CN115758945B - 数值模型构建方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种数值模型构建方法、装置、电子设备及存储介质，涉及计算机数值模拟领域。该方法包括：获取目标血管的三维模型，三维模型用于示出目标血管的轮廓；获取目标血管的血流信息，血流信息包括实际血流方向和实际血流速度；基于三维模型及血流信息，构建目标血管的血流动力学的数值模型。通过本申请中的方案，构建的数值模型可以反映目标血管实际血流方向，使得该方法不仅适用于一般人群，也适用于存在反向血流的人群。

Description

数值模型构建方法、装置、电子设备及存储介质

技术领域

本申请涉及计算机数值模拟领域，具体涉及一种数值模型构建方法、装置、电子设备及存储介质。

背景技术

近年来，随着计算流体力学原理的广泛应用，医学检查与计算流体力学相结合的方法已被用于医学领域方面的仿真模拟。对于血流仿真模拟，现有技术是将血管造影技术与计算流体力学相结合进行的。通过该方法可获得血流仿真模拟对象的血流动力学信息，以用于血流动力学分析，辅助诊断。

然而，在临床中，患者体内的部分血管可能存在反向血流，如盗血综合征、下肢静脉曲张等。当存在反向血流的情况时，仿真模拟对象的实际血流动力学信息会与同等情况下血流方向正常的情况时不同。但是，现有的血流仿真模拟无法准确判断血流方向，不适用于临床中可能存在反向血流的疾病及相关血管的血流仿真模拟。

发明内容

为了解决上述技术问题，提出了本申请。本申请实施例提供了一种数值模型构建方法、装置、电子设备及存储介质，以解决现有的血流仿真模拟无法准确判断血流方向，不适用于临床中可能存在反向血流的疾病及相关血管的血流仿真模拟的问题。

第一方面，提供一种数值模型构建方法，包括：获取目标血管的三维模型，三维模型用于示出目标血管的轮廓；获取目标血管的血流信息，血流信息包括实际血流方向和实际血流速度；基于三维模型及血流信息，构建目标血管的血流动力学的数值模型。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，基于三维模型及血流信息，获取目标血管的血流动力学的数值模型，包括：对三维模型进行第一处理，第一处理包括网格划分和边界条件设置，边界条件设置包括基于实际血流速度，对血流方向正常的情况和存在反向血流的情况进行边界条件设置，血流方向正常的情况包括血流方向与没有血管类疾病的正常人群在生理状态下的血流方向一致，反向血流的情况包括与血流方向正常的血流方向相反的血流；对经过第一处理之后的三维模型进行第二处理，得到数值模型，第二处理包括计算流体力学条件设置和数值模拟计算。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，计算流体力学条件设置包括：关于血管壁和血液的属性、血液流动计算、压力修正和动量方程顺序求解的设置。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，数值模拟计算的条件包括：以纳维-斯托克斯方程和连续性方程为控制方程。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，在基于三维模型及血流信息，获取目标血管的血流动力学的数值模型之后，该方法还包括：响应于血流动力学信息获取指令，基于数值模型确定与血流动力学信息获取指令匹配的血流动力学信息，其中，血流动力学信息包括速度流线图、压力云图、壁面剪切力云图、质量流率和流占比数据中的至少一种。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，在获取目标血管的三维模型，三维模型用于示出目标血管的轮廓之后，该方法还包括：

响应于形态学信息获取指令，基于三维模型获取与形态学信息获取指令匹配的形态学信息，形态学信息包括目标血管的血管直径、血管中心线角度、血管长度、血管弯曲度和轮廓图像中的至少一种。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，实际血流速度包括平均血流速度，平均血流速度值基于收缩期峰血流速度及舒张期末血流速度计算得出。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，获取目标血管的三维模型包括：获取目标血管的二维图像序列；基于二维图像序列，构建目标血管的三维模型。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，血流信息是通过对目标血管进行彩色多普勒超声数据采集获得的。

第二方面，提供一种数值模型构建装置，包括：第一获取模块，用于获取目标血管的三维模型，三维模型用于示出目标血管的轮廓；第二获取模块，用于获取目标血管的血流信息，血流信息包括实际血流方向和实际血流速度；模型构建模块，用于基于三维模型及血流信息，构建目标血管的血流动力学的数值模型。

第三方面，提供一种电子设备，包括：处理器；以及存储器，用于存储处理器的可执行指令；其中，处理器配置为经由执行可执行指令来执行上述第一方面的方法。

第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面的方法。

本申请实施例提供的数值模型构建方法，通过获取目标血管的三维模型，三维模型用于示出目标血管的轮廓和血流信息，血流信息包括实际血流方向和实际血流速度，并基于三维模型和血流信息构建目标血管的血流动力学的数值模型。即，本申请的数值模型构建方法，不仅结合了目标血管的三维模型和计算流体力学，还结合了其血流信息，将血流信息也附加到了数值模型构建中，从而在准确判断血流方向的基础上构建目标血管的血流动力学的数值模型。通过该方法构建的数值模型可以获得与目标血管实际血流方向相匹配的血流动力学信息，使得该方法不仅适用于一般人群，也适用于存在反向血流的人群。

