CN114209429A - 模拟经导管主动脉瓣膜置换的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种模拟经导管主动脉瓣膜置换的方法、装置、计算机可读存储介质及处理器，该方法包括构建主动脉根部模型和人工瓣膜模型；获取初始化参数；至少采用主动脉根部模型、人工瓣膜模型和初始化参数，模拟人工瓣膜置换过程，得到模拟结果，模拟结果包括形态学参数；基于模拟结果进行血流动力学分析，得到血流动力学参数；根据形态学参数和血流动力学参数优化初始化参数，通过减少计算量，从而降低计算成本，进而解决了现有技术中采用有限元模拟经导管主动脉瓣膜置换术计算成本较高的问题，能够实现手术过程的实时模拟，在短时间内实现手术过程的多次迭代计算，为术前或术中规划提供快速的模拟预测结果。

Description

模拟经导管主动脉瓣膜置换的方法及装置

技术领域

本申请涉及医疗技术领域，具体而言，涉及一种模拟经导管主动脉瓣膜置换的方法、装置、计算机可读存储介质及处理器。

背景技术

经导管主动脉瓣膜置换术(TAVR)是一种微创瓣膜置换手术，是通过介入导管技术，将人工心脏瓣膜输送到主动脉瓣位置，从而完成人工瓣膜植入，恢复瓣膜功能。相比于外科开胸的主动脉瓣置换手术，TAVR不需要开胸，而是由经过股动脉穿刺的导管将人工瓣膜送至目标位置，具有创伤小，术后恢复快等优点。然而，TAVR的成功高度依赖于对瓣膜支架和主动脉壁之间相互作用的预测。现有技术中，预测瓣膜支架与主动脉壁间相互作用的方法主要是基于有限元的计算模拟，该方法可以模拟复杂的材料模型，但是该方法存在计算成本高(因为需要求解大量PDE偏微分方程，对于超弹性材料与记忆金属的材料模拟涉及到非线性材料的求解)，无法快速给出预测结果的缺点。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种模拟经导管主动脉瓣膜置换的方法、装置、计算机可读存储介质及处理器，以解决现有技术中采用有限元模拟经导管主动脉瓣膜置换术计算成本较高的问题。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种模拟经导管主动脉瓣膜置换的方法，该方法包括：构建主动脉根部模型和人工瓣膜模型；获取初始化参数，所述初始化参数包括至少以下之一：人工瓣膜的尺寸大小、瓣膜支架的膨胀程度、人工瓣膜的初始位置；至少采用所述主动脉根部模型、所述人工瓣膜模型和所述初始化参数，模拟人工瓣膜置换过程，得到模拟结果，所述模拟结果包括形态学参数，所述形态学参数包括至少以下之一：病变区域位移、原生瓣膜位移、血管壁应力；基于所述模拟结果进行血流动力学分析，得到血流动力学参数，所述血流动力学参数至少包括瓣周漏流量；根据所述形态学参数和所述血流动力学参数优化所述初始化参数。

进一步地，构建主动脉根部模型包括：获取主动脉根部的图像数据，所述图像数据包括三维图像和主动脉瓣的病变图；根据所述图像数据构建所述主动脉根部模型。

进一步地，至少采用所述主动脉根部模型、所述人工瓣膜模型和所述初始化参数，模拟人工瓣膜置换过程，得到模拟结果包括：从所述三维图像中提取出主动脉根部的中心线；控制人工瓣膜沿所述中心线在所述主动脉根部模型中移动至所述人工瓣膜的初始位置；控制所述人工瓣膜逐渐膨胀，且获取所述人工瓣膜处于完全膨开状态时的所述形态学参数。

进一步地，从所述三维图像中提取出主动脉根部的中心线包括采用骨架法从所述三维图像中提取出所述主动脉根部的中心线。

进一步地，获取所述人工瓣膜处于完全膨开状态时的所述形态学参数包括：对所述主动脉根部模型进行网格化处理，得到第一计算网格模型；对所述人工瓣膜模型进行网格化处理，得到第二计算网格模型；采用弹簧质点算法，应用所述初始化参数、所述第一计算网格模型和所述第二计算网格模型，计算得到所述形态学参数。

