CN113611422A - 一种基于生物流体力学的仿真方法、装置及设备 - Google Patents

一种基于生物流体力学的仿真方法、装置及设备 Download PDF

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Abstract

本发明的实施例提供了一种基于生物流体力学的仿真方法、装置及设备，所述仿真方法包括：获取患者的医学图像；根据所述医学图像，重建第一仿真模型；根据预置数据库对所述第一仿真模型进行修正，获取第二仿真模型；对所述第二仿真模型进行网格划分，生成网格模型；对网格模型进行求解，生成求解后的数据；对所述求解后的数据进行可视化处理，获取处理结果。降低医护人员、设计人员或是研究人员开发研究的成本，从而有效地解决了现有技术中存在着的在进行生物流动仿真过程中，对其建模、数值计算和后处理三个主要方面分别在不同的平台上完成，提升了生物流动仿真的成本的技术问题。

Description

一种基于生物流体力学的仿真方法、装置及设备
技术领域
本发明涉及生物流体力学应用的技术领域，特别是涉及一种基于生物流体力学的仿真方法、装置及设备。
背景技术
生物流体力学作为一门广阔的生物工程学科，其利用流体力学的基本原理来阐明在健康和疾病中生物流动的基本机制及其与生理过程的相互关系。它从细胞跨越到器官，涵盖了系统生理学功能的各个方面，主要包括心血管、呼吸、生殖、泌尿、肌肉骨骼、神经、眼、淋巴、听觉系统。目前生物流体力学的研究领域包括设计实验系统、测试生理过程、模拟内流与外部气流等方面。随着生物流体力学和数值技术的发展及结合多学科计算流体动力学模型对仿真技术的可行性，使得计算生物流体力学成为生物流体力学领域中热门的研究方向。因此设计研发面向生物流体方面的新型仿真软件对研究人体的生理健康机能，改善手术方案，提高手术的成功率等方面具有重要的意义，且其在设计人工替代品和再生医学行业具有较大的潜能。
现有技术中存在着在进行生物流动仿真过程中，对其建模、数值计算和后处理三个主要方面分别在不同的平台上完成，提升了生物流动仿真的成本。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于生物流体力学的仿真方法，用于解决现有技术中存在着的在进行生物流动仿真过程中，对其建模、数值计算和后处理三个主要方面分别在不同的平台上完成，提升了生物流动仿真的成本的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的实施例采用了如下技术方案：
本发明的实施例提供了一种基于生物流体力学的仿真方法，所述仿真方法包括：
获取患者的医学图像；
根据所述医学图像，重建第一仿真模型；
根据预置数据库对所述第一仿真模型进行修正，获取第二仿真模型；
对所述第二仿真模型进行网格划分，生成网格模型；
对网格模型进行求解，生成求解后的数据；
对所述求解后的数据进行可视化处理，获取处理结果。
进一步地，所述获取患者的医学图像具体为：
通过医疗影像设备对患者进行采集，获取患者的医学图像；
其中，所述医疗影像数据包括X光检查、计算机断层成像、血管摄影和核磁共振成像中的任一或多个。
进一步地，所述预置格式为DICOM格式。
进一步地，所述根据所述预置格式的图像，重建第一仿真模型具体为：
将所述预置格式的图像置于笛卡尔坐标系中，并对所述预置格式的图像进行处理，生成处理后的图像，其中，所述预置格式的图像由三个方位显示；
对所述处理的图像进行三维重建，生成第一仿真模型。
进一步地，所述预置格式的图像进行处理中的处理包括切片处理、绘图处理、删除处理和填充处理。
进一步地，所述重建第一仿真模型、网格划分、求解和可视化处理均在同一套几何模型。
进一步地，所述对网络模型进行求解，生成求解后的数据具体为：
对所述网络模型导入求解器中，并对求解器的边界条件、初始条件和方程离散格式进行设置并求解，生成求解后的数据。
进一步地，所述预置数据库为医学数据库。
本发明的实施例还提供了一种基于生物流体力学的仿真装置，所述仿真装置包括如下模块：
获取模块，所述获取模块用于获取患者的医学图像；
重建模块，所述重建模块用于根据医学图像，重建第一仿真模型；
验证模块，所述验证模块用于根据预置数据库对所述第一仿真模型进行修正，获取第二仿真模型；
划分模块，所述划分模块用于对所述第二仿真模型进行网格划分，生成网格模型；
求解模块，所述求解模块用于对网格模型进行求解，生成求解后的数据；
处理模块，所述处理模块用于对所述求解后的数据进行可视化处理，获取处理结果。本发明的实施例还提供了一种基于生物流体力学的仿真设备，包括处理器以及存储器；
所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；
所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行上述的一种基于生物流体力学的仿真方法。
相比于现有技术，本发明的实施例的有益效果在于：
本发明的实施例提供了一种基于生物流体力学的仿真方法、装置及设备，所述仿真方法包括：获取患者的医学图像；根据所述医学图像，重建第一仿真模型；根据预置数据库对所述第一仿真模型进行修正，获取第二仿真模型；对所述第二仿真模型进行网格划分，生成网格模型；对网格模型进行求解，生成求解后的数据；对所述求解后的数据进行可视化处理，获取处理结果。本发明的所述仿真方法，集成了医学影像处理建模、简单化网格划分、多模型高性能数值计算、多元化数据可视化处理的专门面向生物流体力学领域的仿真，可以很好体现生物流体力学这个交叉学科的优势，同时降低了医护人员、设计人员或是研究人员开发研究的成本，从而有效地解决了现有技术中存在着的在进行生物流动仿真过程中，对其建模、数值计算和后处理三个主要方面分别在不同的平台上完成，提升了生物流动仿真的成本的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种基于生物流体力学的仿真方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的一种基于生物流体力学的仿真装置的系统框图；
