CN109863501A - 针对患者定制的冠状动脉旁路移植物的快速成型和体外建模 - Google Patents

针对患者定制的冠状动脉旁路移植物的快速成型和体外建模 Download PDF

Info

Publication number
CN109863501A
CN109863501A CN201780058769.0A CN201780058769A CN109863501A CN 109863501 A CN109863501 A CN 109863501A CN 201780058769 A CN201780058769 A CN 201780058769A CN 109863501 A CN109863501 A CN 109863501A
Authority
CN
China
Prior art keywords
patient
blood vessel
customization
coronary artery
processor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201780058769.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109863501B (zh
Inventor
詹姆斯·K·敏
熊光磊
B·莫萨德
西蒙·邓纳姆
K·K·科拉尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cornell University
Original Assignee
Cornell University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Cornell University filed Critical Cornell University
Publication of CN109863501A publication Critical patent/CN109863501A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109863501B publication Critical patent/CN109863501B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L27/507—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials for artificial blood vessels
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/02—Arrangements for diagnosis sequentially in different planes; Stereoscopic radiation diagnosis
    • A61B6/03—Computed tomography [CT]
    • A61B6/032—Transmission computed tomography [CT]
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/50—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment specially adapted for specific body parts; specially adapted for specific clinical applications
    • A61B6/504—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment specially adapted for specific body parts; specially adapted for specific clinical applications for diagnosis of blood vessels, e.g. by angiography
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/14—Macromolecular materials
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/14—Macromolecular materials
    • A61L27/16—Macromolecular materials obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/14—Macromolecular materials
    • A61L27/18—Macromolecular materials obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/36—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses containing ingredients of undetermined constitution or reaction products thereof, e.g. transplant tissue, natural bone, extracellular matrix
    • A61L27/38—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses containing ingredients of undetermined constitution or reaction products thereof, e.g. transplant tissue, natural bone, extracellular matrix containing added animal cells
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/0002—Inspection of images, e.g. flaw detection
    • G06T7/0012—Biomedical image inspection
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/60—Analysis of geometric attributes
    • G06T7/62—Analysis of geometric attributes of area, perimeter, diameter or volume
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2207/00—Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/10—Image acquisition modality
    • G06T2207/10072—Tomographic images
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2207/00—Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/30—Subject of image; Context of image processing
    • G06T2207/30004—Biomedical image processing
    • G06T2207/30101—Blood vessel; Artery; Vein; Vascular
    • G06T2207/30104—Vascular flow; Blood flow; Perfusion
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06V—IMAGE OR VIDEO RECOGNITION OR UNDERSTANDING
    • G06V2201/00—Indexing scheme relating to image or video recognition or understanding
    • G06V2201/03—Recognition of patterns in medical or anatomical images

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Vascular Medicine (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Botany (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Quality & Reliability (AREA)
  • Dentistry (AREA)
  • Pulmonology (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Measuring Pulse, Heart Rate, Blood Pressure Or Blood Flow (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)

Abstract

本公开描述了用于产生用于冠状动脉旁路移植(CABG)手术的针对患者定制的小直径血管移植物(SDVG)的系统和方法。在一些实施方案中，用于产生SDVG的方法包括通过将计算流体动力学(CFD)，快速原型制作和体外技术应用于医学图像来对患者定制的冠状动脉和血管生理学进行非侵入性量化，并将量化的对患者定制的冠状动脉和血管生理学从CFD耦合到计算流体‑结构相互作用和SDVG结构因子，以设计对患者定制的SDVG。