进一步地，所述主动脉根部模型为三维几何模型，对所述主动脉根部模型进行网格化处理，得到第一计算网格模型包括：对所述三维几何模型进行阈值分割，得到所述主动脉根部的边界；基于所述主动脉根部的边界提取所述三维几何模型的体素单元；将所述体素单元转换为三维计算网格，多个所述三维计算网格构成所述第一计算网格模型。

进一步地，根据所述形态学参数和所述血流动力学参数优化所述初始化参数包括：根据所述原生瓣膜位移确定是否遮挡冠脉口；根据所述瓣周漏流量确定是否发生瓣周漏；将所述是否遮挡冠脉口和所述是否发生瓣周漏作为评价指标，经过迭代运算不断优化所述初始化参数。

根据本申请的另一方面，提供了一种模拟经导管主动脉瓣膜置换的装置，该装置包括：构建单元、获取单元、模拟单元、分析单元和优化单元，构建单元用于构建主动脉根部模型和人工瓣膜模型；获取单元用于获取初始化参数，所述初始化参数包括至少以下之一：人工瓣膜的尺寸大小、瓣膜支架的膨胀程度、人工瓣膜的初始位置；模拟单元用于至少采用所述主动脉根部模型、所述人工瓣膜模型和所述初始化参数，模拟人工瓣膜置换过程，得到模拟结果，所述模拟结果包括形态学参数，所述形态学参数包括至少以下之一：病变区域位移、原生瓣膜位移、血管壁应力；分析单元用于基于所述模拟结果进行血流动力学分析，得到血流动力学参数，所述血流动力学参数至少包括瓣周漏流量；优化单元，用于根据所述形态学参数和所述血流动力学参数优化所述初始化参数。

根据本申请的另一方面，还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行上述任意一种所述的方法。

根据本申请的另一方面，还提供了一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行上述任意一种所述的方法。

应用本申请的技术方案，通过构建主动脉根部模型和人工瓣膜模型；获取初始化参数；至少采用主动脉根部模型、人工瓣膜模型和初始化参数，模拟人工瓣膜置换过程，得到模拟结果，模拟结果包括形态学参数；基于模拟结果进行血流动力学分析，得到血流动力学参数，血流动力学参数至少包括瓣周漏流量；根据形态学参数和血流动力学参数优化初始化参数，来减少计算量，从而降低计算成本，进而解决了现有技术中采用有限元模拟经导管主动脉瓣膜置换术计算成本较高的问题，能够实现手术过程的实时模拟，为术前或术中规划提供快速的模拟预测结果。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本申请实施例的模拟经导管主动脉瓣膜置换的方法的流程图；

图2示出了根据本申请实施例的模拟经导管主动脉瓣膜置换的装置的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，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的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。

正如背景技术所述现有技术中采用有限元模拟经导管主动脉瓣膜置换术存在计算成本高(因为需要求解大量PDE偏微分方程，对于超弹性材料与记忆金属的材料模拟涉及到非线性材料的求解)，导致无法快速给出预测结果的缺点的问题，为了解决现有技术中采用有限元模拟经导管主动脉瓣膜置换术计算成本较高的问题，本申请的实施例提供了一种模拟经导管主动脉瓣膜置换的方法、装置、计算机可读存储介质及处理器。

根据本申请的实施例，提供了一种模拟经导管主动脉瓣膜置换的方法。

图1是根据本申请实施例的模拟经导管主动脉瓣膜置换的方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤S101，构建主动脉根部模型和人工瓣膜模型；

步骤S102，获取初始化参数，上述初始化参数包括至少以下之一：人工瓣膜的尺寸大小、瓣膜支架的膨胀程度、人工瓣膜的初始位置；

步骤S103，至少采用上述主动脉根部模型、上述人工瓣膜模型和上述初始化参数，模拟人工瓣膜置换过程，得到模拟结果，上述模拟结果包括形态学参数，上述形态学参数包括至少以下之一：病变区域位移、原生瓣膜位移、血管壁应力；

