CN112107362B - 一种冠心病的计算机辅助手术设计系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冠心病的计算机辅助手术设计系统，包括依次相连接的临床检验模块、计算机辅助模块与诊疗模块；临床检验模块由常规检查模块1和冠脉造影模块2构成，初步判断是否具有冠心病或相关心脏疾病；计算机辅助模块，包括分割、重建冠状血管模块3与计算血管狭窄模块4，对造影图像进行分割重建，应用计算流体力学技术，计算出冠脉血流储备分数定量判断是否需要进行冠脉介入手术治疗；诊疗模块，由医生复查模块5和辅助手术模块6构成，医生复查模块5对计算结果进行反馈，使计算结果更加具有可信度，本发明涉及一种冠心病的计算机辅助手术设计系统，可直观的显示冠状动脉解剖结构，使冠心病的诊断更直观、科学。

Description

一种冠心病的计算机辅助手术设计系统

技术领域

本发明属于医疗诊断系统技术领域，涉及一种冠心病的计算机辅助手术设计系统。

背景技术

冠心病又称冠状动脉心脏病，包括冠状动脉粥样硬化性心脏病和冠状动脉功能性改变两种情况。本发明中所提及冠心病特指冠状动脉粥样硬化性心脏病的简称，是冠状动脉血管发生动脉粥样硬化病变而引起血管腔狭窄或阻塞，造成心肌缺血、缺氧或坏死而导致的心脏病。近年来，随着人民生活水平的提高，冠心病的发病率逐渐上升，已经成为危害人们健康生活的主要疾病之一。然而传统的手术治疗方式过于依赖医生的个人经验，如果对病情出现低估，则将延误最佳诊治时期。

国内外学者对冠心病的判断逐步应用血管造影和血管分割重建等技术，但依然没有形成系统的运用相关技术形成普适判断标准。然而现有相关技术，如专利号为CN109410267A，仅仅可以依据冠脉分割结果进行评估，而无法实现系统化定量计算辅助医生进行判断病情并诊疗，具有较大的局限性。而本发明提出的一种冠心病的计算机辅助手术设计方法及系统，利用计算机辅助手术设计指导冠脉介入手术治疗，可达到更为直观、客观、准确和科学的手术效果，避免了仅仅依靠医生经验进行诊治，具有普适性及易用性。

当前医学上判断冠心病以冠脉造影作为诊断冠心病的金标准，冠脉造影可以帮助医生直观地检查心脏血管的狭窄与堵塞情况，而由此诊断对于医生本身具有较大依赖，故希望通过计算流体力学(CFD)技术，数值模拟冠脉血狭窄模型的血流动力学特征，定量的进行冠心病的评价诊断。

发明内容

本发明的目的在于判断是否有冠心病以及初步判断是否与要进行手术并对冠心病患者进行心脏支架辅助设计，以达到辅助冠心病诊断和手术的目的。

针对目前不存在对冠心病统一的科学评判标准，而很大程度上依赖于医生的个人经验，本发明提出了一种冠心病的计算机辅助手术设计方法及系统。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种冠心病的计算机辅助手术设计系统，依次由临床检验模块、计算机辅助模块与诊疗模块三个模块构成，程序流程简单，易于操作。其中以处理模块为核心，诊疗模块输出结果，结果准确、客观。

一种冠心病的计算机辅助手术设计系统，包括依次相连接的临床检验模块、计算机辅助模块与诊疗模块；临床检验模块由常规检查模块1和冠脉造影模块2构成，对患者进行冠心病的常规检查操作，初步判断是否具有冠心病或相关心脏疾病，是否需要进行进一步的计算分析；计算机辅助模块，包括分割、重建冠状血管模块3与计算血管狭窄模块4，对造影图像进行分割重建，应用计算流体力学技术，计算出冠脉血流储备分数定量判断是否需要进行冠脉介入手术治疗；诊疗模块，由医生复查模块5和辅助手术模块6构成，医生复查模块5对计算结果进行反馈，使计算结果更加具有可信度，也使随后的计算机辅助手术设计更加具有可行性，常规检查模块1、冠脉造影模块2、分割、重建冠脉模块3、计算血管狭窄模块4、医生复查模块5和辅助手术模块6依据顺序依次进行。