Description

针对患者定制的冠状动脉旁路移植物的快速成型和体外建模
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年7月22日提交的题为“针对患者定制的冠状动脉旁路移植物的计算建模和快速成型”的美国临时专利申请62/365474的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
背景技术
提供以下描述以帮助理解读者。所提供的信息或引用的参考文献均未被认为是本技术的现有技术。
冠状动脉疾病(CAD)是患者发病率和死亡率的重要原因。在美国，CAD影响超过1600万成年人，占死亡人数的三分之一以上，每年造成120多万人住院。尽管进行了药物治疗，但每年仍需要超过150万人进行冠状动脉血运重建。对于患有复杂多血管疾病的稳定个体，冠状动脉旁路移植术(CABG)仍然是心肌缺血减少的主要治疗方法，并且每年在美国为近40万人进行治疗。
后CABG发病率和死亡率仍然很高。早期CABG闭塞-特别是隐静脉移植物(SVG)-在10％的移植物中发生，50％在18个月内失败。此外，30％的个体甚至不具有适合CABG的自体条件。自体移植物可以以各种尺寸生产。通常，小直径移植物可包括直径小于约6mm的移植物。中直径移植物可包括直径在约6mm和约8mm之间的移植物。大直径移植物可包括直径大于约8mm的移植物。
小直径血管移植物(SDVG)失败的常见原因是一系列重叠因素，未充分考虑影响长期SDVG通畅的变量总数。这些可包括：(i)对患者定制的心胸解剖和生理学，以告知移植物的大小，位置，角度和路径以优化流动；(ii)SDVG的特征，例如机械性能，确保足够的移植物顺应性以适应脉动流动状态，同时避免扭结和减少耐久性，以及表面生物相容性，以最小化炎症和血小板粘附；(iii)手术相关因素，例如最佳血运重建策略，以将移植物适当地定位于特定动脉以减轻缺血，以及使吻合口闭塞或流量减少最小化。
发明内容
根据本公开的一个方面，一种方法包括接收受试者的至少一个医学图像。该方法还包括确定受试者的冠状动脉体积几何形状。响应于至少一个医学图像确定体积几何形状。该方法还包括响应于确定的冠状动脉体积几何形状生成对患者定制的血管图模型。该方法还包括使用对患者定制的血管图模型确定血液动力学曲线。该方法还包括基于血液动力学曲线和确定的冠状动脉体积几何形状产生对患者定制的血管移植物。
在一些实施方式中，该方法可以包括用3D打印机打印对患者定制的血管移植物。对患者定制的血管移植物可具有约0.5mm至约6mm的内径。在一些实施方案中，对患者定制的血管移植物由生物相容性聚合物形成。在一些实施方案中，对患者定制的血管移植物沿其长度的至少一部分表现出连续的空间变化的机械性质。
在一些实施方式中，确定冠状动脉体积几何形状可包括确定冠状动脉的动脉中心线。该方法还可以包括执行冠状动脉体积几何形状的腔分割。在一些实施方式中，该方法可以包括计算对患者定制的血管移植物的流量，速度，压力或剪切应力中的至少一个。
在一些实施方式中，计算对患者定制的血管移植物的流量、速度、压力或剪切应力中的至少一个可包括提供包括泵、对患者定制的血管移植物和至少一个测量工具的流动系统。所述至少一个测量工具可以是压力计、流量计、速度计、粒子图像测速装置、压力导丝、导流线、光学相干断层摄影装置或应变传感器中的至少一种。在一些实施方式中，生成血液动力学曲线还可包括基于一组参数应用优化技术，所述参数包括流速、压力梯度、剪切应力或流动振荡中的至少一个。在一些实施方式中，至少一个医学图像包括至少一个计算机断层血管造影(CTA)图像。
根据本公开的另一方面，一种系统包括至少一个处理器和存储处理器可执行指令的存储器单元。当至少一个处理器执行处理器可执行指令时，至少一个处理器接收对象的至少一个医学图像。处理器还响应于至少一个医学图像确定受试者的冠状动脉体积几何形状。处理器响应于确定的冠状动脉体积几何形状生成对患者定制的血管图模型。处理器还使用对患者定制的血管图模型确定血液动力学曲线。处理器还基于血液动力学曲线和确定的冠状动脉体积几何结构产生用于产生对患者定制的血管移植物的指令。
在一些实现中，处理器可执行指令的执行使得至少一个处理器将指令发送到3D打印机。在一些实施方案中，用于产生对患者定制的血管移植物的说明书指示对患者定制的血管移植物应由生物相容性聚合物形成。在一些实施方案中，用于产生对患者定制的血管移植物的说明书指示对患者定制的血管移植物应沿其长度的至少一部分表现出连续的空间变化的机械性质。
在一些实施方式中，处理器可执行指令的执行还使得至少一个处理器通过确定受试者的动脉中心线来确定冠状动脉体积几何形状。在一些实施方式中，处理器可执行指令的执行还使得至少一个处理器执行冠状动脉体积几何形状的管腔分割。
在一些实施方式中，处理器可执行指令的执行还使得至少一个处理器计算对患者定制的血管移植物的流量，速度，压力或剪切应力中的至少一个。
在一些实施方式中。执行处理器可执行指令还使处理器基于从包括泵和对患者定制的血管移植物的流动系统内包括的至少一个测量工具接收的输出，计算对患者定制的血管移植物的流量、速度、压力或剪切应力中的至少一个。在一些实施方式中，所述至少一个测量工具包括压力计、流量计、速度计、粒子图像测速装置、压力导丝、导流线、光学相干断层摄影装置或应变传感器中的至少一个。在一些实施方式中，至少一个医学图像包括至少一个(CTA)图像。
附图说明
这里描述的附图仅用于说明目的。应当理解，在一些情况下，可以夸大或放大示出所描述的实现的各个方面，以便于理解所描述的实现。在附图中，相同的附图标记在各个附图中通常指代相同的特征，功能相似和/或结构相似的元件。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在说明本教导的原理上。附图不旨在以任何方式限制本教导的范围。从以下参考以下附图的说明性描述中可以更好地理解该系统和方法，其中：
图1示出了用于产生对患者定制的血管移植物的示例系统。
图2示出了冠状动脉和心肌的基于3D图像的建模。
图3示出了冠状动脉压力和速度的示例计算。
图4示出了速度(左)和壁剪切应力(右)相对于吻合角的差异。
图5A示出了作为3D打印物理模型的对患者定制的血管移植物。
图5B示出了体外流动循环系统的示例。
图5C和5D示出了跟踪粒子运动和计算小直径管状模型内的脉动流体速度。
图6示出了基于生理学规定的流动使用下游阻力产生实际压力的体外台式流动系统。
图7示出了固定主动脉组织的示例性机械特性。
图8示出了实验的示例流程图。
图9示出了示例性实验时间线。
图10示出了使用图1所示系统产生对患者定制的血管移植物的示例性方法。
图11示出了具有对患者定制的血管移植物的示例性流动系统。
具体实施方式
以上介绍并在下面更详细讨论的各种概念可以以多种方式中的任何一种来实现，因为所描述的概念不限于任何特定的实现方式。提供特定实现和应用的示例主要是出于说明性目的。
通常，本公开描述了用于产生和验证对患者定制的小直径血管移植物(SDVG)的系统和方法，以及用于冠状动脉旁路移植(CABG)手术的模型。该系统可以生成反映真实生理状况的SDVG的对患者定制的数学和物理模型，这可以实现对促进移植物通畅的特征的个体和综合评估，以及随后使用优化的体内植入模型。在一些实施方案中，SDVG具有介于约0.5mm与约6mm之间的内径。在一些实施方式中，用于产生SDVG的方法包括通过将计算流体动力学(CFD)应用于一个或多个医学图像并将来自CFD的量化的对患者定制的冠状动脉和血管生理学耦合到计算流体-结构相互作用和SDVG结构因子以设计对患者定制的SDVG实现对患者定制的冠状动脉和血管生理学的非侵入性量化。在一些实施方式中，可以使用磁共振成像(MRI)、磁共振血管造影(MRA)或计算机断层血管造影(CTA)来生成医学图像。
