型导入有限元仿真软件中，并设置原始心脏三维模型和钙本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数值模拟的主动脉瓣膜支架接触有限元仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，基于心血管影像数据和心血管造影图像，通过计算机三维建模重建患者的心脏的原始三维模型，并构建原始人工主动脉瓣膜支架三维模型；其中，所述原始三维模型包括：指示主动脉根部、主动脉瓣和左心室流出道的原始心脏三维模型和钙化斑块三维模型；步骤二，将所述原始心脏三维模型、所述钙化斑块三维模型和所述原始人工主动脉瓣膜支架三维模型导入有限元仿真软件中，分别设置所述原始心脏三维模型、所述钙化斑块三维模型和所述原始人工主动脉瓣膜支架三维模型的生物力学参数和对应的分析模型；步骤三，设置所述分析模型的边界条件，并对所述原始心脏三维模型、所述钙化斑块三维模型和所述原始人工主动脉瓣膜支架三维模型进行网格划分，确定网格数据；步骤四，根据所述生物力学参数、所述边界条件、所述网格数据和所述分析模型进行有限元仿真计算，得到心脏三维应力云图和支架三维应力云图；步骤五，根据所述心脏三维应力云图和所述支架三维应力云图和对应的数据确定冠脉阻塞风险指数和术后瓣周漏风险指数。2.根据权利要求1所述的一种基于数值模拟的主动脉瓣膜支架接触有限元仿真方法，其特征在于，所述方法还包括：通过计算机断层扫描获得术前...

【专利技术属性】
技术研发人员：费春龙，李江明，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：