附图说明

通过结合附图对本申请实施例进行更详细的描述，本申请的上述以及其他目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本申请实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请实施例一起用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。

图1所示为本申请实施例中一种数值模型构建方法的系统架构示意图。

图2所示为本申请实施例中一种数值模型构建方法的流程示意图。

图3所示为本申请一示例性实施例提供的基于三维模型及血流信息构建目标血管的血流动力学的数值模型的流程示意图。

图4所示为本申请一示例性实施例提供的经过裁剪和平滑处理后的血管段的三维模型图。

图5所示为本申请实施例中另一种数值模型构建方法的流程示意图。

图6A至图6C所示分别为本申请一示例性实施例提供的眼动脉存在反向血流时的流体速度流线图、壁面剪切力云图和压力云图。

图7A至图7C所示分别为本申请一示例性实施例提供的眼动脉血流方向正常时的流体速度流线图、壁面剪切力云图和压力云图。

图8所示为本申请实施例中另一种数值模型构建方法的流程示意图。

图9所示为本申请实施例中另一种数值模型构建方法的流程示意图。

图10所示为本申请一示例性实施例提供的获取目标血管的三维模型的流程示意图。

图11所示为本申请一示例性实施例提供的颈内动脉、眼动脉及部分颅内动脉的部分二维图像序列及部分三维模型示意图。

图12所示为本申请一示例性实施例提供的数值模型构建装置的结构示意图。

图13所示为本申请另一示例性实施例提供的数值模型构建装置的结构示意图。

图14所示为本申请一实施例提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本申请将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本申请的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

随着计算流体力学原理的广泛应用，医学检查与计算流体力学相结合的方法已被用于医学领域方面的仿真模拟。对于血流仿真模拟，现有技术是将血管造影技术与计算流体力学相结合进行的。例如，基于非创伤性血管成像技术(Computed TomographyAngiography, CTA)的三维血管重建和计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)相结合构建血流仿真模型。通过该方法获得的血流储备分数、壁面剪切力等信息可提示血管狭窄的血流动力学改变，所得模型符合真实体内条件下的血管状态。

然而，在临床中，患者体内的部分血管可能存在反向血流。例如，在颈内动脉狭窄的患者中，部分侧支循环不发达的患者眼动脉会出现反向血流，这会造成球后血流减少，导致眼缺血综合征。除眼缺血综合征外,其他盗血综合征及下肢静脉曲张患者体内的部分血管也存在反向血流。当存在反向血流的情况时，仿真模拟对象的实际血流动力学信息如壁面剪切力会与同等情况下血流方向正常的情况时不同。但是，现有的基于血管造影技术的计算流体力学方法无法准确判断血流方向，所以无法根据血流方向的不同情况进行仿真模拟，因而不适用于临床可能存在反向血流的疾病及相关血管的血流仿真模拟中。

有鉴于此，本申请实施例提供了一种数值模拟构建方法、装置、电子设备及存储介质。该数值模型构建装置可以集成在电子设备中，该电子设备可以是终端或者服务器等设备。

可以理解的是，本实施例的数值模型构建方法可以是在终端上执行的，也可以是在服务器上执行，还可以由终端和服务器共同执行的。以上举例不应理解为对本申请的限制。

图1示出了可以应用于本申请实施例的数值模型构建方法或数值模型构建装置的示例性系统架构示意图。

如图1所示，该系统架构100包括终端101和服务器102。终端101与服务器102之间通过网络连接，比如，通过有线或无线网络连接等，其中，数值模型构建装置可以集成在服务器中。

服务器102，可以用于获取目标血管的三维模型和血流信息；基于三维模型及血流信息，构建目标血管的血流动力学的数值模型。

服务器102可以是单台服务器，也可以是由多个服务器组成的服务器集群或云服务器。例如，服务器可以为多个异构系统之间的互通服务器或者后台服务器，还可以是独立的物理服务器，也可以是多个物理服务器构成的服务器集群或者分布式系统，还可以是提供云服务、云数据库、云计算、云函数、云存储、网络服务、云通信、中间件服务、域名服务、安全服务、以及大数据和人工智能平台等基础云计算服务的云服务器等等。

终端101可以向服务器102发送三维模型、血流信息或数值模型，或是接收服务器102处理的三维模型、血流信息或数值模型。其中，终端101可以包括手机、智能电视、平板电脑、笔记本电脑、或个人计算机（PC，Personal Computer）等。终端101上还可以设置客户端，该客户端可以是应用程序客户端或者浏览器客户端等等。