进一步，重建冠脉模块3通过数字图像处理建立，分割指图像分割，是将数字图像划分成不重叠的几个部分，也就是将目标区域从图像中分割出来，包括阈值分割、轮廓线提取两部分。

进一步，计算血管狭窄模块4，根据分割、重建冠脉模块3后图像，采用ANSYS软件对方程进行数值求解，应用计算流体力学技术CFD狭窄区域内血流动力学控制方程组，建立冠脉狭窄血流动力学数值模型，根据血流动力学参数及其分布规律计算出无创的冠脉血流储备分数，数值结果可通过表格、图像等多种方式展现出来，本发明如判断结果为需要进行冠脉介入手术治疗，则可根据计算所得数据对所需支架数量进行判断并对手术进行指导。进一步，分割、重建冠状血管模块3基于VMTK软件，首先用阈值分割算法进行分割，再用水平算法提取分割结果的轮廓线，最后使用移动立方体算法对提取结果来进行面绘制，建立血管的几何模型；采用软件ANSYS进行血流动力学数值模拟，对分割、重建冠状血管所得几何模型进行网络划分，在计算区域空间中将变量离散化，从而创造出有限元的模型；对建立的物理模型，即流进行物理条件设置，体流动模型设置为非定常层流；血液模型设置为不可压缩的均一化牛顿流体；边界条件设置血液的进端口和出端口，阻力模型的集中参数为数值；计算血管狭窄模块4应用计算流体力学技术CFD进行计算，使用ANSYS CFX求解器求解控制方程组，国际计算公式狭窄率＝(狭窄近端正常血管直径-狭窄处血管直径)/狭窄近端正常血管直径*100％。

临床检验模块首先进行心电图、运动负荷试验、核素心肌显像和血液学检查等，其次根据需求再进行冠状动脉造影，用于获取临床检查结果的各项数据。从而进入计算机辅助模块，通过计算机辅助对冠脉造影所得图像依次进行三维分割与重建，根据重建后图像应用计算流体力学技术(CFD)进行计算，依据国际公式来判断狭窄程度是否大于30％。若冠脉狭窄大于30％，则需手术；若冠脉狭窄小于30％则无需进行手术。诊疗模块医生对计算结果进行复查，结果有效则根据数据进一步判断所需支架的选择，对手术进行指导。

本发明与已有方法和技术相比，具有如下优点

1.本发明涉及一种冠心病的计算机辅助手术设计方法及系统，用血管狭窄程度进行定量分析替代医生依据经验对病情进行判断，提高了诊断客观性，具有普适性，减轻医生工作量。

2.本发明涉及一种冠心病的计算机辅助手术设计方法及系统，计算后医生对计算结果进行复查，针对计算不准确结果进行参数优化，大大提高了冠状动脉定量描述的准确度，有利于提高冠心病的确诊率和治愈率。

3.本发明涉及一种冠心病的计算机辅助手术设计方法及系统，可实现与其他诊断方式相结合，从而能够对病情做出更为准确的分析和判断、制定合理的手术与治疗方案。

4.本发明涉及一种冠心病的计算机辅助手术设计方法及系统，实现了软硬件的有效结合，提高了手术效率，优化了手术效果。

5.本发明涉及一种冠心病的计算机辅助手术设计方法及系统，可直观的显示冠状动脉解剖结构，使医生和患者可以直观的观察冠状动脉是否存在病症，使冠心病的诊断更直观、科学。

附图说明

图1本发明一种冠心病的计算机辅助手术设计的系统结构示意图。

图2本发明的辅助检查项目思维导图。

图3本发明分割、重建冠脉的流程示意图。

图4本发明计算血管狭窄的计算方法流程示意图。

图5本发明中评估冠心病的具体实施流程示意图。

图6本发明中计算机辅助手术设计方法的具体实施流程示意图。

1.常规检查模块；2.冠脉造影模块；3.分割、重建冠状血管模块；4.计算血管狭窄模块；5.医生复查模块；6.辅助手术模块。

具体实施方式

参见图1，图1为本发明一种冠心病的计算机辅助手术设计的系统结构示意图，由临床检验模块、计算机辅助模块与诊疗模块依次构成。临床检验模块由常规检查模块1和冠脉造影模块2构成，对患者进行冠心病的常规检查操作，初步判断是否具有冠心病或相关心脏疾病，是否需要进行进一步的计算分析。计算机辅助模块，包括分割、重建冠状血管模块3与计算血管狭窄模块4，对造影图像进行分割重建，应用计算流体力学技术，计算出冠脉血流储备分数定量判断是否需要进行冠脉介入手术治疗。诊疗模块，由医生复查模块5和辅助手术模块6构成，医生复查模块5对计算结果进行反馈，使计算结果更加具有可信度，也使随后的计算机辅助手术设计更加具有可行性。常规检查模块1、冠脉造影模块2、分割、重建冠脉模块3、计算血管狭窄模块4、医生复查模块5和辅助手术模块6依据顺序依次进行。

参见图1、图2，图2为本发明的辅助检查项目思维导图。常规检查模块1为冠心病常用检查项目，包括血常规、心电图检查和核素心肌显像。冠心病的发生常与高血脂、糖尿病、动脉粥样硬化、血液黏稠度升高等有密切关系，所以需要进行血常规，对血脂、血糖、血液流变学进行检查。心电图检查时发现心肌缺血、诊断心绞痛最常用的检查方法，分为静态心电图和运动负荷心电图。静态心电图需要观察ST段和T波、Q波的变化和有无异常。ST段的异常包括：抬高和降低，T波的改变包括高尖和倒置，Q波呈病理性时宽度＞＝0.04s及Q/R＞＝0.25。由于稳定型心绞痛患者在没有心绞痛发作时进行静态心电图测试多数情况下会显示正常，所以运动负荷心电图可以帮助评估患者是否有冠心病。稳定型心绞痛患者适宜进行运动负荷心电图测试，而不稳定型患者由于运动可能使病情加重，则不适宜进行。

冠脉造影2，即冠状动脉造影，属于血管造影，为介入检测方法，显影剂被注入血管里，因为X光无法穿透显影剂，从而可以清晰的显示冠状动脉的解剖结构。

参见图1、图2、图3，图3为本发明分割、重建冠脉的流程示意图。分割、重建冠脉模块3对冠脉造影模块2所得的冠状动脉造影图像，利用计算机辅助技术，依次分割与重建患者的三维冠状动脉结构。冠脉狭窄病变会增大血液流动的阻力，导致冠脉供血区域心肌缺血，从而引发患者心绞痛、猝死等，所以本发明以冠脉狭窄对心肌供血能力作为评价标准。分割、重建冠脉模块3通过数字图像处理建立，分割指图像分割，是将数字图像划分成不重叠的几个部分，也就是将目标区域从图像中分割出来，包括阈值分割、轮廓线提取两部分；重建指三维重建绘制技术，主要分为面绘制和体绘制，因体绘制的运算量庞大，所以采用面绘制来满足人机交互操作的实时性。冠状动脉造影图像分割是对复杂的血管数据进行可视化和量化的关键所在，精准分割的结果可对病灶部位进行准确定位，辅助医生治疗冠心病，同时也是三维冠状动脉重建的基础。重建三维冠状动脉结构能够更清楚的呈现血管的形态、血管狭窄区域，准确地反映血管病变的部位和程度，更全面更细致的帮助医生进行精确的诊断和治疗。

参见图1、图2、图3、图4，图4为本发明计算血管狭窄的计算方法流程示意图。目前研究情况显示，病变血管几何狭窄的程度越大、数目越多、长度越长对血流储备分数影响越大。因此冠状动脉有无大于30％的狭窄或轻度狭窄，并观察有无血栓和血管壁钙化等现象，判断是否需要进行冠脉介入手术治疗。计算血管狭窄模块4，根据分割、重建冠脉模块3后图像，采用ANSYS软件对方程进行数值求解，应用计算流体力学技术(CFD)狭窄区域内血流动力学控制方程组，建立冠脉狭窄血流动力学数值模型，根据血流动力学参数及其分布规律计算出无创的冠脉血流储备分数，数值结果可通过表格、图像等多种方式展现出来。本发明如判断结果为需要进行冠脉介入手术治疗，则可根据计算所得数据对所需支架数量进行判断并对手术进行指导。以计算机进行定量计算代替医生依靠个人经验对血管程度的判断，使诊断结果更为准确、客观和科学，同时减轻了医生的工作量。

医生复查模块5，医生对上述输出结果进行复查，核验由计算结果与冠脉造影所示结果是否一致，从而判断计算结果是否准确有效。如果计算结果无效，则针对计算参数进行修正。通过医生复查模块5的对计算结果进行负反馈，大大提高了计算结果的可信度，规避了诊断无效的情况。

辅助手术模块6，如果计算结果为存在冠心病，且需要进行冠脉介入手术，则医生可依据计算结果判断所需血管支架的安装数量，对手术的进行具有一定的指导作用。冠脉介入手术，即冠状动脉支架植入术，即将球囊导管通过血管穿刺置入狭窄的血管，在体外将球囊加压膨胀，撑开狭窄的血管壁，使病变血管恢复畅通，以预防冠状动脉急性闭塞的手术治疗。本发明对手术的辅助、指导作用主要体现在手术技术要点中尤为重要的支架选择之上。支架的选择在病变及其近端血管弯曲不明显、病变处无重要分支发出时以选择管状支架为主，在病变附近有大分支时应选择网孔比较大的管状支架以便必要时可对分支进行扩张，在病变成角明显或近端血管弯曲严重时宜选用缠绕支架等柔软度很高的支架；而支架直径的判断要照顾到病变近端和远端血管的直径、释放系统的顺应性，一般以支架与血管直径之比1.1：1为宜。根据以上原则，医生可以依据计算结果对支架的选择有清晰的判断。

参见图1、图2、图3、图4、图5、图6，图5为本发明中评估冠心病的具体实施流程示意图，图6为本发明中计算机辅助手术设计方法的具体实施流程示意图。

常规检查模块1包括心电图和血液学检查，静态心电图需要观察ST段和T波、Q波的变化和有无异常。ST段的异常包括：抬高和降低，T波的改变包括高尖和倒置，Q波呈病理性时宽度＞＝0.04s及Q/R＞＝0.25。运动负荷心电图通过查看结果是否为阳性，帮助评估患者是否有冠心病。观察患者有无患有冠心病病症，从而初步对是否患有冠心病进行判定。如果可以通过常规检查模块1确诊无冠心病，则流程结束；如果经常规检查模块1无法确诊患者无冠心病则对患者进行冠脉造影模块2。

分割、重建冠状血管模块3基于VMTK软件，首先用阈值分割算法进行分割，再用水平算法提取分割结果的轮廓线，最后使用移动立方体算法对提取结果来进行面绘制，建立血管的几何模型。采用软件ANSYS进行血流动力学数值模拟，对分割、重建冠状血管所得几何模型进行网络划分，在计算区域空间中将变量离散化，从而创造出有限元的模型。对建立的物理模型，即流进行物理条件设置，体流动模型设置为非定常层流；血液模型设置为不可压缩的均一化牛顿流体；边界条件设置血液的进端口和出端口，阻力模型的集中参数为数值。计算血管狭窄模块4应用计算流体力学技术(CFD)进行计算，使用ANSYS CFX求解器求解控制方程组，国际计算公式狭窄率＝(狭窄近端正常血管直径-狭窄处血管直径)/狭窄近端正常血管直径*100％。

医生复查模块5为医生基于计算结果进行复查核验，如果计算结果无效，则对计算结果进行反馈，从而对参数进行修正，使结果更加精确可信。如果计算结果有效，则依据计算结果对是否存在冠心病进行判定。如果结果为不存在冠心病则结束流程结束；如果判定结果为存在冠心病，则依据计算结果可对血管狭窄程度进行判定，即血管狭窄是否大于30％。如果结果为血管狭窄小于30％，则患者无需进行冠脉介入手术，医生依据患者情况对其进行相应的药物治疗；如果结果为血管狭窄大于30％，则患者需要进行冠脉介入手术，进一步依据计算结果对支架的选择有清晰的判断，实现计算机辅助手术设计。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种冠心病的计算机辅助手术设计系统，其特征在于，包括依次相连接的临床检验模块、计算机辅助模块与诊疗模块；

临床检验模块由常规检查模块(1)和冠脉造影模块(2)构成，对患者进行冠心病的常规检查操作，初步判断是否具有冠心病，是否需要进行进一步的计算分析；计算机辅助模块，包括分割及重建冠状血管模块(3)与计算血管狭窄模块(4)，对造影图像进行分割重建，应用计算流体力学技术，计算出冠脉血流储备分数定量判断是否需要进行冠脉介入手术治疗；诊疗模块，由医生复查模块(5)和辅助手术模块(6)构成，医生复查模块(5)对计算结果进行反馈，常规检查模块(1)、冠脉造影模块(2)、分割及重建冠状血管模块(3)、计算血管狭窄模块(4)、医生复查模块(5)和辅助手术模块(6)依据顺序依次进行；

医生复查模块(5)为医生基于计算结果进行复查核验，如果计算结果无效，则对计算结果进行反馈，从而对参数进行修正，使结果更加精确可信；如果计算结果有效，则依据计算结果对是否存在冠心病进行判定；如果结果为不存在冠心病则结束流程结束；如果判定结果为存在冠心病，则依据计算结果可对血管狭窄程度进行判定，即血管狭窄是否大于30％；如果结果为血管狭窄小于30％，则患者无需进行冠脉介入手术，医生依据患者情况对其进行相应的药物治疗；如果结果为血管狭窄大于30％，则患者需要进行冠脉介入手术；

辅助手术模块(6)，如果计算结果为存在冠心病，且需要进行冠脉介入手术，则医生可依据计算结果判断所需血管支架的安装数量；支架的选择在病变及其近端血管弯曲不明显、病变处无重要分支发出时选择管状支架，在病变附近有大分支时应选择网孔大的管状支架以便对分支进行扩张，在病变成角明显或近端血管弯曲严重时宜选用缠绕支架；而支架直径的判断要根据病变近端和远端血管的直径、释放系统的顺应性，支架与血管直径之比为1.1：1；

计算血管狭窄模块(4)，根据分割及重建冠状血管模块(3)后图像，采用ANSYS软件对方程进行数值求解，应用计算流体力学技术CFD狭窄区域内血流动力学控制方程组，建立冠脉狭窄血流动力学数值模型，根据血流动力学参数及其分布规律计算出无创的冠脉血流储备分数，数值结果可通过表格、图像展现出来，如判断结果为需要进行冠脉介入手术治疗，则可根据计算所得数据对所需支架数量进行判断并对手术进行指导；

分割及重建冠状血管模块(3)基于VMTK软件，首先用阈值分割算法进行分割，再用水平算法提取分割结果的轮廓线，最后使用移动立方体算法对提取结果来进行面绘制，建立血管的几何模型；采用ANSYS软件进行血流动力学数值模拟，对分割、重建冠状血管所得几何模型进行网络划分，在计算区域空间中将变量离散化，从而创造出有限元的模型；对建立的血流物理模型进行物理条件设置，体流动模型设置为非定常层流，血液模型设置为不可压缩的均一化牛顿流体，边界条件设置血液的进端口和出端口，阻力模型的集中参数为数值；计算血管狭窄模块(4)应用计算流体力学技术CFD进行计算，使用ANSYS CFX求解器求解控制方程组，计算公式狭窄率＝(狭窄近端正常血管直径-狭窄处血管直径)/狭窄近端正常血管直径*100％。

2.根据权利要求1所述的一种冠心病的计算机辅助手术设计系统，其特征在于，分割及重建冠状血管模块(3)通过数字图像处理建立，分割指图像分割，是将数字图像划分成不重叠的几个部分，也就是将目标区域从图像中分割出来，包括阈值分割、轮廓线提取两部分。

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