图1示出了用于设计和生成对患者定制的SDVG的系统100。系统100包括打印子系统102，控制器104和生物反应器106。打印子系统102包括多个槽110(a)-110(c)(统称为槽110)。槽110位于平移台112的顶上。光源114、镜子116和透镜118位于平移台112下方。打印子系统102还包括构建平台120。对患者定制的SDVG 122耦合到构建平台120。控制器104包括解剖引擎124和CFD引擎126。
该系统包括打印子系统102，其被配置为在由控制器104设计对患者定制的SDVG122之后制造对患者定制的SDVG 122.在一些实施方式中，打印子系统102可以是任何3D打印系统。在其他实施方式中，打印子系统102可以是多材料生物打印立体光刻系统，其可以制造复杂的复合细胞接种水凝胶。作为概述，打印子系统102可包括多个桶，每个桶包括不同的生物链。生物链可包括不同的树脂组合物。该组合物可包括不同浓度和种类的单体，交联剂，细胞和其他成分。不同的生物材料可用于形成印刷生物材料的不同层。如下所述，生物打印机可以实现印刷生物材料的高分辨率控制。生物打印机的高分辨率使得能够开发局部细胞环境，其在化学和物理上为种子细胞的增殖，分化和迁移提供正确的刺激。在一些实施方案中，可将多个细胞类型接种在相邻层中。本文描述的系统使得能够制造不同水凝胶的复杂层次结构，其提供复杂生物组织的精确合成副本。
打印子系统102可以使用分辨率为约30μm的可见光将不同的生物链接固化成3D结构。印刷子系统102可以以逐层的方式构建组织，其中每个层可以包括三个(或更多个)不同的定制生物链，具有可以形成对患者定制的SDVG 122的内腔的图案化空隙。
打印子系统102包括平移台112.平移台112被配置为在水平平面上平移。在一些实施方案中，平移台112可沿水平平面在单个方向上平移，且在其它实施方案中，平移台112可沿水平平面的多个方向平移。平移台112对光源114产生的光是光学透明的，使得光可以通过平移台112到达桶110。
打印子系统102还包括连接到平移台112的顶表面的桶110。每个桶110保持在生物打印过程中使用的不同流体。例如，流体可包括生物链和清洁溶液。控制器104被配置为将构建平台120下方的不同的一个桶110定位。槽110的底部对光源114产生的光是光学透明的，使得从光源114(并且通过平移台112)传递的光可以传递到保持在槽110中的液体。在一些实施方案中，每个桶110的内部，底部表面涂覆有特氟隆涂层，以防止固化的生物材料层粘附到桶110上。在一些实施方案中，清洁溶液包括可包含例如异丙醇的溶剂浴。在一些实施方式中，该系统还可以包括机械清洁，例如橡胶擦拭器，其去除多余的生物活性物质。
存储在桶110中的生物链被光源114发出的光固化(或以其他方式固化)。在一些实施方式中，打印子系统102可包括约1至约10，约1至约5，或1至约3个桶110，每个桶存储不同类型的生物链。生物链可包括可光固化的水凝胶和内膜的主要细胞类型(例如，内皮细胞)，培养基(例如，平滑肌细胞)或外膜(例如，成纤维细胞)。在一些实施方案中，生物链接物可包括在可见光下聚合的生物相容性水凝胶。生物链接可以包括水凝胶配方，其包括光引发剂，共引发剂和自由基清除剂，其防止在掩模之外的不期望的聚合。
打印子系统102还包括光源114。生物链的层通过从光源114发射的光迭代地固化。在一些实施方案中，光源114产生可见光谱中的光，且在其它实施方案中，光源114产生紫外光。在一些实施方式中，光源114包括激光器或具有检流计的LED阵列。
打印子系统102的光源114将光(在可见光或紫外范围内)投射到镜子116上。在一些实施方案中，镜子116包括数字镜子装置(DMD)阵列。每个DMD可以形成掩模的“像素”。在这些实现中，控制器104控制每个DMD的状态以生成掩码。当DMD打开时，它将光从光源114反射向构建平台120。当DMD关闭时，它不会反射光线。控制器104配置DMD，使得掩模对应于生物打印部分122的下一层。DMD的使用使得生物打印部分122的整个层能够立即固化。在不使用DMD的其他实施方式中，所产生的光源(例如，激光束)横跨槽110的底部光栅化以固化生物链。在一些实施方式中，DMD的使用使得打印子系统102对基于喷嘴的挤出打印机所经历的对准问题不太敏感。打印子系统102还包括透镜118，其可以将投射的光聚焦到构建平台120下方的平移台112的底部上。
在一些实施方式中，系统100可包括生物反应器106，其可包括脉动流泵，管道，丙烯酸壳，压力传感器和流量计。生物反应器106可以使介质再循环通过对患者定制的SDVG122。使用压力传感器，可以跟踪脉动流量。
在一些实施方案中，应用生理脉动流可促进动脉中细胞和细胞外基质(ECM)的正确对齐和成熟。可以将动脉调节不同的时间点(例如，每周最多两个月)并评估其细胞活力和爆破压力。
在一些实施方案中，生物打印的动脉可通过血管收缩/扩张对流动作出响应。使用生物反应器，可以应用各种稳态流速，同时通过相机连续捕获图像。将测量对脉动流的各种频率和幅度的响应以表征平滑肌细胞的动态。
系统100还包括控制器104。在一些实现中，控制器104可以用通用处理器，微控制器，现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)来实现。在一些实施方式中，控制器104可以控制桶110相对于构建平台120的定位。控制器104还可以控制从光源114发射的光的强度和持续时间。控制器104还可以用镜子116控制掩模的产生。
控制器104包括解剖引擎124和CFD引擎126。在一些实施例中，CFD引擎126和解剖引擎124可以确定对患者定制的SDVG 122的因子，例如但不限于对患者定制的SDVG 122应该承受的流量、速度、压力、能量损失、剪切应力和作用力。控制器104还可以生成对患者定制的SDVG 122的3D结构。在一些实施方案中，当印刷时，对患者定制的SDVG 122可基本上复制体外移植物血液动力学和壁力学以及由CFD引擎126和解剖学引擎124确定的其他因素。在一些实施方案中，印刷的对患者定制的SDVG 122可以在植入后维持足够的血流，减少血栓形成和减少炎症。
举例来说，但不作为限制，考虑两名患者被考虑用于具有显着临床异质性的CABG。如表1所示，由于多种原因，对患者定制的差异可能明显影响SDVG通畅，包括移植物大小，位置，角度和路径，微循环阻力，血流和灌注压力以及血运重建策略。竞争和抵押品流动等其他因素也至关重要。
在一些实施方案中，对患者定制的血液动力学被CFD引擎126整合到对患者定制的SDVG的产生中。作为示例，但不作为限制，在一些实施例中。对患者定制的血液动力学包括但不限于振荡，停滞，通过移植物的流动的能量损失，壁力学(例如，低剪切应力和移植物壁上的侧向牵引)，以及移植物-动脉顺应性不匹配。
例子
通过以下实施例进一步说明本技术，这些实施例不应被解释为以任何方式进行限制。
实施例1：冠状动脉的CTA可以是侵入性冠状动脉血管造影(ICA)的非侵入性选择。在一些实施方案中，解剖引擎124经配置以在约500μm的各向同性空间分辨率下接收无运动图像(例如，CTA图像)。在一个示例中，系统100在ICA之前对230名患者执行CTA，而不考虑体重指数或心率。对于狭窄严重程度，与ICA相比，CTA分别显示出94％，83％，48％和99％的敏感性，特异性，阳性预测值和阴性预测值。
解剖引擎124可以接收CTA数据以生成3D冠状动脉几何形状，用于冠状动脉解剖结构的基于图像的建模。解剖引擎124确定动脉中心线提取200。使用中心线提取，可以执行管腔分割和狭窄202。解剖引擎124还可以执行血管壁分割和斑块检测204和动脉共同配准206。解剖引擎124还可以利用3D动脉覆盖208执行心肌分割。解剖引擎124还可以生成具有2D扁平动脉覆盖层210的17段模型。
示例2：在一些实施方式中，解剖引擎124可以生成关于对患者定制的SDVG的解剖信息。CFD引擎126可以通过对解剖信息执行计算流体动力学来生成血液动力学曲线。通常，血液动力学曲线可包括临床因素，设计因素或其他因素，例如流动振荡，流动停滞，流动能量损失，壁力学，剪切水平和移植物-动脉顺应性不匹配。CFD引擎126可以计算主动脉和冠状动脉血流和压力的血液动力学(例如，生理学)数据。图3示出了由CFD引擎126在对患者定制的SDVG 122中计算的压力，速度和流量。在一些实施方式中，CFD引擎126可以通过选择冠状血管和血管内的位置来规划“虚拟”血运重建策略，以对血流特征和缺血减少进行血管再生。图4示出了经皮冠状动脉血运重建术后对患者定制的SDVG 122。
