CN115944389A

CN115944389A - 弹簧圈模拟植入的方法和计算机设备

Info

Publication number: CN115944389A
Application number: CN202310240726.1A
Authority: CN
Inventors: 单晔杰; 向建平; 冷晓畅
Original assignee: Arteryflow Technology Co ltd
Current assignee: Arteryflow Technology Co ltd
Priority date: 2023-03-14
Filing date: 2023-03-14
Publication date: 2023-04-11
Anticipated expiration: 2043-03-14
Also published as: CN115944389B

Abstract

本申请涉及一种弹簧圈模拟植入的方法和计算机设备，方法包括：获得具有动脉瘤以及载瘤动脉的血管模型，分离获得动脉瘤瘤腔；获得弹簧圈参数一级螺旋半径和二级螺旋半径；获得一级螺旋中心线的参照点和第一点，第一点位于动脉瘤瘤腔内；获得一级螺旋中心线的第二点：获得参照点指向第一点的第一向量，根据第一向量和预设的初始转动角度获得从第一点指向第二点的第二向量，结合预设长度获得第二点；获得一级螺旋中心线的第三点：按照获得第三点的方式，依次获得一级螺旋中心线上的其余点；利用一级螺旋中心线、一级螺旋半径，评估弹簧圈栓塞术后的血流改变情况。本申请与传统的有限元仿真相比，效率大大提升，且不存在收敛性问题。

Description

弹簧圈模拟植入的方法和计算机设备

技术领域

本申请涉及转化医学领域，特别是涉及一种弹簧圈模拟植入的方法和计算机设备。

背景技术

颅内动脉瘤是指颅内动脉壁的异常膨出，总体患病率大约为3%~5%。尽管大多数颅内动脉瘤终生未发生破裂，然而一旦破裂引发蛛网膜下腔出血，其致死率可达40%。因此，及时地筛查与干预颅内动脉瘤非常重要。

目前针对中小型动脉瘤尤其是破裂动脉瘤的介入治疗方式主要是利用金属弹簧圈对动脉瘤瘤腔进行栓塞，从而减缓血流对瘤壁的冲击，引发瘤腔内血栓形成，最终达到封闭瘤腔的效果。然而，弹簧圈栓塞术的治疗效果受到栓塞密度以及瘤颈处的覆盖率的影响。栓塞密度或瘤颈处的覆盖率过低，则不能有效减缓血流的流入以及瘤内血栓的形成。

为分析术后的血流动力学结果，优化手术方案，研究人员通常使用有限元仿真技术模拟弹簧圈从微导管中输送至瘤腔的过程，得到具有不同栓塞密度和栓塞方式情况下的模拟结果，然后在此基础上使用计算流体力学方法评估不同方案的血流动力学结果，例如血流流线、速度等值面、壁面剪切力、剪切振荡指数等。

但是有限元方法的弊端是需要较长的计算时间，根据模型的复杂程度，在几个小时到几天不等。并且，由于过于复杂的非线性接触，计算结果很有可能无法收敛。

发明内容

鉴于有限元仿真技术在这一领域所面临的问题，本申请旨在提供一种快速的鲁棒性较高的弹簧圈模拟植入的方法，从而帮助医生更加高效地优化手术方案，这对于优化介入手术计划具有非常重要的意义。

本申请弹簧圈模拟植入的方法，包括：

获得具有动脉瘤以及载瘤动脉的血管模型，分离获得动脉瘤瘤腔；

获得弹簧圈参数，弹簧圈包括一级螺旋和二级螺旋，弹簧圈参数包括一级螺旋半径和二级螺旋半径；

获得弹簧圈模拟植入后、形成二级螺旋的一级螺旋中心线，包括：

获得一级螺旋中心线的参照点和第一点，参照点为动脉瘤瘤腔的几何中心，第一点位于动脉瘤瘤腔内；

获得一级螺旋中心线的第二点：获得参照点指向第一点的第一向量，根据所述第一向量和预设的初始转动角度获得从第一点指向第二点的第二向量，结合预设长度获得所述第二点；

获得一级螺旋中心线的第三点：将第一向量和第二向量叉乘后得到第三向量，根据第三向量和所述初始转动角度计算得到旋转矩阵，利用旋转矩阵和第二向量相乘获得初始候选方向，根据初始候选方向获得第三点；