本领域技术人员可以知晓，图1中示出的终端和服务器的数量仅仅是示意性的，根据实际需要，可以具有任意数目的终端和服务器，本申请对此不做限制。

下面将结合附图及实施例对本申请的示例性实施方式进行详细说明。

首先，本申请实施例中提供了一种数值模型构建方法，该方法可以由任意具备计算处理能力的电子设备执行。

图2示出本申请实施例中一种数值模型构建方法的流程示意图，如图2所示，本申请实施例中提供的数值模型构建方法包括如下步骤。

步骤21，获取目标血管的三维模型。

三维模型用于示出目标血管的轮廓。

目标血管可为动脉，也可为静脉，本申请实施例对目标血管的数量、长度、直径、类型不作具体限定。

步骤22，获取目标血管的血流信息。

血流信息包括实际血流方向和实际血流速度，用于明确目标血管的实际血流方向和实际血流速度。

获取血流信息时，可根据实际情况或者目的，获取除实际血流方向和实际血流速度外更多的血流信息。

步骤23，基于三维模型及血流信息，构建目标血管的血流动力学的数值模型。

本申请实施例的数值模型构建方法，不仅结合了目标血管的三维模型和计算流体力学，还结合了其血流信息，将血流信息也附加到了数值模型构建中，从而在准确判断血流方向的基础上构建目标血管的血流动力学的数值模型。通过该方法构建的数值模型可以获得与目标血管实际血流方向相匹配的血流动力学信息，使得该方法不仅适用于一般人群，也适用于存在反向血流的人群。

图3所示为本申请一示例性实施例提供的基于三维模型及血流信息，构建目标血管的血流动力学的数值模型的流程示意图。如图3所示，基于三维模型及血流信息，构建目标血管的血流动力学的数值模型，包括如下步骤。

步骤231，对三维模型进行第一处理。第一处理包括网格划分和边界条件设置。

网格划分可自行选择划分方式，本实施例不做具体限定。示例性地，网格划分为四面体-三棱柱混合网格。网格划分可采用具有此功能的软件，本实施例不做具体限定。示例性地，网格划分采用ANSYS ICEM CFD。

边界条件设置包括基于实际血流速度，对血流方向正常的情况和存在反向血流的情况进行边界条件设置。其中，血流方向正常包括血流方向与没有血管类疾病的正常人群在生理状态下的血流方向一致，反向血流包括与血流方向正常的血流方向相反的血流。进行边界条件设置可采用具有此功能的软件，本实施例不做具体限定。示例性地，进行边界条件设置可采用ANSYS ICEM CFD。

示例性地，按如下操作进行边界条件设置：

对于血流方向正常的血管模型截面，若经过该截面的血流方向为流入，则将该截面设置为模型入口，边界条件设置为血流速度入口边界条件，数值为该段的实际血流速度的值；若经过该截面的血流方向为流出，则将该截面设置为模型出口，边界条件设置为压力出口边界条件，进行出口相对压力设置，本实施例对出口相对压力设置的数值不做具体限定。可选地，出口相对压力设置为0 Pa，或者进行实际压力测量，设置为实测压力；对于存在反向血流的血管模型截面，若经过该截面的正常血流方向为流出，而实际血流方向为流入，则将该截面设置为模型入口，边界条件设置为血流速度入口边界条件，数值为该段的实际血流速度的值；若经过该截面的正常血流方向为流入，而实际血流方向为流出，则将该截面设置为模型入口，边界条件设置为血流速度入口边界条件，数值为该段的实际血流速度的值的相反数。

下面，以如图4所示的血管段的三维模型为例，对本申请实施例中的方案进行详细阐释。

图4所示血管段由颈内动脉海绵窦段、床突段、眼段、交通段和眼动脉（图4左上角比较细的部分）组成，其中，眼动脉的最左端截面在血流方向正常的情况下为出口。

在一些实施例中，图4所示的颈内动脉海绵窦段和颈内动脉交通段的边界条件设置为：将颈内动脉海绵窦段截面设置为模型入口，边界条件设置为血流速度入口边界条件，数值为该处实际血流速度的值；将颈内动脉交通段截面设置为模型出口，边界条件设置为压力出口边界条件，出口相对压力设置为0 Pa。

在一些实施例中，图4所示的眼动脉的边界条件设置为：对于眼动脉截面，若实际眼动脉血流为反向，则将该截面设置为模型入口，边界条件设置为血流速度入口边界条件，数值为眼动脉实际血流速度的值；若实际眼动脉血流为正向，则将该截面设置为模型入口，边界条件设置为血流速度入口边界条件，数值为眼动脉实际血流速度的值的相反数。

步骤232，对经过第一处理之后的三维模型进行第二处理，得到数值模型。第二处理包括计算流体力学条件设置和数值模拟计算。

第二处理可在具有对流体进行仿真模拟功能的一个或者多个软件中进行，本实施例不做具体限定。可选地，第二处理全部在ANSYS FLUENT软件中进行。

进一步地，第二处理中的计算流体力学设置包括关于血管壁和血液的属性、血液流动计算、压力修正和动量方程顺序求解的设置。

具体地，血管壁、血液的属性可根据实际情况或目的进行设置，设置的属性的类型、对应的数值，本实施例不做具体限定。示例性地，血管壁属性设置为无滑移的刚性管壁。示例性地，血液属性设置为非定常、层流、不可压缩的牛顿流体，密度设置为1050 kg/m³，粘度设置为0.0035 kg/ms。通过此步骤可将血管壁和血液以最接近真实状态的属性为相关计算机软件识别。

