CN112991548B - 个性化二尖瓣有限元建模与仿真方法、系统及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的个性化二尖瓣有限元建模与仿真方法，包括以下步骤：采集二尖瓣三维超声心动图像数据，将二尖瓣超声心动图像数据导入医学影像三维可视化软件中；基于超声心动图像，获得二尖瓣三维曲面；根据超声心动图像确定乳头肌位置；进行有限元前处理，得到二尖瓣有限元模型；进行有限元计算，输出位移应力云图。还提供了相应的系统和设备。本发明的基于超声心动图像的个性化二尖瓣有限元建模与仿真方法，在建立个性化二尖瓣几何模型的基础上进行有限元分析，仿真结果能够为医师提供与真实二尖瓣高度相似的运动状态以及二尖瓣运动时的应力分布状态。
Description
技术领域
本发明涉及医学影像仿真技术领域，特别是涉及个性化二尖瓣有限元建模与仿真方法、系统及设备。
背景技术
瓣膜修复成型是治疗退行性二尖瓣返流性疾病的主要方法之一。但是瓣膜修复手术开展受限，主要原因是该技术的要求更为复杂，学习周期长，手术成功率与术者的个人经验和对修复技术的深入掌握程度密切相关，初学者往往因为经验不足，术中对瓣膜分析不准确，修复方法不恰当，导致治疗效果不理想。
随着软件技术和硬件技术的不断提升，生物力学有限元分析应运而生，通过对人体组织生物力学分析进行高度真实的模拟能够有效解决以上问题。对个性化人体二尖瓣进行有限元分析，为医师提供可视化的动态对比效果以及有效的力学评估，能够缩短医师的培训周期，为医师提供更多的诊断信息。
罗云等人(罗云.二尖瓣有限元建模与生物力学分析[D].福建：厦门大学,2014)根据生理解剖数据对二尖瓣进行设计，并采用D字型形状对瓣叶进行简化建立几何模型，将所建立的几何模型用于有限元仿真。但该方法所建立的几何模型并不能够反映个性化二尖瓣的几何特征，对于不同的人体二尖瓣，其几何结构具有较大的差异性，采用固定形状来对瓣叶进行简化得到的几何模型并不能准确反映不同人体的二尖瓣，最终得到的分析结果必然跟实际的情况有较大的差异。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的二尖瓣模型不能够兼顾细化个性化二尖瓣结构与有限元仿真，提出个性化二尖瓣有限元建模与仿真方法、系统及设备。
为了实现本发明目的，本发明提供的个性化二尖瓣有限元建模与仿真方法，应用于集成了二尖瓣有限元建模与仿真系统的嵌入式设备，所述方法包括以下步骤：
采集二尖瓣三维超声心动图像数据，将二尖瓣超声心动图像数据导入医学影像三维可视化软件中；
基于超声心动图像，获得二尖瓣三维曲面；
根据超声心动图像确定乳头肌位置；
进行有限元前处理，得到二尖瓣有限元模型；
进行有限元计算，输出位移应力云图。
对本发明方案的进一步改进，所述基于超声心动图像，获得二尖瓣三维曲面，包括：
采用样条曲线对超声心动图像中的切片图像中的瓣叶轮廓中心线进行拟合，采用样条曲面对所述样条曲线进行拟合，生成二尖瓣三维曲面，所述二尖瓣三维曲面包含前瓣叶、后瓣叶以及瓣环。
对本发明方案的进一步改进，对所述样条曲线进行拟合中：根据二尖瓣的医学解剖结构，在超声心动图像切片中，选取二尖瓣瓣环处与二尖瓣瓣叶末端处依次作为样条曲线的起点与终点。
对本发明方案的进一步改进，所述根据超声心动图像确立乳头肌位置，包括：在超声心动图像中，采用标记点对起源于左心室自由壁下的心室肌肉的延伸位置进行标记，对所有标记点的空间坐标值取平均值作为乳头肌位置。
对本发明方案的进一步改进，所述进行有限元前处理，得到二尖瓣有限元模型，包括：
选取壳单元对所述二尖瓣三维曲面进行网格划分；
设置材料属性参数；
选取梁单元，连接乳头肌位置与二尖瓣瓣叶末端，并设置梁单元相应的材料属性参数，生成腱索；
加载载荷，设置位移约束条件以及接触属性。
对本发明方案的进一步改进，所述有限元计算中，采用显示动力学算法进行有限元计算。
对本发明方案的进一步改进，载荷加载方式为：选取均布压力类型载荷，选取心房心室压差曲线，以动态幅值载荷方式法向加载至二尖瓣瓣叶；所述约束条件为：约束乳头肌位置的旋转平移自由度，约束瓣环的平移自由度；所述接触属性为：设置二尖瓣瓣叶之间的通用接触，设置二尖瓣瓣叶与腱索之间的点面接触。
本发明还提供个性化二尖瓣有限元建模与仿真系统，用于实现前述任一方法，包括：
采集模块，所述采集模块用于采集二尖瓣三维超声心动图像数据；
重建模块，所述重建模块用于根据超声心动图像进行二尖瓣三维曲面重建以及确立乳头肌位置；
前处理模块，所述前处理模块用于有限元前处理，得到二尖瓣有限元模型；
计算模块，所述计算模块用于有限元分析计算，输出位移应力云图。
