CN113143306A - 一种用于颅内动脉瘤cfd诊断可视化设备 - Google Patents
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Abstract
一种用于颅内动脉瘤CFD诊断可视化设备,包括有：低剂量CTA成像单元——用于得到全脑血流动力学改变图像；三维高精度CFD数值模拟单元——根据全脑血流动力学改变图像建立动脉瘤几何模型；可视化CFD诊断单元——根据动脉瘤几何模型进行成像，并得到不同类型动脉瘤破裂出血的风险值。该用于颅内动脉瘤CFD诊断可视化设备，将全脑血流动力学改变图像得到动脉瘤几何模型进行虚拟现实呈形，并计算得到不同类型动脉瘤破裂出血的风险值，有助于快速精确诊治脑卒中性疾病。
Description
技术领域
本发明涉医学图像处理及成像技术领域，特别涉及一种用于颅内动脉瘤CFD诊断可视化设备。
背景技术
脑卒中在我国属于常见病，已成为我国居民第一位的死因，具有高发病率、高死亡率、高复发率和高致残率的“四高”特点，严重威胁中国居民健康。颅内动脉瘤是一种获得性的发生于颅内动脉管壁上的异常膨出，可引起蛛网膜下腔出血，是脑卒中最凶险的病因之一。脑卒中预后极差，死亡率则高达50％，仅25％的患者可保留一定生活自理能力。
CT检查为快速诊断脑卒中及采取何种治疗手段的重要依据。近年来，基于CT影像的计算血流动力学模型提高了脑血管疾病诊治的精确性。目前，应用CFD软件结合3D-DSA或CTA模拟流体力学已成为分析颅内血流动力学改变的主要方法，但这样的研究工作流程操作起来繁杂、欠直观。神经外科医生在手术过程中非常依赖图像，对外科医生来说，可视化人体皮肤下的解剖结构一直是一个棘手的问题，尤其是当试图避免皮肤切口时。当涉及到脑卒中时，头骨特别难以穿透，这使得它们的视觉和后续的治疗成为一个巨大的挑战。
因此，针对现有技术不足，提供一种用于颅内动脉瘤CFD诊断可视化设备以解决现有技术不足甚为必要。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种用于颅内动脉瘤CFD诊断可视化设备。该用于颅内动脉瘤CFD诊断可视化设备能进行VR可视化图像呈现，并计算得到不同类型动脉瘤破裂出血的风险值为临床提供理论指导。
本发明的上述目的通过以下技术措施实现：
提供一种用于颅内动脉瘤CFD诊断可视化设备,包括有：
低剂量CTA成像单元——用于得到全脑血流动力学改变图像；
三维高精度CFD数值模拟单元——根据全脑血流动力学改变图像建立动脉瘤几何模型；
可视化CFD诊断单元——根据动脉瘤几何模型进行成像，并得到不同类型动脉瘤破裂出血的风险值。
优选的，上述低剂量CTA成像单元采用128层螺旋CT对对像进行成像，并减半扫描时间、降低辐射剂量及低对比剂量得到全脑血流动力学改变图像。
优选的，上述低剂量CTA成像单元采用iDose4技术的低剂量迭代重建图像后处理技术和图像分析对全脑血流动力学改变图像进行处理。
优选的，上述三维高精度CFD数值模拟单元通过Mimics和Geomagic studio对全脑血流动力学改变图像进行模型构建，得到动脉瘤几何模型。
优选的，上述三维高精度CFD数值模拟单元利用ANSYS ICEM对动脉瘤几何模型进行网格划分和设置边界条件。
优选的，上述三维高精度CFD数值模拟单元采用Fluent求解器求解动脉瘤几何模型的血流动力学的特征参数。
优选的，上述Fluent求解器的计算采用压力-速度耦合方式。
优选的，上述Fluent求解器的流场计算时的微分方程组离散格式为四阶精度的迎风方式。
优选的，上述特征参数为平均壁面切应力、剪切震荡指数、血管壁压力和血流速度。
优选的，上述可视化CFD诊断单元使用可视化VR设备对动脉瘤几何模型进行可视化成像。
优选的，上述可视化CFD诊断单元基于量化分析方法的风险评估决策系统，借助颅内动脉瘤破裂风险预测评估模型的“分级量表”进行量化、计算不同类型动脉瘤破裂出血的风险值。
优选的，上述降低辐射剂量通过将管电压降至80KV产生的辐射剂量。