步骤S104，基于上述模拟结果进行血流动力学分析，得到血流动力学参数，上述血流动力学参数至少包括瓣周漏流量；

步骤S105，根据上述形态学参数和上述血流动力学参数优化上述初始化参数。

上述步骤，通过先构建主动脉根部模型和人工瓣膜模型，再获取初始化参数，之后至少采用上述主动脉根部模型、上述人工瓣膜模型和上述初始化参数，模拟人工瓣膜置换过程，得到模拟结果，进而基于上述模拟结果进行血流动力学分析，得到血流动力学参数，最后根据上述形态学参数和上述血流动力学参数优化上述初始化参数，即通过减少计算量，从而降低计算成本，进而解决了现有技术中采用有限元模拟经导管主动脉瓣膜置换术计算成本较高的问题，能够实现手术过程的实时模拟，为术前或术中规划提供快速的模拟预测结果。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

在本申请的一种实施例中，构建主动脉根部模型包括：获取主动脉根部的图像数据，上述图像数据包括三维图像和主动脉瓣的病变图；根据上述图像数据构建上述主动脉根部模型，即通过包含三维图像和主动脉瓣的病变图的主动脉根部的图像数据，来成功构建精确的主动脉根部模型。

在本申请的一种实施例中，至少采用上述主动脉根部模型、上述人工瓣膜模型和上述初始化参数，模拟人工瓣膜置换过程，得到模拟结果包括：从上述三维图像中提取出主动脉根部的中心线；控制人工瓣膜沿上述中心线在上述主动脉根部模型中移动至上述人工瓣膜的初始位置；控制上述人工瓣膜逐渐膨胀，且获取上述人工瓣膜处于完全膨开状态时的上述形态学参数，通过先提取出主动脉根部的中心线，再控制人工瓣膜沿上述中心线在上述主动脉根部模型中移动至上述人工瓣膜的初始位置，最后控制上述人工瓣膜逐渐膨胀，且获取上述人工瓣膜处于完全膨开状态时的上述形态学参数，以实现对人工瓣膜置换过程的精准模拟。

在本申请的一种实施例中，从上述三维图像中提取出主动脉根部的中心线包括采用骨架法从上述三维图像中提取出上述主动脉根部的中心线，保证提取出上述主动脉根部的中心线准确度，从而为后续得出模拟结构的精确度做好保障。当然，本领域技术人员可以选用除骨架法以外的方法提取中心线，例如采用水平集分割算法。

在本申请的一种实施例中，获取上述人工瓣膜处于完全膨开状态时的上述形态学参数包括：对上述主动脉根部模型进行网格化处理，得到第一计算网格模型；对上述人工瓣膜模型进行网格化处理，得到第二计算网格模型；采用弹簧质点算法，应用上述初始化参数、上述第一计算网格模型和上述第二计算网格模型，计算得到上述形态学参数，通过采用弹簧质点算法，应用上述初始化参数、上述第一计算网格模型和上述第二计算网格模型，计算得到上述形态学参数，得以确保上述形态学参数的准确度。

在本申请的一种实施例中，上述主动脉根部模型为三维几何模型，对上述主动脉根部模型进行网格化处理，得到第一计算网格模型包括：对上述三维几何模型进行阈值分割，得到上述主动脉根部的边界；基于上述主动脉根部的边界提取上述三维几何模型的体素单元；将上述体素单元转换为三维计算网格，多个上述三维计算网格构成上述第一计算网格模型，通过基于上述主动脉根部的边界提取上述三维几何模型的体素单元；将上述体素单元转换为三维计算网格，多个上述三维计算网格构成上述第一计算网格模型，保证第一计算网格模型的准确度，便于后续计算过程。