图3是本发明实施例提供的一种基于生物流体力学的仿真设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可更换连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本实施例提供了一种基于生物流体力学的仿真方法，所述仿真方法包括：
获取患者的医学图像；
具体为：根据患者的医疗影像检查，获取患者的医学图像；
其中，所述医疗影像检查包括X光检查、计算机断层成像、血管摄影和核磁共振成像中的任一或多个。
根据所述医学图像，重建第一仿真模型；
具体为：
对所述医学图像进行转换，获取预置格式的图像；其中，所述预置格式为DICOM(医疗数位影像传输协定)格式；
根据所述预置格式的图像，重建第一仿真模型；
进一步为：所述根据所述预置格式的图像，重建第一仿真模型具体为：
将所述预置格式的图像置于笛卡尔坐标系中，并对所述预置格式的图像进行处理，生成处理后的图像，其中，所述预置格式的图像由三个方位显示；
对所述处理的图像进行三维重建，生成第一仿真模型。
其中，所述预置格式的图像进行处理中的处理包括切片处理、绘图处理、删除处理和填充处理。
所述第一仿真模型包括生物心血管系统的模型、消化呼吸系统的模型、泌尿系统的模型或内分泌系统的模型。
将医学图像导入生物流体力学仿真软件中，导入的格式可以是各种格式的医学图像，但在进行建模之时转换为DICOM(医疗数位影像传输协定)格式，方便医学图像处理、存储、交换等操作，以适应各种不同的设备采集到的医学图像。
根据预置数据库对所述第一仿真模型进行修正，获取第二仿真模型；
其中，所述预置数据库为医学数据库，即为各大医院内的模型数据库，所述预置数据库也可以为其他的医疗工程中构建的数据库。
通过对所述第一仿真模型进行验证，从而实现验证第一仿真模型的正确性和实用性；
对所述第二仿真模型进行网格划分，生成网格模型；
具体为：将所述第二仿真模型导入网格划分器中，或者在软件界面切换到网格划分模块中，通过网格划分器中提示按钮，一键生成网格模型，可以通过网格质量统计栏微调网格。
对网格模型进行求解，生成求解后的数据；
所述对网格模型进行求解，生成求解后的数据具体为：
对所述网格模型导入求解器中，并对求解器的边界条件、初始条件和方程离散格式进行设置并求解，生成求解后的数据。
具体为，将网格模型导入生物流体力学求解器中或直接切换到求解器模块中，调节所述求解器的对求解器的边界条件、初始条件和方程离散格式进行设置，在进行求解，生成求解后的数据。
对所述求解后的数据进行可视化处理，获取处理结果。
其中，将求解后的数据进行可视化处理，可以利用控制台Python对求解后的数据进行可视化处理。
生物流体力学仿真软件的每一个界面，建模界面、网格划分界面、数值计算界面、数据可视化后处理界面都可以与外界进行交互，也可以通过控制台进行实时的调控。
其中，所述重建第一仿真模型、网格划分、求解和可视化处理均在同一套几何模型。当共用一套几何模型时，无需考虑各个步骤之间的文件不兼容或者数据丢失的情况；在每一个步骤中底层都是相同的几何模型。
本实施例的所述仿真方法，降低生物流体力学仿真的难度，无需专门学习设计软件、无需将大量的时间花费在网格划分方面、方便多元的数据处理；同时，简化生物流体力学仿真步骤，软件的高度集成化节省仿真时间；丰富的后处理步骤，无需导出计算后数据，直接使用数据进行分析；可视化处理不再局限于标量场、矢量场云图，可以实现丰富的Python绘图。
目前计算模型主要是基于有限体积法以及相关的模型，下一阶段添加多尺度、多离散格式、多应用领域的计算模块。多尺度指的是仿真不仅仅局限于宏观领域，也要涉及介观尺度、微观尺度；多离散格式指添加有限元、有限差分、有限法等多离散格式；多应用指的是除了人体或生物体内部之外，还有类似于人在水中游泳、昆虫飞动等领域。
软件的一部分用来开源建设生物流体仿真社区，可以与用户交互问答，降低上手操作的成本。
本发明的所述仿真方法，集成了医学影像处理建模、简单化网格划分、多模型高性能数值计算、多元化数据可视化处理的专门面向生物流体力学领域的仿真，可以很好体现生物流体力学这个交叉学科的优势，同时降低了医护人员、设计人员或是研究人员开发研究的成本，很好地融合各个学科，打破学科之间的壁垒，实现各个领域交互、共享的理念；提高临床前沿问题研究的效率；从而有效地解决了现有技术中存在着的在进行生物流动仿真过程中，对其建模、数值计算和后处理三个主要方面分别在不同的平台上完成，提升了生物流动仿真的成本的技术问题。
如图2所示，本发明的实施例还提供了一种基于生物流体力学的仿真装置，所述仿真装置包括如下模块：
获取模块201，所述获取模块201用于获取患者的医学图像；
重建模块202，所述重建模块202用于根据所述医学图像，重建第一仿真模型；
验证模块203，所述验证模块203用于根据预置数据库对所述第一仿真模型进行修正，获取第二仿真模型；
划分模块204，所述划分模块204用于对所述第二仿真模型进行网格划分，生成网格模型；