具体地，计算血液流动速度可根据实际情况或目的采用任何算法进行算法设置，本实施例不做具体限定。示例性地，计算血液流动速度的算法设置为SIMPLE算法。

具体地，进行压力修正和动量方程顺序求解可根据实际情况或目的采用任何软件或软件功能，本实施例不做具体限定。示例性地，进行压力修正和动量方程顺序求解的软件功能设置为Pressure Base压力求解器。

通过以上步骤，可进行不仅基于目标血管轮廓，还基于血流信息的第二处理，得到能体现实际血流流动方向的数值模型。

结合步骤232，在一些实施例中，数值模拟计算的条件包括以纳维-斯托克斯方程和连续性方程为控制方程。

具体地，纳维-斯托克斯方程和连续性方程为该领域专业技术人员的公知常识，因此，在这里不进行赘述。以此为控制条件，可以获得更接贴近血液在血管内的实际流动状态的数值模型。

本申请实施例中，可以根据基于目标血管的三维模型和血流信息构建出的反映实际血流方向的血流动力学的数值模型，进一步对数值模型进行处理，使目标血管的血流动力学信息可视化。

图5所示为本申请另一示例性实施例提供的数值模型构建方法的流程示意图。在图2所示实施例的基础上延伸出图5所示实施例。下面将着重叙述图5所示实施例与图2所示实施例的不同之处，相同之处将不再赘述。

如图5所示，获得目标血管的血流动力学的数值模型之后，该方法还包括以下步骤。

步骤24，响应于血流动力学信息获取指令，基于数值模型确定与血流动力学信息获取指令匹配的血流动力学信息。

具体地，血流动力学获取指令包括获取某类型或者多类型的流体动力学信息。响应于血流动力学信息获取指令，通过数据处理软件中的功能模块对模型中与指令相关的数据进行处理，可得到包括速度流线图、压力云图、壁面剪切力云图、质量流率和流占比数据中的至少一种。示例性地，上述数据处理软件采用FLUENT。

例如，结合图4、图6A至图6C和图7A至图7C对本步骤进行示例性说明。以图4所示的血管段为对象，响应于血流动力学信息获取指令，基于数值模型确定与血流动力学信息获取指令匹配的图4所示血管段的血流动力学信息的示例性操作如下。

在一些实施例中，在FLUENT中通过流体分析部分的Results（结果），采用Streamline（流线）功能生成流体的速度流线图，采用Contour（云图）功能创建流体的压力云图和壁面剪切力云图。当图4所示血管段的眼动脉为反向血流时，眼动脉的流体速度流线图、壁面剪切力云图和压力云图如图6A至图6C所示，其中图6A为速度流线图，图6B为壁面剪切力云图，图6C为压力云图；当图4所示血管段的眼动脉的血流方向正常时，眼动脉的流体速度流线图、壁面剪切力云图和压力云图如图7A至图7C所示，其中图7A为速度流线图，图7B为壁面剪切力云图，图7C为压力云图。图6A和图7A中，Velocity Streamline意为速度流线图；图6B和图7B中，Wall Shear意为壁面剪切力云图；图6C和图7C中，Pressure Contour意为压力云图。

在一些实施例中，在FLUENT中通过流体分析部分的Solution（求解），在FluxReports（通量报告）中获取Mass Flow Rate（质量流率）。可选地，可以基于此结果进一步计算得到流占比数据。

通过此步骤，可对数值模型中血流动力学相关的数据进行提取，提取的信息类型可根据实际情况或目的进行选择，并可将提取的数据可视化。由于数值模型基于血流信息构建，通过数值模型获得的血流动力学信息更加全面、准确、符合实际情况。由于血流信息中有血流方向的判断，数值模型获得的血流动力学信息可根据实际血流方向的不同情况得以呈现。获取的血流动力学信息可用于对目标血管进行血流动力学相关的定位测量、分析与评估。血流动力学相关的定位测量指获取目标血管任意位置的血流动力学信息。

示例性地，通过获取眼动脉的血流动力学信息，分析疾病和眼动脉血流动力学改变的关系。例如，发现与健康人相比，眼缺血综合征患者的眼动脉起始处血流速度减慢，壁面剪切力降低，从而进一步探索疾病的发病机制。

本申请实施例中，根据构建数值模型过程中获取的目标血管的三维模型，可被进一步处理，以获取目标血管的形态学信息。

图8所示为本申请另一示例性实施例提供的数值模型构建方法的流程示意图。在图2所示实施例的基础上延伸出图8所示实施例。下面将着重叙述图8所示实施例与图2所示实施例的不同之处，相同之处将不再赘述。