在本申请的一种实施例中，根据上述形态学参数和上述血流动力学参数优化上述初始化参数包括：根据上述原生瓣膜位移确定是否遮挡冠脉口；根据上述瓣周漏流量确定是否发生瓣周漏；将上述是否遮挡冠脉口和上述是否发生瓣周漏作为评价指标，经过迭代运算不断优化上述初始化参数，实现了手术过程的实时模拟的目的，从而使后续为术前或术中规划提供快速的模拟预测结果。当然，也可以将人工瓣膜植入深度稳定性作为评价指标，人工瓣膜植入深度稳定性可以表征人工瓣膜否有滑落的风险，当然，本领域技术人员可以根据实际情况选择其他评价指标。

本申请实施例还提供了一种模拟经导管主动脉瓣膜置换的装置，需要说明的是，本申请实施例的模拟经导管主动脉瓣膜置换的装置可以用于执行本申请实施例所提供的用于模拟经导管主动脉瓣膜置换的方法。以下对本申请实施例提供的模拟经导管主动脉瓣膜置换的装置进行介绍。

图2是根据本申请实施例的模拟经导管主动脉瓣膜置换的装置的示意图。如图2所示，该装置包括：构建单元10、获取单元20、模拟单元30、分析单元40和优化单元50，构建单元10用于构建主动脉根部模型和人工瓣膜模型；获取单元20用于获取初始化参数，上述初始化参数包括至少以下之一：人工瓣膜的尺寸大小、瓣膜支架的膨胀程度、人工瓣膜的初始位置；模拟单元30用于至少采用上述主动脉根部模型、上述人工瓣膜模型和上述初始化参数，模拟人工瓣膜置换过程，得到模拟结果，上述模拟结果包括形态学参数，上述形态学参数包括至少以下之一：病变区域位移、原生瓣膜位移、血管壁应力；分析单元40用于基于上述模拟结果进行血流动力学分析，得到血流动力学参数，上述血流动力学参数至少包括瓣周漏流量；优化单元50，用于根据上述形态学参数和上述血流动力学参数优化上述初始化参数。

上述装置，构建单元构建主动脉根部模型和人工瓣膜模型，获取单元获取初始化参数，之后模拟单元至少采用上述主动脉根部模型、上述人工瓣膜模型和上述初始化参数，模拟人工瓣膜置换过程，得到模拟结果，分析单元基于上述模拟结果进行血流动力学分析，得到血流动力学参数，优化单元根据上述形态学参数和上述血流动力学参数优化上述初始化参数，即通过减少计算量，从而降低计算成本，进而解决了现有技术中采用有限元模拟经导管主动脉瓣膜置换术计算成本较高的问题，能够实现手术过程的实时模拟，为术前或术中规划提供快速的模拟预测结果。

在本申请的一种实施例中，构建单元包括第一获取模块和构建模块，第一获取模块用于获取主动脉根部的图像数据，上述图像数据包括三维图像和主动脉瓣的病变图；构建模块用于根据上述图像数据构建上述主动脉根部模型，即通过包含三维图像和主动脉瓣的病变图的主动脉根部的图像数据，来成功构建出上述主动脉根部模型，便于观察。

在本申请的一种实施例中，模拟单元包括第一处理模块、第二处理模块和第二获取模块，第一处理模块用于从上述三维图像中提取出主动脉根部的中心线；第二处理模块用于控制人工瓣膜沿上述中心线在上述主动脉根部模型中移动至上述人工瓣膜的初始位置；第二获取模块用于控制上述人工瓣膜逐渐膨胀，且获取上述人工瓣膜处于完全膨开状态时的上述形态学参数，通过先提取出主动脉根部的中心线，再控制人工瓣膜沿上述中心线在上述主动脉根部模型中移动至上述人工瓣膜的初始位置，最后控制上述人工瓣膜逐渐膨胀，且获取上述人工瓣膜处于完全膨开状态时的上述形态学参数，以实现对人工瓣膜置换过程的精准模拟。