在一些实施方式中，为了增加对患者定制的分析的吞吐量，系统可以使参数化模型生成自动化。使用患者特定的几何结构，根据感兴趣的设计参数生成一系列扰动的数学模型和模拟网格。CFD模拟数据的建模，网格化，提交和检索由脚本自动运行，可以对所有CABG配置进行批量测试。
在一些实施方案中，体外流动模型可用于计算对患者定制的SDVG 122的壁剪切应力(WSS)(表2)。WSS涉及新内膜增生和血栓形成的发病机制。
CFD＝计算流体动力学；FSI＝流体结构相互作用；PIV＝粒子图像测速
在一些实施方式中，CFD引擎126可以使用流体-结构相互作用来模拟心血管生理学，以量化血管壁上的变形和应力。采用具有空间变化特性的流体-结构相互作用更好地捕获了波传播现象，这产生了与体内动态成像更大的匹配。
例3：由于涉及大量参数和设计目标的复杂性，CABG的先前CFD设计通常采用过于简单的假设-包括理想化的解剖学，刚性壁和不切实际的边界条件-并且通过“反复试验”来寻求解决方案。在一些实施方式中，控制器104可以联合计算机辅助设计，CFD，流体-结构相互作用和优化方法，以提供对生理上重要变量的排列和组合的更全面的探索。例如，CABG和冠状动脉之间的吻合角可以显着影响血液动力学。图4示出了在相同冠状动脉段中远端移植物吻合的不同角度的速度和WSS的显着差异。这些计算评估可用于减少由天然动脉的流动冲击引起的能量损失和内皮损伤，同时将WSS保持在生理范围内并且将异常再循环流限制在最小区域。控制器104可以使用无导数的方法来搜索大的设计空间，以识别满足在一系列生理条件(例如，休息和锻炼)中最小化不利流动条件的要求的最佳CABG设计；并允许对可在体外实施和测试的集成设计进行彻底而简约的选择。
实施例4：使用由印刷子系统102(例如，多材料高分辨率3D打印系统)制造的对患者定制的SDVG物理模型在台式流动循环系统中进行体外测量。实验证明，系统100可以产生具有连续空间变化的机械特性的复杂3D动脉几何形状。图5A示出了对患者定制SDVG 122作为3D打印物理模型。3D打印物理模型可以通过3种不同的方法评估影响SDVG血流动力学和壁力学的患者特异性，移植物特异性和手术技术相关因素：(i)血管内压力和流量传感器，(ii)粒子图像测速(PIV)和(iii)嵌入式软应变传感器。
图5B和6示出了体外流动循环系统，其构建为近似冠状动脉血流生理学以确定输入限定流速(Q)、近端(Pa)和远端(Pd)压力与狭窄(Rp)和远端微血管(Rd)的阻力之间的关系。流动循环系统可包括可编程流动泵、对患者定制血管模型、下游阻力模块，以及血管内压力和流量传感器。在流动循环系统中，使用3D打印制造具有50％狭窄的冠状动脉，并且使用泵来规定三种流速，具有不同的微血管阻力以匹配四个近端压力水平。根据流量和阻力的扰动，远端压力显着不同，并证实了流入/流出条件对优化容器内压力的重要性。
PIV也被整合到流量循环系统中。图5C和5D示出了跟踪粒子运动和计算小直径管状模型内的脉动流体速度。PIV的速度测量与上述压力测量一致，并证明体外流动和PIV系统的集成不仅可以测量压力，还可以测量高空间(约20μm)和时间分辨率(约100Hz)的速度)。
在一些实施方案中，通过导电水凝胶和介电弹性体的直接喷嘴挤出产生的3D打印的软应变传感器被并入SDVG中。传感器的柔软度(<1MPa)和小尺寸(<0.5mm总厚度)允许集成在SDVG内，以便连续监测应变曲线。该技术是有利的，因为可以在SDVG内的不同位置嵌入多个传感器。表2列出了可由传感器评估的血液动力学和力学样本。
实施例5：图7显示了冠状动脉的机械性质。在一些实施方式中，系统100可以响应于冠状动脉的机械特性产生对患者定制SDVG 122，使得对患者定制SDVG 122具有提供有利的血液动力学，生物相容性和耐久性的仿生特征。
实施例6：图8说明使用计算机，体外和体内方法验证SDVG用于CABG手术的分层方法。优化的SDVG将在流动系统中进行测试，该流动系统具有通过如本文所述的3D打印(体外)制造的对患者定制解剖结构。计算机和体外工作都将产生优化的对患者定制CABG，其性能将在猪体内验证。
示例7：在一些实施方式中，解剖引擎124可以通过利用机器学习通过利用不同器官之间的空间和拓扑关系的相对稳定性来自动描绘胸腔中的结构，从而在基于数学模型的方法中执行心脏分割。通过隐式厚度定义将器官壁等分为内层和外层的内侧模型可用作心胸形状模板。该分割可以用于检测用于建立仿射变换的界标，其允许将模板变形为要分割的图像体积。然后细化每个结构的模板表面，使模板表面与图像中的目标边界正确对齐。
实施例8：在一些实施方式中，给定近端和远端吻合部位，并且对患者定制SDVG的几何形状可以通过其间的控制节点的坐标和直径来参数化。因此，平滑的对患者定制SDVG模型可以通过这些主要参数的组合唯一地定义。其他常见变量，如吻合口处的孔口大小，移植物长度和曲率，均来自主要参数(表3)。对患者定制SDVG表面模型的设计可以包括使用旋转最小化技术在每个节点处定义局部坐标系，其中沿着中心线的切线方向和[，跨越横截面上的2D平面。通过扫描2D平面上的曲线，将移植物表面创建为结构化网格，这非常快并且允许实时交互式编辑和通过算法可编程修改。
在一些实施方案中，解剖引擎124可采用碰撞检测方法。碰撞检测方法可以通过约束参数的搜索空间来避免移植物穿过分割的关键解剖结构(例如，肺动脉)的路径。通过检查移植物是否穿过关键结构的边界框，然后验证移植物是否通过关键结构本身，通过两步加速算法检测碰撞。可以通过将表面三角形插入树数据结构中来改进第二步的速度，例如，AABB树，它将计算复杂度降低到。为了防止在静脉移植物中常见的复杂扭曲，伸长和曲折的通路，解剖引擎124可以使用一种方法来搜索最小长度和曲率的路径，满足以下条件：两端对应于近端和远端吻合部位，并且移植物的路径不跨越关键结构。可以通过在提出简化路径候选和改变路径以避免冲突之间交替来使用基于搜索的动态编程。
示例9：在一些实施方式中，CFD引擎126可以产生移植物壁的边界条件。对于流体-结构相互作用方法，可以使用基于任意拉格朗日-欧拉方法的流体结构相互作用。该方法可以将壁力学和血流耦合在一起，并且能够处理潜在的大位移。在一些实施方式中，附接到血管和移植物的外部结构可以使用集总边界条件来建模。为了测试移植物增加流动的效率并避免高功率假设和损伤风险，材料的刚度和强度可以是用于计算对患者定制SDVG的壁厚和机械刚度的另一组参数(表3)。允许这些参数的空间变化提供了额外的灵活性，移植物应该在吻合处与主动脉和冠状动脉的不同硬度相匹配。
示例10：在一些实施方式中，CFD引擎126可以确定对患者定制SDVG中的局部血液动力学的影响以及对患者定制SDVG如何改变下游血流模式。CFD引擎126可以使用感兴趣的CFD，目标函数和血液动力学变量(表2)来改善对患者定制SDVG设计。例如，流速，压力梯度，剪切应力和壁上的牵引力，流动振荡和分离，能量损失，移植物运动和变形，或几个变量的组合。
在一些实施方式中，血液动力学目标函数可以与基于形状的特征(例如曲率或长度)组合以避免过于复杂的几何形状。一般的对患者定制SDVG优化问题可以写成敏F(P)，s.t.Gmin<＝G(P)<＝Gmax，其中P是对患者定制SDVG设计中所有参数的向量，并且F(P)是要优化的目标函数，例如，最大化对患者定制SDVG的流速。G(P)表示在优选范围Gmin和Gmax之间的血液动力学目标中的约束列表。首先，将选择最敏感的参数以优化感兴趣的变量。例如，当考虑WSS时，可以省略壁刚度；WSS在生理范围内具有不同的刚度水平，仅变化5％。