按照获得第三点的方式，依次获得一级螺旋中心线上的其余点；

利用所述一级螺旋中心线、所述一级螺旋半径，评估弹簧圈栓塞术后的血流改变情况。

可选的，所述一级螺旋中心线被划分为若干个线元，各线元的长度为所述预设长度，各线元的端点形成端点集合，端点集合包括所述第一点、所述第二点、所述第三点、以及所述其余点。

可选的，在依次获得一级螺旋中心线上各端点的过程中，

若当前端点位于所述动脉瘤瘤腔外，则在排除后重新获得当前端点；

若所有重新获得的当前端点均位于所述动脉瘤瘤腔外，则重新获得前一端点。

可选的，所述初始转动角度利用下式获得：

，其中，

为所述初始转动角度，

为所述预设长度， R为所述二级螺旋半径。

可选的，所述第一向量和所述第二向量的夹角为所述初始转动角度；

弹簧圈在介入过程中，具有相对远离操作者的远端、以及相对靠近操作者的近端，第一点位于所述远端。

可选的，获得一级螺旋中心线的参照点和第一点，参照点为动脉瘤瘤腔的几何中心，第一点位于动脉瘤瘤腔内，具体包括：

将所述动脉瘤瘤腔的几何中心作为参照点，以所述参照点为球心、根据预设半径获得定位球，在所述定位球的球面上选择获得所述第一点；

所述预设半径根据动脉瘤的等效半径、或介入使用的微导管半径确定。

可选的，根据初始候选方向获得第三点，具体包括：

以初始候选方向为中心，获得候选点集合，在所述候选点集合中选择获得第三点。

可选的，以初始候选方向为中心，获得候选点集合，具体包括：

以初始候选方向为中心，根据预设立体方位角生成以所述预设长度为半径的球顶锥体，所述球顶锥体在球面上的点为候选点集合。

可选的，分离获得动脉瘤瘤腔后，还包括在瘤颈部进行封闭处理，获得所述动脉瘤瘤腔的全封闭表面。

本申请还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现本申请所述的弹簧圈模拟植入方法的步骤。

本申请弹簧圈模拟植入的方法至少具有以下效果：

本申请弹簧圈模拟植入的方法中，参照点用于进行位置参照，第一点、第二点、第三点在一级螺旋中心线上，本申请模拟了临床应用中弹簧圈栓塞的过程，与传统的有限元仿真相比，效率大大提升，且不存在收敛性问题。避免了有限元仿真过程中复杂的前处理过程、较高的计算时间以及较高的不收敛风险，可以大大降低人力和物力成本，提升后续血流动力学在临床中的应用价值。

附图说明

图1为本申请一实施例弹簧圈模拟植入方法的流程示意图；

图2为本申请一实施例弹簧圈模拟植入方法中参照点、第一点和第二点（图中由左至右的实心点）的示意图；

图3为本申请一实施例弹簧圈模拟植入方法中参照点、第一点、第二点和第三点（图中由左至右的实心点）的示意图；

图4为本申请一实施例弹簧圈模拟植入方法中一级螺旋中心线上点的回退的示意图；

图5为本申请一实施例弹簧圈模拟植入方法中弹簧圈栓塞的结果示意图；

图6为一个实施例中计算机设备的内部结构图。

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。

弹簧圈在介入过程中，具有相对远离操作者（如外科医生）的远端、以及相对靠近操作者的近端。传统的有限元仿真技术在模拟弹簧圈栓塞过程中具有耗时长难收敛的缺点，限制了血流动力学在优化手术方案中的应用。