优选的，上述低对比剂量为在CTA检查时团注对比剂后使用30～50mL生理盐水以相同流率进行替代注射，从而降低对比剂的注射量，且对比剂量为体量与0.6ml/kg的乘积。
本发明的一种用于颅内动脉瘤CFD诊断可视化设备,包括有：低剂量CTA成像单元——用于得到全脑血流动力学改变图像；三维高精度CFD数值模拟单元——根据全脑血流动力学改变图像建立动脉瘤几何模型；可视化CFD诊断单元——根据动脉瘤几何模型进行成像，并得到不同类型动脉瘤破裂出血的风险值。该用于颅内动脉瘤CFD诊断可视化设备，将全脑血流动力学改变图像得到动脉瘤几何模型进行虚拟现实呈形，并计算得到不同类型动脉瘤破裂出血的风险值，有助于快速精确诊治脑卒中性疾病。
附图说明
利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。
图1为本发明一种用于颅内动脉瘤CFD诊断可视化设备的操作流程图。
图2为蒙皮提取示意图。
图3为血管的三维模型。
图4为血管和血管的三维模型。
图5为壁切应力示意图。
图6为流线图。
图7为管壁形变示意图。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1。
一种用于颅内动脉瘤CFD诊断可视化设备,包括有：
低剂量CTA成像单元——用于得到全脑血流动力学改变图像；
三维高精度CFD数值模拟单元——根据全脑血流动力学改变图像建立动脉瘤几何模型；
可视化CFD诊断单元——根据动脉瘤几何模型进行成像，并得到不同类型动脉瘤破裂出血的风险值。
其中低剂量CTA成像单元采用128层螺旋CT对对像进行成像，并减半扫描时间、降低辐射剂量及低对比剂量得到全脑血流动力学改变图像。
本发明通过128层螺旋CT进行成像，可得到能够反映全脑血流动力学改变的高质量图像。
其中低剂量CTA成像单元采用iDose4技术的低剂量迭代重建图像后处理技术和图像分析对全脑血流动力学改变图像进行处理。
本发明通过iDose4技术的低剂量迭代重建图像后处理技术和图像分析提高图片质量，能够降低检查的辐射剂量，提高图像的质量。
其中，降低辐射剂量通过将管电压降至80KV产生的辐射剂量。低对比剂量为在CTA检查时团注对比剂后使用30～50mL生理盐水以相同流率进行替代注射，从而降低对比剂的注射量，且对比剂量为体量与0.6ml/kg的乘积。
本发明的iDose4技术的低剂量迭代重建图像后处理技术和图像分析均为常用的图像处理技术，本邻域技术人员应当知晓具体的处理操作步骤，在此不再一一累述。
其中三维高精度CFD数值模拟单元通过Mimics和Geomagic studio对全脑血流动力学改变图像进行模型构建，得到动脉瘤几何模型。该动脉瘤几何模型符合分形血管网络。
需要说明的是，本发明的Mimics和Geomagic studio均为常用的模型构建方法，本邻域技术人员应当知晓具体的使用方法及参数设置，在此不再一一累述。
本发明的三维高精度CFD数值模拟单元利用ANSYS ICEM对动脉瘤几何模型进行网格划分和设置边界条件。
需要说明的是，本发明的CFD运算的入口条件采用速度边界条件，由TCCS实时数据导入。
该三维高精度CFD数值模拟单元采用Fluent求解器求解动脉瘤几何模型的血流动力学的特征参数。Fluent求解器的计算采用压力-速度耦合方式。Fluent求解器的流场计算时的微分方程组离散格式为四阶精度的迎风方式，作为前述的离散格式的标准本发明使用10-4均方根残差设定标准。
其中特征参数为平均壁面切应力、剪切震荡指数、血管壁压力和血流速度。
可视化CFD诊断单元使用可视化VR设备对动脉瘤几何模型进行可视化成像。
需要说明的是，本发明的可视化VR设备集成了几何修改、流线型计算流体动力学(CFD)模拟和沉浸式可视化，可视化CFD诊断单元能让研究人员以更直观和直接的方式利用血管模拟，而且可视化VR设备为现有的消费者级VR设备，如商业VR头盔。
本发明的用于颅内动脉瘤CFD诊断可视化设备，可视化CFD诊断单元基于量化分析方法的风险评估决策系统，借助颅内动脉瘤破裂风险预测评估模型的“分级量表”进行量化、计算不同类型动脉瘤破裂出血的风险值。