示例11：在一些实施方式中，124可以使用来自一组患者的理想化和患者特定的几何形状来生成对患者定制SDVG。理想化的几何形状将包括升主动脉和几个冠状动脉的圆柱形状，这有助于在添加几何复杂性之前生成合理的数据，尤其是在模拟新策略时。对于特定患者的评估，将确定常见的几何形状和潜在的失效模式。为了解决当每个参数次优时可以通过参数组合实现整体优化设计的可能性，将使用通过在更新的参数下重复优化的迭代方法。将进行定性和定量分析，以确定此类发现的概念稳健性，普遍性和统计显着性。
实施例12：在一些实施方式中，CFD引擎126使用以下方式计算血液动力学和壁力学变量：(i)从压力计接收的压力测量值，(ii)从导丝接收的压力和流量测量值，(iii)响应于PIV接收的流速，颗粒停留时间和振荡，以及(iv)应变测量。
实施例13：在一些实施方案中，系统可通过固定主动脉和冠状动脉的几何形状来评估任何给定变量对血液动力学的影响。这样做是为了识别最佳的对患者定制SDVG几何形状，而不需要首先考虑壁变形。由CFD引擎126建议的单个几何变量和流体-结构相互作用被逐一探索，并且系统地变化以确定它们的加权效果。
可以相互组合评估可以改善血液动力学的单个变量，以确定它们的加性或协同改善效果，以及通过使用弹性壁预测的流体-结构相互作用。可以以逐步的方式产生对患者定制SDVG，以确定任何单个变量对多变量集成SDVG的有益效果。
在通过该宽参数空间识别最佳SDVG设计时，CFD引擎126评估基于CTA的对患者定制模型。心胸解剖和原生冠状动脉机械性能信息包括在评估中。模型在不同的患者类型上进行测试。选择以下解剖学发现不同的患者：(i)心胸尺寸和几何形状；(ii)主动脉大小，曲折度和位置，(iii)冠状动脉大小，曲折度和位置，以及(iv)冠状动脉疾病的程度和严重程度。
实施例14：由于手术技术的复杂性和可变性，当植入体内时可以减轻优化的SDVG的益处。为了解释这一点，在体外进行“台式手术”以评估实现有益的SDVG血液动力学所需的灵敏度。例如，如果存在来自SDVG角度的显着可变性，则提供到外科医生的定向标记以用于理想的SDVG角度部署。同样，可以生产具有不能缝合到小于一定尺寸的孔的SDVG。在一些实施方案中，“台式手术”物理模型包括使用聚氨酯和如果添加剂，聚四氟乙烯(PTFE)，膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的受试者内对照。
实施例15：为了确保优化的SDVG具有足够的耐久性以承受体内的长期循环应变，将进行加速循环耐久性测试。这些测试将包括施加比生理水平略高的应变(～40％径向应变)，其频率是正常心率的5倍。测试将进行18天，因此将评估优化SDVG的耐久性，相当于正常条件，持续90天。
实施例16：通过优化SDVG血液动力学和壁力学可以降低血栓形成性。制造的SDVG的血栓形成性质将通过以下方法测定：(i)鉴定透明SDVG中不透明度变化的光学方法，以表征血栓形成的时间，大小和分布；(ii)使用血液灌注前后SDVG重量变化的质量测量；(iii)使用低剪切阻抗聚集测定法和血液学参数的血小板活性。将测试未经处理的血液，用阿司匹林(81mg当量)和阿司匹林加氯吡格雷(75mg当量)治疗的血液。阿司匹林和阿司匹林加氯吡格雷治疗将被视为CABG后个体的标准治疗。优化的CABG将与其他SDVG进行比较，包括聚氨酯，ePTFE和聚对苯二甲酸乙二醇酯。OCT将用于评估耐久性和血栓形成性。为了耐久性，将检查SDVG的表面细节，并在全血循环后监测血栓形成，以制造不透明的SDVG。
实施例17：将测定优化的SDVG在幼稚家养猪体内的功效和安全性，其中主要终点是优化的CABG SDVG与常规聚氨酯SDVG对照相比的90天通畅率。通过粗略检查，血管内成像和病理学评估通畅性。将监测的其他因素包括：(i)安全性，(ii)评估天然冠状血管的血栓形成或闭塞，以及(iii)评估装置性能和处理。安全性将通过(a)形态测量参数(基于内部弹性膜(IEM)的％狭窄，新内膜厚度和面积，内侧面积和管腔面积，IEL和外部弹性膜面积)的总体和组织学分析来评估；(b)形态参数(包括炎症评分，血栓，内皮化，内侧平滑肌细胞增殖或丢失，纤维蛋白沉积，损伤和纤维化)；(c)扫描电子显微镜检查一部分血管用于内皮化和微血栓形成；(d)与器械有关的不良事件的记录。
图9显示了进行冠状动脉搭桥手术的猪的时间线。手术将在CRFSkirball干预中心进行。所有移植物将以端对端的方式吻合。根据接受CABG治疗的患者的治疗，所有受试者术前均接受阿司匹林，术后第二天开始使用氯吡格雷。直至安乐死的天数为7,30和90天，在终止前进行超声心动图，血管内成像(通过血管造影，OCT和血管内超声[IVUS])。对未经安乐死的动物进行7,30和90天的非终末超声心动图检查。
将有36只幼稚的家养猪接受适当的受试者内和受试者间对照(图10)。在每种情况下，用常规聚氨酯移植物作为比较物，CABG手术模型占被旁路血管的数量(1/3对3/3),在天然冠状血管中的狭窄百分比(70％对100％)和特定血管被绕过(左前降支，左回旋或右冠状动脉)(表4)。为了最大化用于评估的优化CABG的数量，对于所有受试者之间的比较，将以2：1的比例(例如，优化的CABG：聚氨酯对照)进行手术。
通过(a)实验室分析，(b)超声心动图，(c)血管内成像(ICA，OCT和IVUS)和(d)病理学分析猪。仅在安乐死之前的终止日期进行血管内成像和病理学检查。盲目的专家核心实验室读者将进行所有成像(心血管研究基金会或Dalio心血管成像研究所，纽约，纽约)和病理学研究(CV Path，Gaithersburg，MD)。
实验室分析。对于血液学，化学和纤维蛋白原，将在禁食过夜后评估血液样品。
超声心动图。将进行经胸超声心动图检查，强调移植物闭合的替代标志物(例如，射血分数，心室壁运动异常和舒张功能)。
血管内成像。血管内成像将在终止时进行。ICA将根据社会指南进行评估，以评估SDVG的通畅性。将通过定量冠状动脉造影(QCA)评估ICA的狭窄程度。具有高空间(10m)分辨率的OCT将用于评估优化的CABG的两种并发症：血栓形成和结构缺陷，但也可以评估动脉粥样硬化，巨噬细胞积聚和内膜增生。IVUS将用于狭窄和内膜增生的组织表征；以及外部和内部弹性薄层区域，管腔面积；并且得出新内膜面积和厚度，中间面积和管腔直径的值。
病理学将在验尸后进行。将灌注固定的血管，测试动脉和SDVG作为整体切除。处理过的血管将由病理学家检查与治疗和/或递送系统相关的血管撕裂，血肿或血栓。将所有样品包埋在石蜡中，切片并染色，然后进行生物反应分析，包括炎症、血栓、内皮化、内膜增生、纤维蛋白沉积、损伤、出血和坏死。
图10示出了用于产生针对患者定制的血管移植物的示例性方法1000。方法1000包括接收对象的至少一个CTA图像(步骤1002)。方法1000包括响应于CTA图像确定冠状动脉体积几何形状(步骤1004)。方法1000还包括生成血液动力学曲线(步骤1006)。方法1000还包括产生针对患者定制的血管移植物(步骤1008)。
如上所述，方法1000包括接收CTA图像数据(步骤1002)。在一些实施方式中，CTA图像数据包括患者的心脏或血管系统的图像数据。图像数据可包括小直径动脉和静脉的图像数据。在一些实施方案中，在通过计算机断层摄影装置成像之前给予患者富含碘的造影剂材料。应当理解，在一些实施方式中，方法1000可以替代地使用不同类型的医学图像来执行。例如，代替接收CTA图像，方法1000可以包括接收MRI或MRA图像。
方法1000还可以包括确定冠状动脉体积几何形状(步骤1004)。在一些实施方式中，确定冠状动脉体积几何形状可包括确定患者的冠状动脉(或其他动脉)的动脉中心线。方法1000还可以包括分割冠状动脉体积几何形状。
方法1000还可以包括生成血液动力学曲线(步骤1006)。在一些实现中。血液动力学曲线可包括临床因素(例如，表2中所示的任何因素)和设计因素(例如，表3中所示的任何因素)。其中可能包括流动振荡，流动停滞，流动能量损失，壁力学，剪切水平和移植物-动脉顺应性不匹配。