如图8所示，获得目标血管的血流动力学的数值模型之后，该方法还包括以下步骤。

步骤25，响应于形态学信息获取指令，基于三维模型获取与形态学信息获取指令匹配的形态学信息。

形态学信息包括目标血管的血管直径、血管中心线角度、血管长度、血管弯曲度和轮廓图像中的至少一种。具体地，可以通过图像处理软件对目标血管的三维模型进行处理，以获取目标血管的形态学信息。图像处理软件可为具有根据三维模型获取血管形态学信息的功能的任意软件，本实施例对软件及达成同等效果的软件数量不做具体限定。可选地，图像处理软件可采用Mimics和/或Medraw。

通过步骤25可获取目标血管的形态学参数，获取的形态学信息可根据实际情况或目的进行选择。该方法可以直接且准确的获取形态学信息。获取的形态学信息可用于对目标血管进行形态学相关的定位测量、分析和评估。形态学相关的定位测量指获取目标血管任意位置或角度的形态学信息，例如，距离眼动脉起始5mm处的血管直径，又如目标血管某空间角度的轮廓图。示例性地，利用形态学信息分析疾病和眼动脉形态改变的关系。示例性地，利用形态学信息可准确评估目标血管的狭窄程度。具体地，可以通过测量三维模型的血管直径计算得到目标血管的狭窄程度，示例性地，可用狭窄处管径与狭窄以远段的正常管径的比值评估血管的狭窄程度。

通过图8所示的示例性的数值模型构建方法，可获得目标血管的反映实际血流方向的血流动力学的数值模型及形态学信息。通过此数值模型和形态学信息，可用于获取目标血管更全面、更准确、更符合实际情况的血流动力学信息和形态学信息。

本申请的一些实施例中，根据获得的目标血管的反映实际血流方向的血流动力学的数值模型及形态学信息，对数值模型进行进一步处理，以获得目标血管的可视化的血流动力学信息及形态学信息。

图9所示为本申请另一示例性实施例提供的数值模型构建方法的流程示意图。图9实施例是将图5所示实施例与图8所示实施例结合而成。下面将着重叙步骤图9所示实施例与图5、图8所示实施例的不同之处，相同之处将不在赘述。

图9为步骤21、步骤22、步骤23、步骤24和步骤25结合。通过以上步骤可以获得目标血管的更全面、更准确、更符合实际情况的可视化的血流动力学信息和形态学信息，从而对目标血管进行血流动力学和形态学方面的全面、准确的评估。

结合步骤231，在一些实施例中，在基于实际血流速度进行边界条件设置时，实际血流速度采用平均血流速度（Vm）。

具体地，Vm是一个心动周期血流速度的平均值，综合反映了心动周期内的血流速度。Vm可由缩期峰血流速度（Vs）及舒张期末血流速度（Vd）计算得出。可选地，平均血流速度的计算公式如下：

Vm=（Vs+Vd×2）/3

图10所示为本申请一示例性实施例提供的获取目标血管的三维模型的流程示意图。如图10所示，获取目标血管的三维模型包括以下步骤。

步骤211，获取目标血管的二维图像序列。

具体地，获取目标血管的二维图像序列可为任意达到此目的的方法，本实施例不做具体限定。示例性地，动脉采用CTA进行二维图像序列采集。示例性地，对静脉采用计算机断层扫描静脉造影（Computed Tomography Venography, CTV）进行二维图像序列采集。两者都有无痛、简便等优点，可将其结合应用于体检中，有利于早期监测和识别血管形态学改变，实现高风险患者的筛查，进行及早干预以预防疾病的发生。

示例性地，二维图像序列为两张或两张以上的二维图像。

在一些具体实施例中，获取目标血管的二维图像序列方法包括：采用64排螺旋CT，非离子对比剂选用碘普罗胺，扫描范围为自主动脉弓至颅底水平，扫描参数为像素间距0.625mm，层间距0.8mm，获取的二维图像序列。

步骤212，基于二维图像序列，构建目标血管的三维模型。

具体地，基于二维图像序列，构建目标血管的三维模型包括：

将获取的二维图像序列存储为DICOM格式文件；将二维图像序列导入图像处理软件进行处理，合成三维模型。

具体地，图像处理包括：提取目标血管在二维图像序列中的轮廓数据，合成三维模型。图像处理软件可为具有将二维图像序列合成为三维模型的功能的任意软件，本实施例对软件及达成同等效果的软件数量不做具体限定。可选地，图像处理软件可采用Mimics和/或Medraw。在一些实施例中，图像处理还包括以下一步或多步：采用阈值分割技术或其他能达到相同效果的技术，剔除图像中的骨骼、肌肉组织或其他需要剔除的部分；分离无关的血管及分支、支架和斑块或其他无关的部分。上述步骤无先后顺序。达到这些实施例中图像处理目的或效果的图像处理软件及软件数量，本实施例不做具体限定。可选地，此处的图像处理软件可采用Mimics和/或Medraw。