为了实现本发明目的，本发明还提供一种嵌入式设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现前述任一所述的的个性化二尖瓣有限元建模与仿真方法的步骤。
与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：
(1)本发明的基于超声心动图像的个性化二尖瓣有限元建模与仿真方法，考虑个体的差异，基于采集到的二尖瓣三维超声心动图像数据建立个性化二尖瓣几何模型，使得后续得到的分析结果更加准确。
(2)在建立个性化二尖瓣几何模型的基础上进行有限元分析，仿真结果能够为医师提供与真实二尖瓣高度相似的运动状态以及二尖瓣运动时的应力分布状态。
附图说明
图1为本发明实施例提供的个性化二尖瓣有限元建模与仿真方法流程示意图。
图2为本发明实施例提供的个性化二尖瓣有限元建模与仿真系统结构示意图。
图3为本发明实施例提供的个性化二尖瓣曲面模型示意图。
图4为本发明实施例提供的个性化二尖瓣有限元模型示意图。
图5为本发明实施例提供的心房心室压差曲线示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
请参阅图1，本发明提供的基于超声心动图像的个性化二尖瓣有限元建模与仿真方法，应用于集成了个性化二尖瓣有限元建模系统的嵌入式设备，包括以下步骤：
步骤1，采集二尖瓣三维超声心动图像数据，将二尖瓣超声心动图像数据导入医学影像三维可视化软件中。
在本发明其中一个实施例中，医学影像三维可视化软件采用3D slicer。
步骤2，根据二尖瓣超声心动图像进行二尖瓣三维曲面重建。
在本发明其中一个实施例中，利用医学影像三维可视化软件中的查看功能(如3Dslicer中的SlicerHeart模块的Valve view功能)，选取心房心室的中心轴作为旋转轴进行旋转查看超声心动图像的切片图像。采用样条曲线对切片图像中的瓣叶轮廓中心线进行拟合，采用样条曲面对所述样条曲线进行拟合，生成二尖瓣三维曲面(如图3所示)。所述二尖瓣三维曲面包含前瓣叶、后瓣叶以及瓣环。
在本发明其中一个实施例中，对所述样条曲线进行拟合中：根据二尖瓣的医学解剖结构，在超声心动图像切片中，选取二尖瓣瓣环处与二尖瓣瓣叶末端处依次作为样条曲线的起点与终点。
在本发明其中一个实施例中，在旋转查看超声心动图像的切片图像时，选取每5°进行旋转查看超声心动图像切片，根据对称性可知，旋转36次即可完成对三维超声心动图像的360°查看。
步骤3，根据超声心动图像确定乳头肌位置。
在本发明的其中一个实施例中，在步骤2超声心动图像的切片图像中，采用标记点对起源于左心室自由壁下的心室肌肉的延伸位置进行标记，对所有标记点的空间坐标值取平均值作为乳头肌位置。
步骤4，进行有限元前处理，得到二尖瓣有限元模型。
在本发明的其中一个实施例中，本步骤具体包括：
步骤4.1：对二尖瓣进行有限元建模，包括二尖瓣瓣叶、乳头肌位置以及腱索(如图4所示)；
步骤4.2：选取壳单元对所述二尖瓣三维曲面进行网格划分，设置相应的材料属性参数；
步骤4.3：选取梁单元，连接乳头肌位置与二尖瓣瓣叶末端，设置梁单元相应的材料属性参数，生成腱索；
步骤4.4：加载载荷，设置位移约束条件以及接触属性，最终得到二尖瓣有限元模型。
在本发明的其中一个实施例中，本步骤中，选取0.5mm的网格尺寸对二尖瓣三维曲面进行网格划分；所述二尖瓣前瓣叶厚度设置0.69mm，所述二尖瓣后瓣叶厚度设置为0.51mm，二尖瓣瓣叶的密度为1040kg/m3，泊松比为0.45，杨氏模量为4MPa；所述梁单元采用圆形截面，截面面积为0.5mm2，材料参数与二尖瓣瓣叶材料相同。可以理解的是，在其他实施例中，各数值可以根据需要设置成其他数值，梁单元的截面形状也可采用其他形状。
在本发明其中一个实施例中，所述步骤4中：
所述加载载荷方式(如图4所示)为：选取均布压力类型载荷，选取心房心室压差曲线(如图5所示)，以动态幅值载荷方式法向加载至二尖瓣瓣叶；
所述约束条件为：约束乳头肌位置的旋转平移自由度，约束瓣环的平移自由度；
所述接触属性为：设置二尖瓣瓣叶之间的通用接触，设置二尖瓣瓣叶与腱索之间的点面接触。
步骤5，进行有限元计算，输出位移应力云图。
在本发明其中一个实施例中，采用显示动力学算法进行有限元计算，输出位移应力云图动画。
本发明提供的个性化二尖瓣有限元建模与仿真方法，应用于集成了二尖瓣有限元建模与仿真系统的嵌入式设备，通过采集到的二尖瓣三维超声图像构造二尖瓣三维曲面，并据此建立二尖瓣有限元模型，如此可以针对不同的个体得到更加精准的个性化二尖瓣几何模型，可以有效提高分析结果的准确性。