方法1000还可以包括产生针对患者定制的血管移植物(步骤1008)。如上所述，移植物可以用3D打印机生产。在一些实施方案中，移植物可具有介于约0.5mm与约6mm之间的内径。在一些实施方案中，3D打印机是多材料生物打印立体光刻系统，其可制造复杂的复合细胞接种水凝胶。在一些实施方式中，3D打印机可以使用至少一种生物相容性聚合物来打印针对患者定制的血管移植物。例如，生物相容性聚合物可包括氨基甲酸酯，硅氧烷，PET，PTFE和ePTFE。3D打印机还可以配置成打印针对患者定制的血管移植物，使得针对患者定制的血管移植物沿其长度的至少一部分表现出连续的空间变化的机械特性。在一些实施方式中，这可以通过改变用于形成针对患者定制的血管移植物的材料(或材料组合)或通过沿着移植物的长度改变针对患者定制的血管移植物的壁厚来实现。
在一些实施方式中，确定冠状动脉体积几何形状(步骤1004)可以包括确定冠状动脉的动脉中心线。方法1000还可以包括形成冠状动脉体积几何形状的腔分割，如上所述。
在一些实施方式中，方法1000还包括计算针对患者定制的血管移植物的流量，速度，压力或剪切应力中的至少一个。例如，针对患者定制的血管移植物可以结合到具有泵和至少一个测量工具的流动系统中：例如压力计，流量计，速度计，粒子图像测速装置，压力导丝，导流线，光学相干断层摄影装置或应变传感器。在一些实施方式中，当与流动特性和性能的计算模型相比时，测量3D打印的针对患者定制的血管移植物中的流动特性和性能可以更好地接近患者解剖结构的流动特性和性能。下面结合图11描述这种流动系统的一个例子。在一些实施方式中，可以通过基于包括流速，压力梯度，剪切应力或流动振荡中的至少一个的一组参数应用优化技术来实现生成血液动力学曲线(步骤1006)。选择可能紧密取决于设计目标(例如，使流动最大化或增加剪切应力)，并且有时可能导致折衷。例如，增加移植物直径可以增加流速，但结果可以将剪切应力降低到异常范围。此外，实验研究表明，当处于安全范围内时，某些变量被认为是正常的。此外，血液动力学目标函数可以与针对患者定制的血管移植物的基于形状的特征(例如曲率或长度)组合，以避免过于复杂的几何形状。一般的优化问题可以写成minF(P),s.t.Gmin<＝G(P)<＝Gmax，，其中P是移植物设计中所有参数的向量，并且F(P)是要优化的目标函数，例如，最大化移植物的流速。G(P)表示在优选在Gmin和Gmax范围之间的血液动力学目标中的约束列表。虽然因为F(P)和G(P)的梯度不可获得以及昂贵的功能评估，优化很难解决，并且可以通过限制所涉及的变量和参数的数量，自动化形状设计和执行的过程以及利用无导数算法来简化问题。在一些实施方式中，可以选择最敏感的参数以针对感兴趣的变量进行优化。例如，当考虑WSS时，可以省略壁刚度WSS在生理范围内具有不同的刚度水平仅变化5％。在一些实施方案中，无衍生方法，例如，Nelder-Mead方法或遗传算法可用于执行优化任务。
图11示出了具有患者特异性血管移植物的示例性流动系统1100。系统1100包括患者特异性血管移植物1103(在图11中标记为主动脉模拟物)，连接到填充端口1109的狭窄冠状动脉1107。可以使用本文描述的3D打印方法生成系统1100的患者特异性组件。系统1100还包括蠕动泵1105，压力传感器1110a和1110b(通常称为压力传感器1110)，数据采集板(DAQ)1115，计算设备1120和PIV设备1125。系统1100可以模拟主动脉，冠状动脉和优化的CABG的理想化或患者特异性物理模型，包括单个或弥漫性狭窄，以及有助于竞争流动的冠状动脉侧支循环。可以开发冠状动脉特异性体外边界条件，以通过组合电阻器和电容器(例如可变电阻器1130)来产生真实的冠状动脉压力波形。此外，可以针对独特的多中心数据库执行系统1100的校准，该数据库可以包括超过250个患者特异性CTA和位置特异性侵入性金标准压力测量值。系统1100可以容纳各种测量工具，包括压力，流量和速度计(例如压力传感器1110)；PIV设备1125；压力和导流线；光学相干断层扫描(OCT)装置；和集成的应变传感器。计算设备1120可以从这些测量工具中的任何一个接收信息，并且可以处理该信息以评估由系统1100表示的物理模型。因此，系统1100可以实现“台式手术”，允许将优化的CABG物理地缝合到物理模型。
本公开的实施例涉及一种非暂时性计算机可读存储介质，其上具有用于执行各种计算机实现的操作的计算机代码。术语“计算机可读存储介质”在本文中用于包括能够存储或编码用于执行本文描述的操作，方法和技术的指令序列或计算机代码的任何介质。媒体和计算机代码可以是为了本公开的实施例的目的而专门设计和构造的，或者它们可以是计算机软件领域的技术人员所熟知和可用的类型。计算机可读存储介质的示例包括但不限于：磁介质，例如硬盘，软盘和磁带；光学介质，如CD-ROM和全息设备；光磁介质，如光盘；专门配置用于存储和执行程序代码的硬件设备，例如专用集成电路(ASIC)，可编程逻辑器件(PLD)以及ROM和RAM器件。
计算机代码的示例包括诸如由编译器产生的机器代码，以及包含由计算机使用解释器或编译器执行的更高级代码的文件。例如，可以使用Java，C++或其他面向对象的编程语言和开发工具来实现本公开的实施例。计算机代码的其他示例包括加密代码和压缩代码。此外，本公开的实施例可以作为计算机程序产品下载。可以通过传输信道将其从远程计算机(例如，服务器计算机)传送到请求计算机(例如，客户计算机或不同的服务器计算机)。本公开的另一个实施例可以用硬连线电路代替机器可执行软件指令或与机器可执行软件指令组合实现。
如本文所用，除非上下文另有明确规定，否则单数术语“一”，“一个”和“该”可包括复数指示物。
如本文所使用的，相对术语，例如“上方”，“下方”，“上方”，“左侧”，“右侧”，“下方”，“顶部”，“底部”，“垂直”，“水平”，“”，“更高”，“更低”，“上部”，“上方”，“下方”，“内部”，“内部”，“外部”，“外部”，“前部”，“后部”，“向上”，“向下”，“向下”，“垂直”，“垂直”，“横向”，“横向”等是指一组部件相对于彼此的定向；该取向符合附图，但在制造或使用过程中并非必要。
如这里所使用的，术语“连接”，“连接”和“连接”指的是操作耦合或链接。连接的组件可以直接或间接地彼此耦合，例如，通过另一组组件。
如本文所用，术语“大约”，“基本上”，“实质”和“大约”用于描述和解释小的变化。当与事件或情况一起使用时，术语可以指事件或情况恰好发生的实例以及事件或情况发生到近似的实例。例如，当与数值结合使用时，该术语可以指小于或等于该数值的±10％的变化范围，例如小于或等于±5％，小于或等于±4％，小于或等于±3％，小于或等于±2％，小于或等于±1％，小于或等于±0.5％，小于或等于±0.1％，或小于或等于±0.05％。例如，如果值之间的差值小于或等于值的平均值的±10％，例如小于或等于±5％，则可以认为两个数值“基本上”相同。小于或等于±4％，小于或等于±3％，小于或等于±2％，小于或等于±1％，小于或等于±0.5％，小于或等于±0.1％，或小于或等于±0.05％。
另外，数量，比率和其他数值有时在范围格式中呈现。应该理解的是。这种范围格式是为了方便和简洁而使用的，应该灵活地理解为包括明确指定为范围限制的数值，但也包括所有单独的数值或包含在该范围内的子范围，就像每个数值和子范围一样范围是明确指定的。
虽然已经参考本公开的具体实施例描述和说明了本公开，但是这些描述和图示不限制本公开。本领域技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的真实精神和范围的情况下，可以进行各种改变并且可以替换等同物。插图可能不一定按比例绘制。由于制造工艺和公差，本公开中的艺术再现与实际装置之间可能存在区别。可能存在未具体示出的本公开的其他实施例。说明书和附图应被视为说明性的而非限制性的。可以进行修改以使特定情况，材料，物质组成，技术或过程适应本公开的目的，精神和范围。所有这些修改都在所附权利要求的范围内。虽然已经参考以特定顺序执行的特定操作描述了本文公开的技术。应当理解，在不脱离本公开的教导的情况下，可以组合，细分或重新排序这些操作以形成等同技术。因此，除非在此具体指出，否则操作的顺序和分组不是本公开的限制。