在本申请的一种实施例中，第一处理模块包括第一处理子模块模块，第一处理子模块用于采用骨架法从上述三维图像中提取出上述主动脉根部的中心线，保证提取出上述主动脉根部的中心线准确度，从而为后续得出模拟结构的精确度做好保障。当然，本领域技术人员可以选用除骨架法以外的方法提取中心线，例如采用水平集分割算法。

在本申请的一种实施例中，第二获取模块包括第二处理子模块、第三处理子模块和计算子模块，第二处理子模块用于对上述主动脉根部模型进行网格化处理，得到第一计算网格模型；第三处理子模块用于对上述人工瓣膜模型进行网格化处理，得到第二计算网格模型；计算子模块用于采用弹簧质点算法，应用上述初始化参数、上述第一计算网格模型和上述第二计算网格模型，计算得到上述形态学参数，通过采用弹簧质点算法，应用上述初始化参数、上述第一计算网格模型和上述第二计算网格模型，计算得到上述形态学参数，得以确保上述形态学参数的准确度。

在本申请的一种实施例中，第二处理子模块包括第四处理子模块、第五处理子模块和构建子模块，第四处理子模块用于对上述三维几何模型进行阈值分割，得到上述主动脉根部的边界；第五处理子模块用于基于上述主动脉根部的边界提取上述三维几何模型的体素单元；构建子模块用于将上述体素单元转换为三维计算网格，多个上述三维计算网格构成上述第一计算网格模型，通过基于上述主动脉根部的边界提取上述三维几何模型的体素单元；将上述体素单元转换为三维计算网格，多个上述三维计算网格构成上述第一计算网格模型，保证第一计算网格模型的准确度，便于后续计算过程。

在本申请的一种实施例中，优化单元包括第一确定模块、第二确定模块和优化模块，第一确定模块用于根据上述原生瓣膜位移确定是否遮挡冠脉口；第二确定模块用于根据上述瓣周漏流量确定是否发生瓣周漏；优化模块用于将上述是否遮挡冠脉口和上述是否发生瓣周漏作为评价指标，经过迭代运算不断优化上述初始化参数，实现了手术过程的实时模拟的目的，从而使后续为术前或术中规划提供快速的模拟预测结果。当然，也可以将人工瓣膜植入深度稳定性作为评价指标，人工瓣膜植入深度稳定性可以表征人工瓣膜否有滑落的风险，当然，本领域技术人员可以根据实际情况选择其他评价指标。

所述模拟经导管主动脉瓣膜置换的装置包括处理器和存储器，上述构建单元、获取单元、模拟单元、分析单元和优化单元等均作为程序单元存储在存储器中，由处理器执行存储在存储器中的上述程序单元来实现相应的功能。

处理器中包含内核，由内核去存储器中调取相应的程序单元。内核可以设置一个或以上，通过调整内核参数来解决现有技术中采用有限元模拟经导管主动脉瓣膜置换术计算成本较高的问题。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)，存储器包括至少一个存储芯片。

本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行所述模拟经导管主动脉瓣膜置换的方法。

本发明实施例提供了一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行所述模拟经导管主动脉瓣膜置换的方法。

本发明实施例提供了一种设备，设备包括处理器、存储器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，处理器执行程序时实现至少以下步骤：构建主动脉根部模型和人工瓣膜模型；获取初始化参数，所述初始化参数包括至少以下之一：人工瓣膜的尺寸大小、瓣膜支架的膨胀程度、人工瓣膜的初始位置；至少采用所述主动脉根部模型、所述人工瓣膜模型和所述初始化参数，模拟人工瓣膜置换过程，得到模拟结果，所述模拟结果包括形态学参数，所述形态学参数包括至少以下之一：病变区域位移、原生瓣膜位移、血管壁应力；基于所述模拟结果进行血流动力学分析，得到血流动力学参数，所述血流动力学参数至少包括瓣周漏流量；根据所述形态学参数和所述血流动力学参数优化所述初始化参数。本文中的设备可以是服务器、PC、PAD、手机等。