可选地，获取目标血管的三维模型后，出于更好的观察目标血管中某段血管或其他目的，对三维模型进行裁剪。可选地，出于改进图像质量或其他目的，可对三维模型或裁剪后的三维模型进行平滑处理。对三维模型进行裁剪处理和/或平滑处理的软件可以为任意能达到此目的的软件，本实施例不做具体限定。可选地，裁剪处理或平滑处理采用的软件为Geomagic Studio和/或3-matic。

可选地，上述三维模型保存为STL格式文件。

图11所示为本申请一示例性实施例提供的颈内动脉、眼动脉及部分颅内动脉的部分二维图像序列及部分三维模型示意图。

结合图4和图11，按照以上步骤对获取目标血管的三维模型进行详细阐述。在一些实施例中，基于头颈部CTA图像，构建颈内动脉、眼动脉和颅内动脉的三维模型具体包括如下步骤。

将获取的CTA二维图像序列保存成DICOM格式文件。部分CTA二维图像如图11的左列所示。将CTA图像导入Mimics软件生成轴向视图、冠状面视图和矢状面视图，采用阈值分割技术，剔除图像中的骨骼、肌肉组织等，对无关的血管及分支、支架和斑块等进行手动分离，提取清晰的颈内动脉、眼动脉和颅内动脉的轮廓数据，合成三维模型，如图11右列所示。可选地，对前述三维模型进行平滑处理和裁剪，采用Geomagic Studio软件对模型进行平滑处理和裁剪，将获得的血管模型存储为STL格式文件。可选地，经过裁剪后保留部分眼动脉和颈内动脉海绵窦段、床突段、眼段、交通段。经过平滑处理和裁剪后，部分眼动脉和颈内动脉海绵窦段、床突段、眼段、交通段的三维模型如图4所示。

结合步骤22，在一些实施例中，血流信息是通过对目标血管进行彩色多普勒超声数据采集获得的。

具体地，彩色多普勒超声检查是一种相对简便、无创、经济的获取血流信息的手段。可将其结合应用于体检中，有利于早期监测和识别血管血流动力学改变，实现高风险患者的筛查，进行及早干预以预防疾病的发生。具体地，进行彩色多普勒超声数据采集可以使用颅多普勒超声（TCD）、眼部彩色多普勒超声等彩色多普勒超声手段的一种或多种，本实施例不做具体限定。

进一步地，彩色多普勒超声数据采集可获得的血流信息：实际血流方向、缩期峰血流速度（Vs）、舒张期末血流速度（Vd）、搏动指数、阻力指数等一种或多种。具体而言，搏动指数（PI）的计算公式如下：

PI=（Vs-Vd）/Vm

进一步地，平均血流速度（Vm）可通过彩色多普勒超声数据采集的缩期峰血流速度（Vs）、舒张期末血流速度（Vd）计算得出。前文已有平均血流速度（Vm）相关实施例，在此不作赘述。

在一些实施例中，采用TCD探测的颈部和颅内动脉段包括：颅内的大脑中动脉M1段全长和M2段起始、大脑前动脉A1段、大脑后动脉P1段和P2段起始、颈内动脉末端、颈内动脉虹吸部、眼动脉、椎动脉颅内段和基底动脉全长；颈部的颈总动脉、颈内动脉起始、颈外动脉起始、锁骨下动脉起始、椎动脉起始、椎动脉枕段、枕动脉、滑车上动脉和颞浅动脉等。

结合上述获取血流信息的步骤与步骤212，在一些实施例中，基于CTA、彩色多普勒超声检查和计算流体力学方法，进行数值模型构建。

CTA无法准确测量血流速度和判断血流方向，而彩色多普勒超声检查的定位测量能力有限，且超声无法直接观察血管形态。单一检测方法很有局限性。通过CTA和彩色多普勒超声检查的结合，可对血管构型和血流代偿模式进行分型，能为临床医师制定介入治疗方案、预测手术风险和临床预后判断等提供依据。同时，采用计算流体力学方法，将血流动力学的计算结果附加到三维血管模型的对应位置，能够实现对目标血管的血流动力学和形态学方面的定位测量、分析和评估。

在一些实施例中，基于CTA、TCD和计算流体力学方法，进行数值模型构建。不仅可获得血管轮廓数据和血流动力学信息，还可实现脑血流微栓子监测和脑动脉自动调节功能检测等，有助于脑血管疾病患者明确疾病状态、预测复发风险、判断预后和指导治疗等。

上文结合图2至图11，详细描述了数值模型构建方法实施例，下面结合图12至图13，详细描述本申请的数值模型构建方法的装置实施例。应理解，数值模型构建方法实施例的描述与数值模型构建装置实施例的描述相互对应，因此，未详细描述的部分可以参见前面方法实施例。