为解决上述技术问题，参见图1～图3，本申请一实施例中提供一种弹簧圈模拟植入的方法，包括以下步骤：

步骤S100，获得具有动脉瘤以及载瘤动脉的血管模型，分离获得动脉瘤瘤腔；

步骤S200，获得弹簧圈参数，弹簧圈包括一级螺旋和二级螺旋，弹簧圈参数包括一级螺旋半径和二级螺旋半径；

步骤S300，获得弹簧圈模拟植入后、形成二级螺旋的一级螺旋中心线，包括：

步骤S310，获得一级螺旋中心线的参照点和第一点，参照点为动脉瘤瘤腔的几何中心，第一点位于动脉瘤瘤腔内；

步骤S320，获得一级螺旋中心线的第二点：获得参照点指向第一点的第一向量，根据第一向量和预设的初始转动角度获得从第一点指向第二点的第二向量，结合预设长度获得第二点；

步骤S330，获得一级螺旋中心线的第三点：将第一向量和第二向量叉乘后得到第三向量，根据第三向量和初始转动角度计算得到旋转矩阵，利用旋转矩阵和第二向量相乘获得初始候选方向，根据初始候选方向获得第三点；

步骤S340，按照获得第三点的方式，依次获得一级螺旋中心线上的其余点；

步骤S400，利用一级螺旋中心线、一级螺旋半径，评估弹簧圈栓塞术后的血流改变情况。

本实施例中，参照点用于进行位置参照，第一点、第二点、第三点在一级螺旋中心线上，第一点位于远端，获得各点位置即获得了一级螺旋中心线。本实施例模拟了临床应用中弹簧圈栓塞的过程，与传统的有限元仿真相比，效率大大提升，且不存在收敛性问题。

通过本实施例得到的弹簧圈模型，能够用于评估弹簧圈栓塞术后的血流改变情况，优化弹簧圈栓塞术的方案从而提升手术效果。由于其模拟快速较快，也能够用于临床中的弹簧圈实时规划。

具体地，步骤S100包括影像读取与表面重构、感兴趣区域提取、分离动脉瘤瘤腔。

影像读取与表面重构包括：读取血管影像，包括但不限于DSA、CTA以及MRA的三维影像序列。利用阈值法、水平集法或是人工智能分割模型（例如3D UNet）对三维影像序列进行分割，然后用行进立方体算法对其进行表面重构，得到血管模型。

感兴趣区域提取包括：对血管模型进行感兴趣区域提取，保留动脉瘤以及载瘤动脉部分的模型，删除其余血管分支。

分离动脉瘤瘤腔可以通过交互手动分离实现，步骤S100还包括分离获得动脉瘤瘤腔后，在瘤颈部进行封闭处理，获得动脉瘤瘤腔的全封闭表面，有助于在完成弹簧圈模拟植入的方法后进行计算流体动力学（CFD）分析。

具体地，在步骤S200中，弹簧圈包括一级螺旋（一级螺旋结构）和二级螺旋（二级螺旋结构）。自然状态下，二级螺旋由一级螺旋卷曲形成。本实施例中将一级螺旋等效为二级螺旋的等效金属丝，那么等效金属丝的中心线即一级螺旋中心线，等效金属丝的半径即一级螺旋半径。对弹簧圈进行模拟植入时，忽略弹簧圈的一级螺旋，简化模拟植入的流程。

对于步骤S300，一级螺旋中心线被划分为若干个线元，各线元的长度为预设长度

，各线元的端点形成端点集合，端点集合包括第一点、第二点、第三点、以及其余点。参照点不属于端点集合，端点集合由远端至近端的次序依次获得，从而使弹簧圈模拟植入的方法贴近真实情况。

具体地，对弹簧圈的一级螺旋中心线进行长度离散，得到 n个长度为

的线元，即 n+1个点。弹簧圈的二级螺旋半径 R等于弹簧圈的初始曲率半径，据此可以得到线元之间的初始转动角度

。

初始转动角度

利用下式获得：

，其中，

为预设长度，例如可以是一级螺旋半径， R为二级螺旋半径，根据临床使用弹簧圈的参数确定。第一向量和第二向量的夹角为初始转动角度，可理解为生成以第一点为顶点、母线为预设长度