本申请还提供了一种计算机程序产品，当在数据处理设备上执行时，适于执行初始化有至少如下方法步骤的程序：构建主动脉根部模型和人工瓣膜模型；获取初始化参数，所述初始化参数包括至少以下之一：人工瓣膜的尺寸大小、瓣膜支架的膨胀程度、人工瓣膜的初始位置；至少采用所述主动脉根部模型、所述人工瓣膜模型和所述初始化参数，模拟人工瓣膜置换过程，得到模拟结果，所述模拟结果包括形态学参数，所述形态学参数包括至少以下之一：病变区域位移、原生瓣膜位移、血管壁应力；基于所述模拟结果进行血流动力学分析，得到血流动力学参数，所述血流动力学参数至少包括瓣周漏流量；根据所述形态学参数和所述血流动力学参数优化所述初始化参数。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

实施例

本实施例涉及一种模拟经导管主动脉瓣膜置换的计算方案，该方案包括如下步骤：

步骤1：通过医疗设备(如CT,MRI,超声等)获得主动脉根部(含主动脉瓣膜)的图像数据(包括三维图像和主动脉瓣的病变图)；

步骤2：使用图像处理方法(如图像分割，图像识别等)从步骤1获得的主动脉瓣病变影像图中识别出主动脉瓣中的病变区域(如斑块、钙化等)；

步骤3：根据步骤1获得的三维图像(0-1二值图)，二值图像是指将图像上的每一个像素只有两种可能的取值或灰度等级状态，主动脉根部所占区域为1其他区域为0，采取适当的阈值(如0.4-0.5)识别出主动脉根部的边界，并利用该边界从三维图中提取出组成主动脉根部(包括主动脉瓣)的体素单元；

步骤4：根据步骤3获得的主动脉根部(包括主动脉瓣)体素单元，将体素单元转换为三维计算网格(根据体素各方向的间距，对每个体素点生成一个六面体，并按照计算所需特定数据结构转换成计算网格)；

步骤5：通过扫描的方式获得人工瓣膜的模型并且建立计算网格，即对所述主动脉根部模型进行网格化处理，得到第一计算网格模型，对所述人工瓣膜模型进行网格化处理，得到第二计算网格模型；

步骤6：根据步骤1获得的三维图像，通过图像处理方法(如骨架法)提取出主动脉根部的中心线；

步骤7：选定系统的初始参数(如人工瓣膜的尺寸大小：s，瓣膜支架的膨胀程度:r，瓣膜位置:p，原生瓣膜材料系数：k等)，将参数作为输入；

步骤8：根据步骤7获得的初始参数、第一计算网格模型和所述第二计算网格模型，使用弹簧质点方法模拟人工瓣膜沿6获得的中心线运动到主动脉根部，然后逐渐膨开，并与原生瓣膜和主动脉血管壁相互接触的力学过程，获得人工瓣膜支架完全膨开后各部分(包括主动脉血管壁、原生瓣膜(包括病变区域)、人工瓣膜支架)的形态。弹簧质点方法的模拟计算过程为：先确定弹簧的参数；

边弹簧的弹性系数k_e：

角弹簧的弹性系数k_a：

其中，1≤n_e≤4，1≤n_a≤2是边和角周围的网格数；E_i是杨氏模量，G_i是剪切模量，υ是泊松比；A₀是静态下六面体网格面的面积；

计算力的公式为：

其中，F_ai是角度比那花带来的力，θ是两个相连边的角度，θ₀是两个相连边的初始角度，L₁是其中的一条边，L₂是另外一条边，L_i是L₁或L₂；

其中，L是2质点之间的距离，L₀是2质点之间的初始距离，F_e是质点之间的弹簧力；碰撞力F_col12的公式为：

其中，k_c是碰撞力的弹簧弹性，参数S₁和S₂代表2个碰撞的面；

碰撞判定的条件||d₁₂||为：

||d₁₂||＜d_max,d₁₂·n₂＞0,d₁₂·n₁＜0,n₁·n₂＜0；

其中，d_max是碰撞开始检测的最大距离，2物体之间的距离小于d_max判定发生碰撞；

其中d₁₂＝x₂-x₁，n₁与n₂分别为x₁与x₂(x₁是面S₁上的一个点，x₂是S₂面上离x₁最近的点)的表面垂直向量，判定碰的距离是2mm。以下公式用来计算系统内物体中计算网格里点的新的位置：