求解模块205，所述求解模块205用于对网格模型进行求解，生成求解后的数据；
处理模块206，所述处理模块206用于对所述求解后的数据进行可视化处理，获取处理结果。
所述仿真装置解决了现有技术中存在着的在进行生物流动仿真过程中，对其建模、数值计算和后处理三个主要方面分别在不同的平台上完成，提升了生物流动仿真的成本的技术问题。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
如图3所示，本发明的实施例还提供了一种基于生物流体力学的仿真设备，所述设备包括处理器300以及存储器301；
所述存储器301用于存储程序代码302，并将所述程序代码302传输给所述处理器；
所述处理器300用于根据所述程序代码302中的指令执行上述的一种基于生物流体力学的仿真方法实施例中的步骤。
示例性的，所述计算机程序302可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器301中，并由所述处理器300执行，以完成本申请。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序302在所述终端设备30中的执行过程。
所述终端设备30可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器300、存储器301。本领域技术人员可以理解，图3仅仅是终端设备30的示例，并不构成对终端设备30的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器300可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器301可以是所述终端设备30的内部存储单元，例如终端设备30的硬盘或内存。所述存储器301也可以是所述终端设备30的外部存储设备，例如所述终端设备30上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器301还可以既包括所述终端设备30的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器301用于存储所述计算机程序以及所述终端设备所需的其他程序和数据。所述存储器301还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立地产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于生物流体力学的仿真方法，其特征在于，所述仿真方法包括：
获取患者的医学图像；
根据所述医学图像，重建第一仿真模型；
根据预置数据库对所述第一仿真模型进行修正，获取第二仿真模型；
对所述第二仿真模型进行网格划分，生成网格模型；
对网络模型进行求解，生成求解后的数据；
对所述求解后的数据进行可视化处理，获取处理结果。
2.根据权利要求1所述的基于生物流体力学的仿真方法，其特征在于，所述获取患者的医学图像具体为：
根据患者的医疗影像检查，获取患者的医学图像；
其中，所述医疗影像检查包括X光检查、计算机断层成像、血管摄影和核磁共振成像中的任一或多个。
3.根据权利要求1所述的基于生物流体力学的仿真方法，其特征在于，所述根据所述医学图像，重建第一仿真模型具体为
对所述医学图像进行转换，获取预置格式的图像；
根据所述预置格式的图像，重建第一仿真模型。
4.根据权利要求3所述的基于生物流体力学的仿真方法，其特征在于，所述根据所述预置格式的图像，重建第一仿真模型具体为：
将所述预置格式的图像置于笛卡尔坐标系中，并对所述预置格式的图像进行处理，生成处理后的图像，其中，所述预置格式的图像由三个方位显示；
对所述处理的图像进行三维重建，生成第一仿真模型。
5.根据权利要求4所述的基于生物流体力学的仿真方法，其特征在于，所述预置格式的图像进行处理中的处理包括切片处理、绘图处理、删除处理和填充处理。
6.根据权利要求1所述的基于生物流体力学的仿真方法，其特征在于，所述重建第一仿真模型、网格划分、求解和可视化处理均在同一套几何模型。
7.根据权利要求1所述的基于生物流体力学的仿真方法，其特征在于，所述对网络模型进行求解，生成求解后的数据具体为：
对所述网络模型导入求解器中，并对求解器的边界条件、初始条件和方程离散格式进行设置并求解，生成求解后的数据。
8.根据权利要求1所述的基于生物流体力学的仿真方法，其特征在于，所述预置数据库为医学数据库。
9.一种基于生物流体力学的仿真装置，其特征在于，所述仿真装置包括如下模块：
获取模块，所述获取模块用于获取患者的医学图像；
重建模块，所述重建模块用于根据医学图像，重建第一仿真模型；
验证模块，所述验证模块用于根据预置数据库对所述第一仿真模型进行修正，获取第二仿真模型；
划分模块，所述划分模块用于对所述第二仿真模型进行网格划分，生成网格模型；
求解模块，所述求解模块用于对网格模型进行求解，生成求解后的数据；
处理模块，所述处理模块用于对所述求解后的数据进行可视化处理，获取处理结果。
10.一种基于生物流体力学的仿真设备，其特征在于，包括处理器以及存储器；
所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；
所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行权利要求1-8中任意一项所述的一种基于生物流体力学的仿真方法。
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