的圆锥，第一向量的方向从圆锥的顶点指向底面圆周的圆心，第二向量为由顶点指向底面圆周的母线，第二点为底面圆周上的任意一点，圆锥半角为初始转动角度

。

步骤S310，具体包括：将动脉瘤瘤腔的几何中心作为参照点，以参照点为球心、根据预设半径获得定位球，在定位球的球面上选择获得第一点。其中，预设半径根据动脉瘤的等效半径、或介入使用的微导管半径确定。

第一点也可理解为源点，即介入弹簧圈的远端起始点。以参照点为球心、根据预设半径获得定位球，在定位球的球面上选择获得第一点。具体利用以下公式实现：

其中，

为第一点的坐标；

为球心坐标，为动脉瘤瘤腔的几何中心，例如质心、重心、形心；

为定位球面的预设半径。

可以由动脉瘤尺寸确定，例如动脉瘤等效半径（通过体积或面积计算）的四分之一，也可以由介入使用的微导管半径确定，例如5倍微导管半径。

是球坐标系中的极角，

是方位角，极角和方位角均随机生成。

在步骤S330中，根据第三向量和初始转动角度计算得到旋转矩阵，具体包括，通过第三向量确定旋转轴，通过旋转轴和和初始转动角度计算得到旋转矩阵。

在步骤S330中，根据初始候选方向获得第三点，具体包括：步骤S331，以初始候选方向为中心，获得候选点集合；步骤S332，在候选点集合中选择获得第三点。

步骤S331，以初始候选方向为中心，获得候选点集合，具体包括：以初始候选方向为中心，根据预设立体方位角生成以预设长度

为半径的球顶锥体，球顶锥体在球面上的点为候选点集合。

本步骤中根据初始候选方向生成候选点集合。候选点集合分布于以初始候选方向为中心的立体方位角上。考虑到微导管的弯曲刚度，立体方位角的选择范围为

。

步骤S332，在候选点集合中选择获得第三点，具体包括：在候选点集合中，获得每一个候选点的能量，根据能量选择获得第三点，利用下式进行：

式中，

为总能量，若

大于零，则放弃该候选点，若

等于零，将

最小的值作为第三点。

表示候选点与动脉瘤瘤腔的空间关系引起的能量，如果候选点位于动脉瘤瘤腔内，且与瘤腔的距离大于弹簧圈半径（一级螺旋半径），则能量为零，否则能量大于零（候选点位于动脉瘤瘤腔外或者与瘤壁发生碰撞）；

表示候选点与已确认端点的空间关系引起的能量，如果候选点与已确认端点的距离大于等于两倍的弹簧圈半径，则能量为零，否则能量大于零，取值为

，其中 r为弹簧圈一级螺旋半径， d为候选点与已确认端点的距离；

表示候选点与已确认的前一端点形成的候选方向造成的弹簧圈弯曲变形能量，如果该候选方向是初始候选方向则能量为零，否则计算其与初始候选方向的夹角，能量的大小与夹角成正相关关系：

，式中，A和B为大于零的参数，A可以取1，B可以取1，

为候选方向（前一端点指向候选点的方向）与初始候选方向之间的夹角。

计算完所有候选点的能量以后，先对候选点进行筛选，将

大于零的候选点设置为无效候选点（如图3所示），然后在剩余候选点中选择总能量最低的候选点进行确认，并添加至已确认端点的序列中。如果有多个点符合条件，则随机选取一个点完成确认。

参见图4，对于步骤S300，在依次获得一级螺旋中心线上各端点的过程中，若当前端点位于动脉瘤瘤腔外，则在排除后（即设置为无效候选点）重新获得当前端点；若所有重新获得的当前端点（即候选点集合）均位于动脉瘤瘤腔外，则重新获得前一端点。前一端点即在先获得的、相对靠近远端的端点，后一端点即在后获得的、相对远离远端的端点。有限元得到的弹簧圈结果容易与动脉瘤壁产生侵入，本实施例可以避免这种情况。