x(t+Δt)＝x(t)+v_TΔt；

F_tot＝F_col+F_e+F_ai；

其中，x(t+Δt)是系统内物体中计算网格里点的新的位置，x(t)是系统内物体中计算网格里点选取的位置，t是选取上述x(t)的对应的时间，Δt是变化的时间，v_T是受到F_tot情况下最大的速度，

是系统内物体中计算网格里点的新的速度，v_T是受到F_tot情况下最大的速度，v(t)系统内物体中计算网格里点的速度，c是阻尼系数，m是质量；F_tot是总的力，F_col是碰撞力；

步骤9：从步骤8获得的计算结果提取形态学参数(如病变区域的位移d1，原生瓣膜位移d2，以及血管壁应力f)；

步骤10：将步骤8获得的模拟结果(包括模拟膨开后的人工瓣膜，以及被撑开的原生瓣膜静止的形态)作为输入进行血流动力学的计算(主动脉远端作为进口，主动脉根部与左心房连接处为出口。通过FVM，输入为前面提到的模型以及患者特异性的进口血流流速血压进行血流模拟并且根据结果判断是否出现瓣周漏的情况，并从计算结果中提取血流动力学参数(如瓣周漏的流量q等)，其中FVM(Finite Volume Method)是有限体积法，将计算域划分成若干规则或不规则形状的单元或控制体，是计算出通过每个控制边界沿法向输入(出)的流量和动量通量后，对每个控制体分别进行流量和动量平衡计算，便于得到计算时段末各控制体平均压力和流速；

步骤11：根据9获得的形态学参数以及10获得的血流动力学参数(瓣周漏的流量q)，定义指标index＝w1·d1+w2·d2+w3·f+w4·q w1、w2、w3和w4指的是每一项参数的权重，也就是体现重要程度的参数可以是w1＝0.2、w2＝0.3、w3＝0.3和w4＝0.2；

步骤12：根据11获得的指标评价手术模拟结果，并确定下一次系统参数的优化方案，调整系统输入参数重复步骤8-11直至获得最优的模拟结果，最后根据最终优化出的系统参数指定实际的手术方案。

上述步骤，通过减少计算量，从而降低计算成本，进而解决了现有技术中采用有限元模拟经导管主动脉瓣膜置换术计算成本较高的问题，能够实现手术过程的实时模拟，在短时间内实现手术过程的多次迭代计算，为术前或术中规划提供快速的模拟预测结果。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

1)、本申请的模拟经导管主动脉瓣膜置换的方法，通过先构建主动脉根部模型和人工瓣膜模型，再获取初始化参数，之后至少采用所述主动脉根部模型、所述人工瓣膜模型和所述初始化参数，模拟人工瓣膜置换过程，得到模拟结果，进而基于所述模拟结果进行血流动力学分析，得到血流动力学参数，最后根据所述形态学参数和所述血流动力学参数优化所述初始化参数，即通过减少计算量，从而降低计算成本，进而解决了现有技术中采用有限元模拟经导管主动脉瓣膜置换术计算成本较高的问题，能够实现手术过程的实时模拟，在短时间内实现手术过程的多次迭代计算，为术前或术中规划提供快速的模拟预测结果。

2)、本申请的模拟经导管主动脉瓣膜置换的装置，先通过构建单元构建主动脉根部模型和人工瓣膜模型，获取单元再获取初始化参数，之后模拟单元至少采用上述主动脉根部模型、上述人工瓣膜模型和上述初始化参数，模拟人工瓣膜置换过程，得到模拟结果，进而分析单元基于上述模拟结果进行血流动力学分析，得到血流动力学参数，最后优化单元根据上述形态学参数和上述血流动力学参数优化上述初始化参数，即通过减少计算量，从而降低计算成本，进而解决了现有技术中采用有限元模拟经导管主动脉瓣膜置换术计算成本较高的问题，能够实现手术过程的实时模拟，为术前或术中规划提供快速的模拟预测结果。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟经导管主动脉瓣膜置换的方法，其特征在于，包括：