图12所示为本申请一示例性实施例提供的数值模型构建装置的结构示意图。如图12所示，本申请实施例提供的数值模型构建装置包括：

第一获取模块1201，用于获取目标血管的三维模型，三维模型用于示出目标血管的轮廓；

第二获取模块1202，用于获取目标血管的血流信息，血流信息包括实际血流方向和实际血流速度；

模型构建模块1203，用于基于三维模型及血流信息，构建目标血管的血流动力学的数值模型。

本申请的一些实施例中，第一获取模块1201，还用于清晰地显示血管形态，获取目标血管的血管直径、血管中心线角度、血管长度、血管弯曲度、轮廓图像中的至少一种。还可用于获得除血管直径、血管中心线角度、血管长度、血管弯曲度、轮廓图像之外的形态学信息。

本申请的一些实施例中，第二获取模块1202，还用于实时显示血流信号的空间信息，例如，血流的频谱图；测量高速血流；定量分析血管系统中的狭窄、返流和分流性病变。

本申请的一些实施例中，第三获取模块1203，还用于基于三维模型、血流信息及其他信息，构建目标血管的血流动力学的数值模型。

本申请的一些实施例中，第三获取模块1203，还用于基于三维模型及除血流信息外的其他信息，构建目标血管的数值模型。

如图13所示，为本申请另一示例性实施例提供的数值模型构建装置的结构示意图。在图12所示实施例的基础上延伸出图13所示实施例，下面着重叙述图13所示实施例与图12所示实施例的不同之处，相同之处不再赘述。

如图13所示，数值模型构建装置还包括信息输出模块1204，用于基于血流动力学信息获取指令，获取除速度流线图、压力云图、壁面剪切力云图、质量流率和流占比数据中的一种或多种血流动力学信息。

本申请的一些实施例中，信息输出模块1204，还用于基于血流动力学信息获取指令，获取除速度流线图、压力云图、壁面剪切力云图、质量流率和流占比数据中之外的血流动力学信息。

需要说明的是，上述实施例提供的数值模型构建装置在用于数值模型构建时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

所属技术领域的技术人员能够理解，本申请的各个方面可以实现为系统、方法或程序产品。因此，本申请的各个方面可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件实施方式、完全的软件实施方式（包括固件、微代码等），或硬件和软件方面结合的实施方式，这里可以统称为“电路”、“模块”或“系统”。

下面参照图14来描述根据本申请的这种实施方式的电子设备1400。图14显示的电子设备1400仅仅是一个示例，不应对本申请实施例的功能和适用范围带来任何限制。

如图14所示，电子设备1400以通用计算设备的形式表现。电子设备1400的组件可以包括但不限于：上述至少一个处理单元1410、上述至少一个存储单元1420、连接不同系统组件（包括存储单元1420和处理单元1410）的总线1430。

其中，存储单元存储有程序代码，程序代码可以被处理单元1410执行，使得处理单元1410执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本申请各种示例性实施方式的步骤。

在一些实施例中，处理单元1410可以执行上述方法实施例的如下步骤：获取目标血管的三维模型，三维模型用于示出目标血管的轮廓；获取目标血管的血流信息，血流信息包括实际血流方向和实际血流速度；基于三维模型及血流信息，构建目标血管的血流动力学的数值模型。

存储单元1420可以包括易失性存储单元形式的可读介质，例如随机存取存储单元（RAM）14201和/或高速缓存存储单元14202，还可以进一步包括只读存储单元（ROM）14203。

存储单元1420还可以包括具有一组（至少一个）程序模块14205的程序/实用工具14204，这样的程序模块14205包括但不限于：操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。

总线1430可以为表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储单元总线或者存储单元控制器、外围总线、图形加速端口、处理单元或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。

电子设备1400也可以与一个或多个外部设备1440（例如键盘、指向设备、蓝牙设备等）通信，还可与一个或者多个使得用户能与该电子设备1400交互的设备通信，和/或与使得该电子设备1400能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备（例如路由器、调制解调器等等）通信。这种通信可以通过输入/输出（I/O）接口1450进行。并且，电子设备1400还可以通过网络适配器1460与一个或者多个网络（例如局域网（LAN），广域网（WAN）和/或公共网络，例如因特网）通信。如图所示，网络适配器1460通过总线1430与电子设备1400的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合电子设备1400使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本申请实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质（可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等）中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备（可以是个人计算机、服务器、终端装置、或者网络设备等）执行根据本申请实施方式的方法。

在本申请的示例性实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。其上存储有能够实现本申请上述方法的程序产品。在一些可能的实施方式中，本申请的各个方面还可以实现为一种程序产品的形式，其包括程序代码，当程序产品在终端设备上运行时，程序代码用于使终端设备执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本申请各种示例性实施方式的步骤。

本申请中的计算机可读存储介质的更具体地例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦式可编程只读存储器（EPROM或闪存）、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器（CD-ROM）、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。

在本申请中，计算机可读存储介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了可读程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。可读信号介质还可以是可读存储介质以外的任何可读介质，该可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。

可选地，计算机可读存储介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、有线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