本发明的量化分析方法的风险评估决策系统具体为根据颅内动脉瘤破裂危险因素赋予评分：年龄、性别、血压值、动脉瘤形态、动脉瘤体与载瘤动脉瘤角度、动脉瘤大小等。赋予动脉瘤客观性量化分值，进一步评估动脉瘤破裂分险及后续诊治手段。颅内动脉瘤破裂风险预测评估模型具体为根据低辐射剂量所得颅脑CTA，经Mimics、Geomagic studio和Fluent建立动脉瘤流固耦合模型，根据颅脑多普勒彩超所得颅内动脉血管血流参数，进行体外模拟动脉瘤在正常生理情况下破裂分险。
需要说明的是量化分析方法的风险评估决策系统和颅内动脉瘤破裂风险预测评估模型为常见的风险估手段，本领域技术人员应当知晓，在此不再一一累述。
该用于颅内动脉瘤CFD诊断可视化设备，将全脑血流动力学改变图像得到动脉瘤几何模型进行虚拟现实呈形，并计算得到不同类型动脉瘤破裂出血的风险值，有助于快速精确诊治脑卒中性疾病。
实施例2。
一种用于颅内动脉瘤CFD诊断可视化设备具体的操作步骤如下，如图1：
S1、低剂量CTA成像单元采用128层螺旋CT成像，收集对像图像并分为两组：低剂量CTA组和对照组。
S2、低剂量CTA成像单元采用iDose4技术的低剂量迭代重建图像后处理技术处理图像。
S3、低剂量CTA成像单元对图像进行分析以提高图片质量。
S4、三维高精度CFD数值模拟单元利用Mimics重建动脉瘤几何模型。
S5、三维高精度CFD数值模拟单元利用Geomagic studio优化动脉瘤几何模型。
S6、三维高精度CFD数值模拟单元利用ANSYS ICEM对动脉瘤几何模型进行网格划分和设置边界条件。
S7、三维高精度CFD数值模拟单元利用Fluent求解器求解动脉瘤几何模型的血流动力学特征参数。
S8、可视化CFD诊断单元结合商业VR头盔形成可视化显示操作系统，进行可视化成像。
S9、可视化CFD诊断单元基于量化分析方法的风险评估决策系统。
通过本发明的一种用于颅内动脉瘤CFD诊断可视化设备，将全脑血流动力学改变图像得到动脉瘤几何模型进行虚拟现实呈形，并计算得到不同类型动脉瘤破裂出血的风险值，有助于快速精确诊治脑卒中性疾病。
实施例3。
一种用于颅内动脉瘤CFD诊断可视化设备的应用，具体过程如下：
1、数据采集：
通过CT或CTA检查临床怀疑的动脉瘤，然后经DSA造影证实并且确诊率达到100％的病例为本发明的数据。
CTA数据通过320排640层西门子螺旋CT扫描仪采集获得，其中扫描延迟是通过对比剂跟踪技术自动调节的。
其中参数设置：扫描电压为100kV，电流为175mA，采集矩阵515*512；旋转时间为5s，扫描层厚为0.75mm，螺距为1.0，扫描时间为5s～8s。
对于动脉瘤的CT图像，为了减少颅骨对建模过程中的影响，使用了图像软件将整个颅骨去除，得到了去除颅骨后的脑血管网CT图。
2、颅内动脉瘤个体化模型的建立
将得到的DICOM格式数据导入MIICS软件中，运用阀值选取技术、三维区域增长技术和空洞填充技术得到动脉蒙片,如图2，再采用手动分割法提取所需血管mask，主要包括动脉瘤区域及其上下段的载瘤动脉血管，将模型导入逆向工程软Geomagic进行必要的修补及平滑后，将文件以STL格式输出，再在ANSYS软件的Mesh模块对模型进行网格划分。
3、网格划分
网格选择四面体网格，算法选择Patch Independents，从而消除了一些小细节对边缘网格的影响。最大网格尺寸为0.4mm，最小网格尺寸为0.1mm，特征角设定为12度。对于动脉瘤和血管较细的部分，将网格细化为0.01。
同时定义模型的进口、出口、动脉瘤和载瘤动脉段，这样在后续分析计算的时候可以给定边界条件，同时在后处理中能够显示相应的统计区域，如图3和4。
4、计算条件设置
在Fluent中利用自带的UDF功能将以上关系以C语言的形式编写出来，将UDF导入Fluent中，第一个速度值作为稳态的初始条件，数值算法选择层流模式，求解器设定为非稳态，速度和压力的空间离散采用二阶迎风格式和标准格式，时间域离散采用一阶隐式格式，在参数监控中将计算残差设为10-5，当两步之间的计算结果小于此阈值时，判定结果收敛。