构建主动脉根部模型和人工瓣膜模型；

获取初始化参数，所述初始化参数包括至少以下之一：人工瓣膜的尺寸大小、瓣膜支架的膨胀程度、人工瓣膜的初始位置；

至少采用所述主动脉根部模型、所述人工瓣膜模型和所述初始化参数，模拟人工瓣膜置换过程，得到模拟结果，所述模拟结果包括形态学参数，所述形态学参数包括至少以下之一：病变区域位移、原生瓣膜位移、血管壁应力；

基于所述模拟结果进行血流动力学分析，得到血流动力学参数，所述血流动力学参数至少包括瓣周漏流量；

根据所述形态学参数和所述血流动力学参数优化所述初始化参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，构建主动脉根部模型，包括：

获取主动脉根部的图像数据，所述图像数据包括三维图像和主动脉瓣的病变图；

根据所述图像数据构建所述主动脉根部模型。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，至少采用所述主动脉根部模型、所述人工瓣膜模型和所述初始化参数，模拟人工瓣膜置换过程，得到模拟结果，包括：

从所述三维图像中提取出主动脉根部的中心线；

控制人工瓣膜沿所述中心线在所述主动脉根部模型中移动至所述人工瓣膜的初始位置；

控制所述人工瓣膜逐渐膨胀，且获取所述人工瓣膜处于完全膨开状态时的所述形态学参数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，从所述三维图像中提取出主动脉根部的中心线，包括：

采用骨架法从所述三维图像中提取出所述主动脉根部的中心线。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，获取所述人工瓣膜处于完全膨开状态时的所述形态学参数，包括：

对所述主动脉根部模型进行网格化处理，得到第一计算网格模型；

对所述人工瓣膜模型进行网格化处理，得到第二计算网格模型；

采用弹簧质点算法，应用所述初始化参数、所述第一计算网格模型和所述第二计算网格模型，计算得到所述形态学参数。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述主动脉根部模型为三维几何模型，对所述主动脉根部模型进行网格化处理，得到第一计算网格模型，包括：

对所述三维几何模型进行阈值分割，得到所述主动脉根部的边界；

基于所述主动脉根部的边界提取所述三维几何模型的体素单元；

将所述体素单元转换为三维计算网格，多个所述三维计算网格构成所述第一计算网格模型。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，根据所述形态学参数和所述血流动力学参数优化所述初始化参数，包括：

根据所述原生瓣膜位移确定是否遮挡冠脉口；

根据所述瓣周漏流量确定是否发生瓣周漏；

将所述是否遮挡冠脉口和所述是否发生瓣周漏作为评价指标，经过迭代运算不断优化所述初始化参数。

8.一种模拟经导管主动脉瓣膜置换的装置，其特征在于，包括：

构建单元，用于构建主动脉根部模型和人工瓣膜模型；

获取单元，用于获取初始化参数，所述初始化参数包括至少以下之一：人工瓣膜的尺寸大小、瓣膜支架的膨胀程度、人工瓣膜的初始位置；

模拟单元，用于至少采用所述主动脉根部模型、所述人工瓣膜模型和所述初始化参数，模拟人工瓣膜置换过程，得到模拟结果，所述模拟结果包括形态学参数，所述形态学参数包括至少以下之一：病变区域位移、原生瓣膜位移、血管壁应力；

分析单元，用于基于所述模拟结果进行血流动力学分析，得到血流动力学参数，所述血流动力学参数至少包括瓣周漏流量；

优化单元，用于根据所述形态学参数和所述血流动力学参数优化所述初始化参数。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行权利要求1至7中任意一项所述的方法。

10.一种处理器，其特征在于，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行权利要求1至7中任意一项所述的方法。

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