具体地，如图4所示，如果候选点集合内的所有候选点

均大于零，则删除该候选点集合，回退至已确认的前一端点所在的候选点集合，并将该已确认的端点设置为无效候选点，然后在其余候选点中选择能量最低的点作为新的已确认的端点。在已确认的端点被设置为无效候选点后，所在候选点集合中的所有候选点均为无效候选点的情况下，则进行进一步的回退，直至获得符合要求的候选点为止。如图所示，已确认点即已确认端点，由前一端点指向无效候选点的方向为无效方向。由前一端点指向确认后的当前端点的方向为已确认方向。

获得的第一点如果不在瘤腔内，则重新生成获得第一点，直至生成的第一点位于瘤腔内。获得的第三点如果不在瘤腔内，则重新生成获得第三点。若第三点的候选点集合均在瘤腔内，则重新生成获得第二点。

步骤S340中，其余点以第四点举例说明，获得第四点的方式按照获得第三点的方式获得。获得第三点的方式利用：参照点、第一点、第二点、第一向量、第二向量和预设长度

完成。获得第四点的方式对应地利用：第一点、第二点、第三点、第二向量、第三向量（第二点指向第三点）、以及预设长度

完成。

具体地，在前一端点确认后（向量方向也随之确认），根据已确认方向计算新的初始候选方向矢量，具体步骤为：利用前两个已确认方向的矢量积确定旋转轴，然后利用旋转轴和初始转动角度计算得到旋转矩阵，并与前一个已确认方向相乘得到初始候选方向。根据初始候选方向获得后一端点。

参见图5，步骤S400具体包括，利用一级螺旋中心线（由各端点组成的线）、一级螺旋半径，获得二级螺旋，将二级螺旋的两端进行封闭处理，导出格式文件后（如stl格式），评估弹簧圈栓塞术后的血流改变情况。

应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图6所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种弹簧圈模拟植入的方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。

在一个实施例中，还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现本申请各实施例的弹簧圈模拟植入方法的步骤，包括：

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink） DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。不同实施例中的技术特征体现在同一附图中时，可视为该附图也同时披露了所涉及的各个实施例的组合例。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.弹簧圈模拟植入的方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的弹簧圈模拟植入的方法，其特征在于，所述一级螺旋中心线被划分为若干个线元，各线元的长度为所述预设长度，各线元的端点形成端点集合，端点集合包括所述第一点、所述第二点、所述第三点、以及所述其余点。

3.根据权利要求2所述的弹簧圈模拟植入的方法，其特征在于，在依次获得一级螺旋中心线上各端点的过程中，

4.根据权利要求2所述的弹簧圈模拟植入的方法，其特征在于，所述初始转动角度利用下式获得：

，其中，

为所述初始转动角度，

为所述预设长度，R为所述二级螺旋半径。

5.根据权利要求1所述的弹簧圈模拟植入的方法，其特征在于，所述第一向量和所述第二向量的夹角为所述初始转动角度；

6.根据权利要求1所述的弹簧圈模拟植入的方法，其特征在于，获得一级螺旋中心线的参照点和第一点，参照点为动脉瘤瘤腔的几何中心，第一点位于动脉瘤瘤腔内，具体包括：

7.根据权利要求1所述的弹簧圈模拟植入的方法，其特征在于，根据初始候选方向获得第三点，具体包括：

8.根据权利要求7所述的弹簧圈模拟植入的方法，其特征在于，以初始候选方向为中心，获得候选点集合，具体包括：

9.根据权利要求1所述的弹簧圈模拟植入的方法，其特征在于，分离获得动脉瘤瘤腔后，还包括在瘤颈部进行封闭处理，获得所述动脉瘤瘤腔的全封闭表面。

10.计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序以实现权利要求1～9任一项所述的弹簧圈模拟植入的方法的步骤。