随后将稳态计算得到的果作为非稳态计算的初始条件，结合脉动速度入口进行计算。
本发明的非稳态分别设定为100步和0.00628s，正好为一个心动周期时长，连续计算四个周期，以第四个周期结果为脉动数值结果进行分析。
耦合计算求解得到动脉瘤壁面切应力，血液流线图及壁面压力一系列颅内动脉瘤血流动力学特征参数等结果，如图5。
血管壁采用弹性血管壁，采用任意拉格朗日-欧拉法为对动脉瘤内的流-固耦合问题进行了数值模计算，重点对比分析了相同动脉瘤模型在刚性壁面条件和弹性壁面条件下的数值模拟结果，研究其血管壁受力和变形以及动脉瘤内血液动力学特征。
5、后处理及分析
后处理采用的是Amtee公司推出的科学绘图软件Tecplot，得到包括云图、矢量图和流线图、直方图等。从而能直观的观察到大多数的动脉瘤的壁面上存在高应力的区域也存在低应力的区域，大多数没有破裂的动脉瘤往往是没有任何表现的，一旦动脉瘤发生破裂出血，可以导致网膜出血，如图6。
因此利用流固耦合数值方法数值模拟获取了动脉瘤内部的流速、变形和应力分布大小，以此来说明动脉瘤破裂的客观原因以及预测动脉瘤瘤内的流速分布，为临床医学提供指导，如图7。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本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 (10)
1.一种用于颅内动脉瘤CFD诊断可视化设备,其特征在于，包括有：
低剂量CTA成像单元——用于得到全脑血流动力学改变图像；
三维高精度CFD数值模拟单元——根据全脑血流动力学改变图像建立动脉瘤几何模型；
可视化CFD诊断单元——根据动脉瘤几何模型进行成像，并得到不同类型动脉瘤破裂出血的风险值。
2.根据权利要求1所述的用于颅内动脉瘤CFD诊断可视化设备,其特征在于：所述低剂量CTA成像单元采用128层螺旋CT对对像进行成像，并减半扫描时间、降低辐射剂量及低对比剂量得到全脑血流动力学改变图像。
3.根据权利要求2所述的用于颅内动脉瘤CFD诊断可视化设备,其特征在于：所述低剂量CTA成像单元采用iDose4技术的低剂量迭代重建图像后处理技术和图像分析对全脑血流动力学改变图像进行处理。
4.根据权利要求3所述的用于颅内动脉瘤CFD诊断可视化设备,其特征在于：所述三维高精度CFD数值模拟单元通过Mimics和Geomagic studio对全脑血流动力学改变图像进行模型构建，得到动脉瘤几何模型。
5.根据权利要求4所述的用于颅内动脉瘤CFD诊断可视化设备,其特征在于：所述三维高精度CFD数值模拟单元采用Fluent求解器求解动脉瘤几何模型的血流动力学的特征参数；
所述三维高精度CFD数值模拟单元利用ANSYS ICEM对动脉瘤几何模型进行网格划分和设置边界条件。
6.根据权利要求5所述的用于颅内动脉瘤CFD诊断可视化设备,其特征在于：所述Fluent求解器的计算采用压力-速度耦合方式。
7.根据权利要求6所述的用于颅内动脉瘤CFD诊断可视化设备,其特征在于：所述Fluent求解器的流场计算时的微分方程组离散格式为四阶精度的迎风方式。
8.根据权利要求7所述的用于颅内动脉瘤CFD诊断可视化设备,其特征在于：所述特征参数为平均壁面切应力、剪切震荡指数、血管壁压力和血流速度。
9.根据权利要求8所述的用于颅内动脉瘤CFD诊断可视化设备,其特征在于：所述可视化CFD诊断单元使用可视化VR设备对动脉瘤几何模型进行可视化成像。
10.根据权利要求9所述的用于颅内动脉瘤CFD诊断可视化设备,其特征在于：所述可视化CFD诊断单元基于量化分析方法的风险评估决策系统，借助颅内动脉瘤破裂风险预测评估模型的“分级量表”进行量化、计算不同类型动脉瘤破裂出血的风险值。
所述降低辐射剂量通过将管电压降至80KV产生的辐射剂量；
所述低对比剂量为在CTA检查时团注对比剂后使用30～50mL生理盐水以相同流率进行替代注射，从而降低对比剂的注射量，且对比剂量为体量与0.6ml/kg的乘积。
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