Claims (22)

1.一种方法，包括：
接收受试者的至少一个医学图像；
响应于至少一个医学图像确定受试者的冠状动脉体积几何形状；
响应于确定的冠状动脉体积几何形状，产生对患者定制的血管图模型；
使用对患者定制的血管图模型确定血液动力学曲线；和
基于血液动力学曲线和确定的冠状动脉体积几何形状产生对患者定制的血管移植物。
2.如权利要求1所述的方法，还包括用3D打印机打印对患者定制的血管移植物模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述对患者定制的血管移植物模型由生物相容性聚合物形成。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述对患者定制的血管移植物模型沿其长度的至少一部分表现出连续的空间变化的机械性质。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述对患者定制的血管移植物模型的内径在约0.5mm和约6mm之间。
6.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述冠状动脉体积几何形状包括确定所述冠状动脉的动脉中心线。
7.如权利要求1所述的方法，还包括执行冠状动脉体积几何形状的管腔分段。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括计算所述对患者定制的血管移植物模型的流量、速度、压力或剪切应力中的至少一个。
9.根据权利要求8所述的方法，其中计算所述对患者定制的血管移植物的流量、速度、压力或剪切应力中的至少一个还包括提供一种流动系统，该流动系统包括泵、对患者定制的血管移植物模型和至少一个测量工具。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述至少一个测量工具包括压力计、流量计、速度计、粒子图像测速装置、压力导丝、导流线、光学相干断层摄影装置或应变传感器中的至少一个。
11.根据权利要求1所述的方法，其中产生所述血液动力学曲线还包括基于一组参数应用优化技术，所述参数包括流速、压力梯度、剪切应力或流动振荡中的至少一个。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个医学图像包括至少一个计算机断层血管造影图像。
13.一种系统，包括至少一个处理器和存储处理器可执行指令的存储器单元，其中由所述至少一个处理器执行所述处理器可执行指令使得所述至少一个处理器：
接收至少一个主题的医学图像；
确定响应于至少一个医学图像的受试者的冠状动脉体积几何形状；
产生响应于确定的冠状动脉体积几何形状的对患者定制的血管图模型；
使用对患者定制的血管图模型确定血液动力学曲线；和
基于血液动力学曲线和确定的冠状动脉体积几何结构产生用于产生对患者定制的血管移植物的指令
14.如权利要求13所述的系统，其中所述处理器可执行指令的执行还使得所述至少一个处理器生成用于3D打印所述对患者定制的血管图模型的指令。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述用于产生对患者定制的血管移植物模型的指令指示所述对患者定制的血管移植物由生物相容性聚合物形成。
16.根据权利要求14所述的系统，其中所述用于产生对患者定制的血管移植物模型的指令指示所述对患者定制的血管移植物沿其长度的至少一部分具有连续空间变化的机械特性。
17.根据权利要求13所述的系统，其中所述处理器可执行指令的执行还使所述至少一个处理器通过确定所述受试者的动脉中心线来确定所述冠状动脉体积几何形状。
18.根据权利要求13所述的系统，其中所述处理器可执行指令的执行还使所述至少一个处理器执行所述冠状动脉体积几何形状的管腔分段。
19.根据权利要求13所述的系统，其中所述处理器可执行指令的执行还使所述至少一个处理器计算所述对患者定制的血管移植物模型的流量、速度、压力或剪切应力中的至少一个。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述处理器可执行指令的执行还使所述处理器基于从流动系统中包括的至少一个测量工具接收的输出，计算所述对患者定制的血管移植物模型的流量、速度、压力或剪切应力中的至少一个，所述流动系统还包括泵和对患者定制的血管移植物。
21.如权利要求20所述的系统，其中所述至少一个测量工具包括。压力计、流量计、速度计、粒子图像测速装置、压力导丝、导流线、光学相干断层摄影装置或应变传感器中的至少一个。
22.根据权利要求13所述的系统，其中，所述至少一个医学图像包括至少一个计算机断层血管造影图像。
CN201780058769.0A 2016-07-22 2017-07-22 针对患者定制的冠状动脉旁路移植物的快速成型和体外建模 Active CN109863501B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201662365474P 2016-07-22 2016-07-22
US62/365,474 2016-07-22
PCT/US2017/043425 WO2018018033A1 (en) 2016-07-22 2017-07-22 Rapid prototyping and in vitro modeling of patient-specific coronary artery bypass grafts