在具体实施时，可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本申请操作的程序代码，程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网（LAN）或广域网（WAN），连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备（例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接）。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本申请的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。

此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本申请中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。

通过以上实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本申请实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质（可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等）中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备（可以是个人计算机、服务器、移动终端、或者网络设备等）执行根据本申请实施方式的方法。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述申请的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。

还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (11)

1.一种数值模型构建方法，其特征在于，包括：

获取目标血管的三维模型，所述三维模型用于示出所述目标血管的轮廓；

获取所述目标血管的血流信息，所述血流信息包括实际血流方向和实际血流速度；

基于所述三维模型及所述血流信息，构建所述目标血管的、包括血流方向正常的情况和存在反向血流的情况的、血流动力学的数值模型；

其中，所述基于所述三维模型及所述血流信息，构建所述目标血管的、包括血流方向正常的情况和存在反向血流的情况的、血流动力学的数值模型，包括：

对所述三维模型进行第一处理，所述第一处理包括网格划分和边界条件设置，所述边界条件设置包括基于所述实际血流速度，对所述血流方向正常的情况和所述存在反向血流的情况进行所述边界条件设置，其中，对所述存在反向血流的情况进行所述边界条件设置，包括：对于存在所述反向血流的血管模型截面，若经过所述截面的正常血流方向为流出，而所述实际血流方向为流入，则将所述截面设置为模型入口，所述边界条件设置为血流速度入口边界条件，数值为所述截面所在血管段的实际血流速度的值；

对经过所述第一处理之后的所述三维模型进行第二处理，得到所述数值模型，所述第二处理包括计算流体力学条件设置和数值模拟计算。

2.根据权利要求1所述的数值模型构建方法，其特征在于，所述计算流体力学条件设置包括：

关于血管壁和血液的属性、血液流动计算、压力修正和动量方程顺序求解的设置。

3.根据权利要求1所述的数值模型构建方法，其特征在于，所述数值模拟计算的条件包括：

以纳维-斯托克斯方程和连续性方程为控制方程。

4.根据权利要求1所述的数值模型构建方法，其特征在于，在所述基于所述三维模型及所述血流信息，构建所述目标血管的、包括血流方向正常的情况和存在反向血流的情况的、血流动力学的数值模型，还包括：

响应于血流动力学信息获取指令，基于所述数值模型确定与所述血流动力学信息获取指令匹配的血流动力学信息，其中，所述血流动力学信息包括速度流线图、压力云图、壁面剪切力云图、质量流率和流占比数据中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的数值模型构建方法，其特征在于，在获取所述目标血管的所述三维模型之后，还包括：

响应于形态学信息获取指令，基于所述三维模型获取与所述形态学信息获取指令匹配的形态学信息，所述形态学信息包括所述目标血管的血管直径、血管中心线角度、血管长度、血管弯曲度和轮廓图像中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的数值模型构建方法，其特征在于，所述实际血流速度包括平均血流速度，所述平均血流速度基于收缩期峰血流速度及舒张期末血流速度计算得出。

7.根据权利要求1所述的数值模型构建方法，其特征在于，所述获取目标血管的三维模型，包括：

获取所述目标血管的二维图像序列；

基于所述二维图像序列，构建所述目标血管的三维模型。

8.根据权利要求1所述的数值模型构建方法，其特征在于，所述血流信息是通过对所述目标血管进行彩色多普勒超声数据采集获得的。

9.一种数值模型构建装置，其特征在于，包括：

第一获取模块，用于获取目标血管的三维模型，所述三维模型用于示出所述目标血管的轮廓；

第二获取模块，用于获取目标血管的血流信息，所述血流信息包括实际血流方向和实际血流速度；

模型构建模块，用于基于所述三维模型及所述血流信息，构建目标血管的、包括血流方向正常的情况和存在反向血流的情况的、血流动力学的数值模型；

其中，所述基于所述三维模型及所述血流信息，构建所述目标血管的、包括血流方向正常的情况和存在反向血流的情况的、血流动力学的数值模型，包括：

对所述三维模型进行第一处理，所述第一处理包括网格划分和边界条件设置，所述边界条件设置包括基于所述实际血流速度，对所述血流方向正常的情况和所述存在反向血流的情况进行所述边界条件设置，其中，对所述存在反向血流的情况进行所述边界条件设置，包括：对于存在所述反向血流的血管模型截面，若经过所述截面的正常血流方向为流出，而所述实际血流方向为流入，则将所述截面设置为模型入口，所述边界条件设置为血流速度入口边界条件，数值为所述截面所在血管段的实际血流速度的值；

对经过所述第一处理之后的所述三维模型进行第二处理，得到所述数值模型，所述第二处理包括计算流体力学条件设置和数值模拟计算。

10.一种电子设备，其特征在于，包括：

处理器；以及

存储器，用于存储所述处理器的可执行指令；

其中，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行权利要求1至8任一项所述的数值模型构建方法。

11.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8任一项所述的数值模型构建方法。

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