请参阅图2，本发明还提供基于超声心动图像的个性化二尖瓣有限元建模与仿真系统，包括：
采集模块，所述采集模块用于采集二尖瓣三维超声心动图像数据，将二尖瓣超声心动图像数据导入医学影像三维可视化软件中；
重建模块，所述重建模块用于根据超声心动图像进行二尖瓣三维曲面重建以及确立乳头肌位置；
前处理模块，所述前处理模块用于有限元前处理，得到二尖瓣有限元模型；
计算模块，所述计算模块用于加载载荷至二尖瓣有限元模型，设置位移约束条件以及接触属性，进行有限元计算，输出位移应力云图。
其中，前处理模块中，通过选取壳单元对所述二尖瓣三维曲面进行网格划分；设置材料属性参数；选取梁单元，连接乳头肌位置与二尖瓣瓣叶末端，并设置梁单元相应的材料属性参数，生成腱索；加载载荷，设置位移约束条件以及接触属性。从而得到二尖瓣有限元模型。
在本发明其中一个实施例中，还提供了一种嵌入式设备。
一种嵌入式设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行计算机程序时实现上述任一项基于超声心动图像的个性化二尖瓣有限元建模与仿真方法的步骤。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的个性化二尖瓣有限元建模与仿真系统和嵌入式设备而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (8)
1.个性化二尖瓣有限元建模与仿真方法，应用于集成了二尖瓣有限元建模与仿真系统的嵌入式设备，其特征在于，所述方法包括：
采集二尖瓣三维超声心动图像数据，将二尖瓣超声心动图像数据导入医学影像三维可视化软件中；
基于超声心动图像，获得二尖瓣三维曲面；
根据超声心动图像确定乳头肌位置；
进行有限元前处理，得到二尖瓣有限元模型；
进行有限元计算，输出位移应力云图；
其中，所述基于超声心动图像，获得二尖瓣三维曲面，包括：
在医学影像三维可视化软件中选取心房心室的中心轴作为旋转轴进行旋转查看超声心动图像的切片图像，采用样条曲线对超声心动图像中的切片图像中的瓣叶轮廓中心线进行拟合，采用样条曲面对所述样条曲线进行拟合，生成二尖瓣三维曲面，所述二尖瓣三维曲面包含前瓣叶、后瓣叶以及瓣环；
对所述样条曲线进行拟合中：根据二尖瓣的医学解剖结构，在超声心动图像切片中，选取二尖瓣瓣环处与二尖瓣瓣叶末端处依次作为样条曲线的起点与终点。
2.根据权利要求1所述的个性化二尖瓣有限元建模与仿真方法，其特征在于，所述根据超声心动图像确立乳头肌位置，包括：在超声心动图像中，采用标记点对起源于左心室自由壁下的心室肌肉的延伸位置进行标记，对所有标记点的空间坐标值取平均值作为乳头肌位置。
3.根据权利要求1所述的个性化二尖瓣有限元建模与仿真方法，其特征在于，所述进行有限元前处理，得到二尖瓣有限元模型，包括：
选取壳单元对所述二尖瓣三维曲面进行网格划分；
设置材料属性参数；
选取梁单元，连接乳头肌位置与二尖瓣瓣叶末端，并设置梁单元相应的材料属性参数，生成腱索；
加载载荷，设置位移约束条件以及接触属性。
4.根据权利要求1所述的个性化二尖瓣有限元建模与仿真方法，其特征在于，所述有限元计算中，采用显示动力学算法进行有限元计算。
5.根据权利要求3所述的个性化二尖瓣有限元建模与仿真方法，其特征在于，所述加载载荷方式为：选取均布压力类型载荷，选取心房心室压差曲线，以动态幅值载荷方式法向加载至二尖瓣瓣叶。
6.根据权利要求3所述的个性化二尖瓣有限元建模与仿真方法，其特征在于，所述约束条件为：约束乳头肌位置的旋转平移自由度，约束瓣环的平移自由度；所述接触属性为：设置二尖瓣瓣叶之间的通用接触，设置二尖瓣瓣叶与腱索之间的点面接触。
7.个性化二尖瓣有限元建模与仿真系统，其特征在于，用于实现权利要求1-6任一所述的方法，包括：
采集模块，所述采集模块用于采集二尖瓣三维超声心动图像数据；
重建模块，所述重建模块用于根据超声心动图像进行二尖瓣三维曲面重建以及确立乳头肌位置；
前处理模块，所述前处理模块用于有限元前处理，得到二尖瓣有限元模型；
计算模块，所述计算模块用于有限元分析计算。
8.一种嵌入式设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1-6任一所述的个性化二尖瓣有限元建模与仿真方法的步骤。
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| GR01 | Patent grant | ||
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