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109863501A true CN109863501A (zh) 2019-06-07
CN109863501B CN109863501B (zh) 2022-12-27

Family

ID=60992923

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780058769.0A Active CN109863501B (zh) 2016-07-22 2017-07-22 针对患者定制的冠状动脉旁路移植物的快速成型和体外建模

Country Status (4)

Country Link
US (2) US10912865B2 (zh)
EP (1) EP3488386A4 (zh)
CN (1) CN109863501B (zh)
WO (1) WO2018018033A1 (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111225739A (zh) * 2017-07-31 2020-06-02 康宁股份有限公司 改进的工艺强化流反应器
CN112535532A (zh) * 2020-07-06 2021-03-23 樊俊利 桡动脉管腔粗细程度选择系统及方法
CN113408152A (zh) * 2021-07-23 2021-09-17 上海友脉科技有限责任公司 冠脉旁路移植仿真系统、方法、介质及电子设备

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10896507B2 (en) * 2017-09-21 2021-01-19 The Regents Of The University Of Michigan Techniques of deformation analysis for quantification of vascular enlargement
US10709400B2 (en) 2018-07-05 2020-07-14 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Hemodynamic and morphological predictors of vascular graft failure
EP3829603A4 (en) * 2018-07-27 2022-04-27 Washington University CELL-EMBEDDED VASCULAR GRAFT FOR TRANSPLANTATION
CN109700475B (zh) * 2018-12-27 2021-01-08 浙江大学 一种冠脉搭桥参数的确定方法、装置、设备和存储介质
CN109717953B (zh) * 2019-02-01 2021-01-08 杭州晟视科技有限公司 一种血流量的确定方法、装置、电子设备和计算机存储介质
US20220324163A1 (en) * 2019-06-04 2022-10-13 Zhejiang University Imaging principle-based integrated color light 3d bioprinting system
WO2021195044A1 (en) * 2020-03-23 2021-09-30 The Johns Hopkins University Methods, systems and related aspects for optimization and planning of cardiac surgery

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080009781A1 (en) * 2006-07-07 2008-01-10 Graft Technologies, Inc. System and method for providing a graft in a vascular environment
US20130132054A1 (en) * 2011-11-10 2013-05-23 Puneet Sharma Method and System for Multi-Scale Anatomical and Functional Modeling of Coronary Circulation
US8548778B1 (en) * 2012-05-14 2013-10-01 Heartflow, Inc. Method and system for providing information from a patient-specific model of blood flow
US20140081154A1 (en) * 2011-05-17 2014-03-20 Landy Toth Devices, systems, and methods for assessing implants, organs, transplants, tissues, synthetic constructs, vascular grafts, and the like
WO2015061907A1 (en) * 2013-10-30 2015-05-07 Miklas Jason Devices and methods for three-dimensional tissue culturing
US20150317429A1 (en) * 2012-12-18 2015-11-05 Philips Deutschland Gmbh Method and apparatus for simulating blood flow under patient-specific boundary conditions derived from an estimated cardiac ejection output
US20160117816A1 (en) * 2010-08-12 2016-04-28 Heartflow, Inc. Method and system for image processing to determine patient-specific blood flow characteristics

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000041648A1 (en) * 1999-01-14 2000-07-20 Advanced Tissue Sciences, Inc. Apparatus and method for sterilizing, seeding, culturing, storing, shipping and testing tissue, synthetic, or native vascular grafts
WO2014197790A1 (en) * 2013-06-06 2014-12-11 University Of Maryland, College Park Compositions and methods for making biodegradable structures
CN105453068A (zh) * 2013-07-31 2016-03-30 慧与发展有限责任合伙企业 使用分布式缓存的数据流处理
US9336354B1 (en) 2014-11-04 2016-05-10 Heartflow, Inc. Systems and methods for simulation of hemodialysis access and optimization

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080009781A1 (en) * 2006-07-07 2008-01-10 Graft Technologies, Inc. System and method for providing a graft in a vascular environment
US20160117816A1 (en) * 2010-08-12 2016-04-28 Heartflow, Inc. Method and system for image processing to determine patient-specific blood flow characteristics
US20140081154A1 (en) * 2011-05-17 2014-03-20 Landy Toth Devices, systems, and methods for assessing implants, organs, transplants, tissues, synthetic constructs, vascular grafts, and the like
US20130132054A1 (en) * 2011-11-10 2013-05-23 Puneet Sharma Method and System for Multi-Scale Anatomical and Functional Modeling of Coronary Circulation
US8548778B1 (en) * 2012-05-14 2013-10-01 Heartflow, Inc. Method and system for providing information from a patient-specific model of blood flow
US20150317429A1 (en) * 2012-12-18 2015-11-05 Philips Deutschland Gmbh Method and apparatus for simulating blood flow under patient-specific boundary conditions derived from an estimated cardiac ejection output
WO2015061907A1 (en) * 2013-10-30 2015-05-07 Miklas Jason Devices and methods for three-dimensional tissue culturing

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111225739A (zh) * 2017-07-31 2020-06-02 康宁股份有限公司 改进的工艺强化流反应器
CN111225739B (zh) * 2017-07-31 2022-08-09 康宁股份有限公司 改进的工艺强化流反应器
US11679368B2 (en) 2017-07-31 2023-06-20 Corning Incorporated Process-intensified flow reactor
CN112535532A (zh) * 2020-07-06 2021-03-23 樊俊利 桡动脉管腔粗细程度选择系统及方法
CN113408152A (zh) * 2021-07-23 2021-09-17 上海友脉科技有限责任公司 冠脉旁路移植仿真系统、方法、介质及电子设备

Also Published As

Publication number Publication date
CN109863501B (zh) 2022-12-27
WO2018018033A1 (en) 2018-01-25
US20190240377A1 (en) 2019-08-08
US10912865B2 (en) 2021-02-09
EP3488386A1 (en) 2019-05-29
US20210162099A1 (en) 2021-06-03
EP3488386A4 (en) 2020-02-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109863501A (zh) 针对患者定制的冠状动脉旁路移植物的快速成型和体外建模
KR102336929B1 (ko) 환자-특정 기하학적 모델들을 변경함으로써 치료들을 결정하기 위한 방법 및 시스템
JP6829262B2 (ja) 画像ベースの患者固有の血流力学的モデルにおいて解像されていない血管を特定してモデル化するためのシステム及び方法
Biglino et al. Rapid prototyping compliant arterial phantoms for in-vitro studies and device testing
US10748451B2 (en) Methods and systems for generating fluid simulation models
CN106063734B (zh) 用于创建支架移植物的方法以及计算和打印单元
Randles et al. Computational fluid dynamics and additive manufacturing to diagnose and treat cardiovascular disease
CN110085321A (zh) 对冠脉循环进行多尺度的解剖学和功能建模的方法和系统
CN108665449B (zh) 预测血流矢量路径上的血流特征的深度学习模型及装置
JP2021533950A (ja) 血管断面関数、血管圧力差と血管応力の作成方法及び装置
Owida et al. PIV measurements and numerical validation of end-to-side anastomosis
Henriques et al. Understanding atherosclerosis pathophysiology: Can additive manufacturing be helpful?
Hewlin Jr Transient Cardiovascular Hemodynamics in a Patient-Specific Arterial System
EP3884848A1 (en) A system and a method for determining a significance of a stenosis
Laqua et al. Improved FPGA controlled artificial vascular system for plethysmographic measurements
Schmieder et al. 3D printing–a key technology for tailored biomedical cell culture lab ware
Savelyev et al. Spiral flows at the cardiovascular system as the experimental base of new cardiac-gadgets design
Granegger et al. A passive beating heart setup for interventional cardiology training
Coigny et al. Patient-specific hip prostheses designed by surgeons
Allman et al. Controlled compliancy of 3D printed vascular patient specific phantoms
Rodriguez et al. Evaluating the Performance of Cardiac Pulse Duplicators Through the Concept of Fidelity
Dubini et al. Trends in biomedical engineering: focus on patient specific modeling and life support systems
Thies et al. Image analysis of self-organized multicellular patterns: multicellular pattern formation on compliant elastomer surfaces as model system
Probst et al. In vitro simulation of distribution processes following intramuscular injection
Ma Quantitative Hemodynamics using Magnetic Resonance Imaging, Computational Fluid Dynamics and Physics-informed Neural Network

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: James K. Min

Inventor after: B. Mossad

Inventor after: Simon Dunham

Inventor after: K.K. Collar

Inventor before: James K. Min

Inventor before: Xiong Guanglei

Inventor before: B. Mossad

Inventor before: Simon Dunham

Inventor before: K.K. Collar

CB03 Change of inventor or designer information
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant