CN116864115A - 一种胸主动脉腔内修复术后的疗效评估方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种胸主动脉腔内修复术后的疗效评估方法和系统，属于胸主动脉腔内修复术评估领域。根据患者TEVAR术后的主动脉CTA图像或核磁共振图像数据，重建血流、覆膜支架及主动脉壁面的三维几何模型，对模型中的流体域和固体域划分计算网格；根据患者的临床无创测量数据，确定三维几何模型中主动脉的进、出口边界条件；基于主动脉的进、出口边界条件，对血流、覆膜支架及主动脉壁面三者的流固耦合作用进行仿真，仿真时利用基本库仑力摩擦模型约束覆膜支架与主动脉壁面的接触界面；获取主动脉血流动力学参数，用于定量评估TEVAR术后疗效。本发明显著提升了获取血流动力学参数的精度，实现对TEVAR术后疗效的定量评估。
Description
技术领域
本发明涉及胸主动脉腔内修复术评估领域，尤其涉及一种胸主动脉腔内修复术后的疗效评估方法和系统。
背景技术
主动脉病变严重威胁国民生命健康，传统的外科治疗方式是开胸手术，即通过植入人工血管替代病变的主动脉。然而，开胸手术对人体的创伤较大，术后的并发症多，死亡率高。近年来，微创的胸主动脉腔内修复手术(TEVAR)已逐渐成为治疗主动脉病变的主流方式，植入的覆膜支架有效保护了病变的主动脉。目前，无法对该手术的疗效进行定量评估。
血流动力学参数可用于定量评估手术疗效，辅助医生制定个性化的术后随访方案。目前，临床测量技术受限于时空分辨率，无法获取全部的血流动力学参数。基于计算机断层扫描图像(CTA)的血流数值模拟方法表现出重大的应用潜力。然而，术后的主动脉结构复杂，传统方法仅关注血流区域，无法重建在体覆膜支架的几何模型，几何模型的重建难度高；覆膜支架改变了主动脉壁面运动变形，传统方法采用刚性壁面假设，没有考虑覆膜支架和主动脉壁面的运动和变形，忽略血流、覆膜支架及主动脉壁面三者之间的耦合作用，获取的TEVAR术后的主动脉血流动力学参数分布的准确性较差，缺少对胸主动脉腔内修复术后的疗效评估的研究。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种胸主动脉腔内修复术后的疗效评估方法和系统，基于临床CTA图像(或核磁共振图像)重建血流、覆膜支架及主动脉壁面的三维几何模型，利用无创的测量数据确定个性化边界条件，模拟覆膜支架及主动脉壁面的运动变形，准确获取主动脉血流动力学参数，实现对TEVAR术后疗效的定量评估。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
第一方面，本发明提供一种胸主动脉腔内修复术后的疗效评估方法，包括：
根据患者TEVAR术后的主动脉CTA图像或核磁共振图像数据，重建血流、覆膜支架及主动脉壁面的三维几何模型，对模型中的流体域和固体域划分计算网格；
根据患者的临床无创测量数据，确定三维几何模型中主动脉的进、出口边界条件；
基于主动脉的进、出口边界条件，对血流、覆膜支架及主动脉壁面三者的流固耦合作用进行仿真，仿真时利用基本库仑力摩擦模型约束覆膜支架与主动脉壁面的接触界面；
获取主动脉血流动力学参数，用于定量评估TEVAR术后疗效。
进一步地，所述的重建血流、覆膜支架及主动脉壁面的三维几何模型，包括：
对TEVAR术后的主动脉CTA图像或核磁共振图像进行分割，重建血流区域，保留升主动脉、主动脉弓、弓上三分支及降主动脉，将其转化为血流区域的三维几何模型；裁剪主动脉的进口、出口边界，利用精确曲面优化血流区域的三维几何模型；
基于血流区域几何模型的外表面，参考覆膜支架在体内的位置，得到覆膜支架的内壁面，以抽壳形式将其向外延伸，得到覆膜支架的外壁面，将内、外壁面组合并封闭环形边界，得到覆膜支架的三维几何模型，利用精确曲面优化覆膜支架的三维几何模型；
将血流区域的三维几何模型的外表面与覆膜支架的三维几何模型结合，得到主动脉壁面的内壁面，以抽壳形式将其向外延伸，得到主动脉壁面的外壁面，将内、外壁面组合，并封闭环形的进、出口，得到主动脉壁面的三维几何模型，利用精确曲面优化主动脉壁面的三维几何模型。
进一步地，所述的主动脉的进口为升主动脉进口，主动脉的出口为弓上三分支、降主动脉的出口。
进一步地，对模型中的流体域和固体域划分计算网格时，流体域为血流区域，采用非结构化的四面体网格并绘制多层棱柱边界层；固体域为覆膜支架及主动脉壁面，直接采用非结构化的四面体网格。
进一步地，所述的临床无创测量数据包括身高、体重、心率和血压。
进一步地，所述的根据患者的临床无创测量数据，确定三维几何模型中主动脉的进、出口边界条件，具体为：
以标准的主动脉进口脉动血流曲线为基准曲线，根据患者的体表面积大小对基准曲线的波形进行纵向变换，根据患者的心率对基准曲线的波形进行横向变换，调整血液总流量，得到“准个性化”的进口边界条件；
将三元弹性腔模型作为主动脉的出口边界条件，利用患者的血压变化范围和主动脉各出口的截面面积计算弹性腔模型的参数，得到个性化的出口边界条件。
进一步地，所述的对血流、覆膜支架及主动脉壁面三者的流固耦合作用进行仿真，具体为：
为覆膜支架和主动脉壁面设置不同的材料属性；
在主动脉外壁面加载舒张期压力，模拟周围组织器官对主动脉的约束；
利用基本库仑力摩擦模型约束覆膜支架与主动脉壁面的接触界面；
在主动脉进口截面的几何中心指定三个方向的位移分量，固定主动脉出口的几何中心，允许壁面发生收缩和膨胀；
持续模拟若干个心动周期以消除初始化的影响，记录仿真参数。
进一步地，所述的主动脉血流动力学参数包括单个心动周期内的支架位移力F、米塞斯应力VMS、壁面变形WD、血流能量损失系数ELi，所述的血流能量损失系数ELi为血流能量损失与主动脉入口总能量的比值。
第二方面，本发明还提供一种胸主动脉腔内修复术后的疗效评估系统，用于实现上述方法。
本发明具备的有益效果是：
(1)本发明基于临床CTA图像或核磁共振图像，通过无创的常规测量数据(身高、体重、血压等)确定“准个性化”边界条件，利用流固耦合方法，准确获取血流动力学参数在心动周期内的完整分布，并在体外模拟脉动血流与主动脉壁面的相互作用，同时通过指定升主动脉进口几何中心的运动，固定主动脉出口的几何中心，允许壁面发生收缩和膨胀，综合考虑心脏搏动对主动脉的运动牵引，能够准确预测覆膜支架和主动脉壁面的运动和变形。
(2)本发明针对胸主动脉腔，首次引入血流动力学参数定量评估TEVAR术后疗效，此外，在壁面剪切力相关系数的基础上，引入了血流能量损失等新指标，能够综合评估TEVAR术后疗效，辅助医生制定个性化的随访方案。
附图说明
图1是本发明的胸主动脉腔内修复术后的疗效评估方法的流程示意图；
图2是TEVAR术后主动脉血流模拟的边界条件和流固耦合示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明主要针对TEVAR术后的疗效评估问题，提出了一种基于临床CTA图像的血液流动数值模拟方法。该方法重建了血流区域、覆膜支架及主动脉壁面的三维几何模型，采用了“准个性化”的边界条件，考虑了脉动血流、覆膜支架及主动脉壁面三者之间的耦合运动，真实地描绘了主动脉术后的生理状态，准确获取了全部的血流动力学参数，可用于手术疗效的定量评估。
如图1所示，本发明的一种胸主动脉腔内修复术后的疗效评估方法，主要包括以下步骤：
S1、获取TEVAR术后的主动脉CTA图像或核磁共振图像数据，重建血流、覆膜支架及主动脉壁面的三维几何模型；
S2、为所述三维几何模型中的血流区域、覆膜支架区域及主动脉壁面区域划分计算网格；
S3、基于临床无创测量数据确定主动脉“准个性化”的进、出口边界条件；
S4、对血流、覆膜支架及主动脉壁面三者的流固耦合作用进行仿真；
S5、获取TEVAR术后的主动脉血流动力学参数，用于定量评估疗效。
在本发明的一项具体实施中，以CTA图像为例，重建血流、覆膜支架及主动脉壁面的三维几何模型，具体如下：
血流区域：获取TEVAR术后的主动脉CTA图像数据，将其转化为DICOM格式，导入Mimics软件进行图像分割，通过动态生长方法重建血流区域，保留升主动脉、主动脉弓、弓上三分支及降主动脉，将其转化为三维几何模型，光顺后导出为stl格式文件。将stl文件导入Geomagic软件，通过裁剪得到主动脉的进、出口边界，利用精确曲面优化血流区域几何模型，导出为sat格式。
覆膜支架：基于血流区域几何模型的外表面，参考覆膜支架在体内的位置，在Geomagic中通过裁剪得到覆膜支架的内壁面，利用抽壳功能将其向外延伸，得到覆膜支架的外壁面，将内、外壁面组合并封闭环形边界，得到覆膜支架的三维几何模型，通过精确曲面处理后导出为sat格式。
主动脉壁面：将血流区域几何模型的外表面与覆膜支架结合，得到主动脉壁面的内壁面，利用Geomagic的抽壳功能将其向外延伸，得到主动脉壁面的外壁面，将内、外壁面组合，并封闭环形的进、出口，得到主动脉壁面的三维几何模型，通过精确曲面处理后导出为sat格式。
在本发明的一项具体实施中，为所述三维几何模型中的血流区域、覆膜支架区域及主动脉壁面区域划分计算网格，具体如下：
将血流区域、覆膜支架及主动脉壁面的三维几何模型导入ANSYS ICEM中划分网格。对于血流区域，主体采用非结构化的四面体网格，为了准确获取壁面附近的血流动力学参数，需要绘制8层棱柱边界层，网格数量约为500万；覆膜支架及主动脉壁面的运动变形对网格的敏感性较小，因此，为提升计算效率，直接采用非结构化的四面体网格，覆膜支架和主动脉壁面的数量分别约为4万和10万。
在本发明的一项具体实施中，基于临床无创测量数据确定主动脉“准个性化”的进、出口边界条件，具体如下：
选取标准的主动脉进口脉动血流曲线，结合临床常规的无创测量数据，如患者的身高、体重、血压、心率等，根据患者的体表面积大小、心率对该曲线的波形进行变换，通过调整血液总流量得到“准个性化”的进口边界条件；具体的，由患者的身高、体重得到体表面积大小，基于体表面积大小对该曲线的波形进行纵向变换，并基于心率对该曲线的波形进行横向变换。
本实施例中，将三元弹性腔模型作为主动脉的出口边界条件，利用患者的血压变化范围和主动脉各出口的截面面积计算弹性腔模型的参数(近端流阻R1、远端流阻R2和顺应性C)，获取“准个性化”的出口边界条件。
在本发明的一项具体实施中，以任意拉格朗日-欧拉方法(ALE)为例，对血流、覆膜支架及主动脉壁面三者的流固耦合作用进行仿真，具体如下：
基于ANSYS Workbench平台，将CFX与Transient Structure耦合，利用任意拉格朗日-欧拉方法(ALE)模拟脉动血流、覆膜支架及主动脉壁面的流固耦合运动。如图2所示，定义升主动脉的进口为主动脉进口，弓上三分支和降主动脉的出口为主动脉出口。仿真时，为主动脉壁面(2MPa)和覆膜支架(8MPa)设置不同的材料属性，在主动脉壁面外侧加载舒张期压力模拟周围组织器官对主动脉的约束，一般约为80mmHg，同时利用基本库仑力摩擦模型约束覆膜支架与主动脉壁面的接触界面：
τlim＝μP
式中，τlim是限制摩擦应力，μ是摩擦系数，取值为0.3，P是接触压力。
考虑到心脏搏动对主动脉的牵引作用，在主动脉进口截面的几何中心指定三个方向的位移分量(X＝3mm，Y＝-3mm，Z＝-4.5mm)，固定主动脉出口的几何中心，允许壁面发生收缩和膨胀。持续计算3个心动周期以消除初始化的影响。本领域技术人员还可以采用其他流固耦合方法，例如浸没边界法，实现上述仿真。
在本发明的一项具体实施中，获取TEVAR术后的主动脉血流动力学参数，用于定量评估疗效，具体如下：
将最后一个心动周期的计算结果导入Ensight，获取支架位移力(F)、米塞斯应力(VMS)、壁面变形(WD)、血流能量损失系数(ELi)等血流动力学参数，根据血流动力学参数的分布，用于定量评估TEVAR手术疗效，辅助医生制定个性化的随访方案。
具体而言，首先，利用支架位移力(F)大小评估支架在体内发生移动的风险，可通过建立支架位移力与风险大小之间的映射关系实现评估；其次，借助米塞斯应力(VMS)和壁面变形(WD)预测支架两端壁面二次破裂的风险(VMS>0.8*VMSmax，WD>0.8*WDmax)，当满足上述条件时，认为存在二次破裂的风险；最后，通过能量损失系数ELi判断主动脉对心脏的负荷，能量损失系数越高，对心脏的负荷越大，可通过建立能量损失系数与主动脉对心脏的负荷之间的映射关系实现评估。
其中，支架位移力(F)是血流压力和剪切力在支架表面的积分，计算公式为：
式中，SG代表支架，P是壁面压力，WSS是壁面剪切力。
米塞斯应力(VMS)的计算公式为：
式中，σ1、σ2和σ3分别是第一、第二和第三主应力。
血流能量损失系数(ELi)是能量损失(EL)与主动脉入口总能量的比值，能量损失是主动脉入口与出口能量的差值，其计算公式为：
式中，TP是总压，Q是体积流量。
基于同一发明构思，与前述的一种胸主动脉腔内修复术后的疗效评估方法的实施例相对应，本申请还提供了一种胸主动脉腔内修复术后的疗效评估系统的实施例。
在一项示意性实施例中，该疗效评估系统包括：
模型构建模块，其用于根据患者TEVAR术后的主动脉CTA图像或核磁共振图像数据，重建血流、覆膜支架及主动脉壁面的三维几何模型，对模型中的流体域和固体域划分计算网格；
参数设置模块，其用于根据患者的临床无创测量数据，确定三维几何模型中主动脉的进、出口边界条件；
仿真模块，其用于基于主动脉的进、出口边界条件，对血流、覆膜支架及主动脉壁面三者的流固耦合作用进行仿真，仿真时利用基本库仑力摩擦模型约束覆膜支架与主动脉壁面的接触界面；
评估模块，其用于获取主动脉血流动力学参数，定量评估TEVAR术后疗效。
具体的，所述的模型构建模块包括：
血流区域构建模块，其用于对TEVAR术后的主动脉CTA图像或核磁共振图像进行分割，重建血流区域，保留升主动脉、主动脉弓、弓上三分支及降主动脉，将其转化为血流区域的三维几何模型；裁剪主动脉的进口、出口边界，利用精确曲面优化血流区域的三维几何模型；
覆膜支架构建模块，其用于基于血流区域几何模型的外表面，参考覆膜支架在体内的位置，得到覆膜支架的内壁面，以抽壳形式将其向外延伸，得到覆膜支架的外壁面，将内、外壁面组合并封闭环形边界，得到覆膜支架的三维几何模型，利用精确曲面优化覆膜支架的三维几何模型；
主动脉壁面构建模块，其用于将血流区域的三维几何模型的外表面与覆膜支架的三维几何模型结合，得到主动脉壁面的内壁面，以抽壳形式将其向外延伸，得到主动脉壁面的外壁面，将内、外壁面组合，并封闭环形的进、出口，得到主动脉壁面的三维几何模型，利用精确曲面优化主动脉壁面的三维几何模型。
对于系统实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可，其余模块的实现方法此处不再赘述。以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中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模块来实现本发明方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
本发明的系统的实施例可以应用在任意具备数据处理能力的设备上，该任意具备数据处理能力的设备可以为诸如计算机等设备或装置。系统实施例可以通过软件实现，也可以通过硬件或者软硬件结合的方式实现。以软件实现为例，作为一个逻辑意义上的系统，是通过其所在任意具备数据处理能力的设备的处理器将非易失性存储器中对应的计算机程序指令读取到内存中运行形成的。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种胸主动脉腔内修复术后的疗效评估方法，其特征在于，包括：
根据患者TEVAR术后的主动脉CTA图像或核磁共振图像数据，重建血流、覆膜支架及主动脉壁面的三维几何模型，对模型中的流体域和固体域划分计算网格；
根据患者的临床无创测量数据，确定三维几何模型中主动脉的进、出口边界条件；
基于主动脉的进、出口边界条件，对血流、覆膜支架及主动脉壁面三者的流固耦合作用进行仿真，仿真时利用基本库仑力摩擦模型约束覆膜支架与主动脉壁面的接触界面；
获取主动脉血流动力学参数，用于定量评估TEVAR术后疗效。
2.根据权利要求1所述的一种胸主动脉腔内修复术后的疗效评估方法，其特征在于，所述的重建血流、覆膜支架及主动脉壁面的三维几何模型，包括：
对TEVAR术后的主动脉CTA图像或核磁共振图像进行分割，重建血流区域，保留升主动脉、主动脉弓、弓上三分支及降主动脉，将其转化为血流区域的三维几何模型；裁剪主动脉的进口、出口边界，利用精确曲面优化血流区域的三维几何模型；
基于血流区域几何模型的外表面，参考覆膜支架在体内的位置，得到覆膜支架的内壁面，以抽壳形式将其向外延伸，得到覆膜支架的外壁面，将内、外壁面组合并封闭环形边界，得到覆膜支架的三维几何模型，利用精确曲面优化覆膜支架的三维几何模型；
将血流区域的三维几何模型的外表面与覆膜支架的三维几何模型结合，得到主动脉壁面的内壁面，以抽壳形式将其向外延伸，得到主动脉壁面的外壁面，将内、外壁面组合，并封闭环形的进、出口，得到主动脉壁面的三维几何模型，利用精确曲面优化主动脉壁面的三维几何模型。
3.根据权利要求2所述的一种胸主动脉腔内修复术后的疗效评估方法，其特征在于，所述的主动脉的进口为升主动脉进口，主动脉的出口为弓上三分支、降主动脉的出口。
4.根据权利要求1所述的一种胸主动脉腔内修复术后的疗效评估方法，其特征在于，对模型中的流体域和固体域划分计算网格时，流体域为血流区域，采用非结构化的四面体网格并绘制多层棱柱边界层；固体域为覆膜支架及主动脉壁面，直接采用非结构化的四面体网格。
5.根据权利要求1所述的一种胸主动脉腔内修复术后的疗效评估方法，其特征在于，所述的临床无创测量数据包括身高、体重、心率和血压。
6.根据权利要求1或4所述的一种胸主动脉腔内修复术后的疗效评估方法，其特征在于，所述的根据患者的临床无创测量数据，确定三维几何模型中主动脉的进、出口边界条件，具体为：
以标准的主动脉进口脉动血流曲线为基准曲线，根据患者的体表面积大小对基准曲线的波形进行纵向变换，根据患者的心率对基准曲线的波形进行横向变换，调整血液总流量，得到“准个性化”的进口边界条件；
将三元弹性腔模型作为主动脉的出口边界条件，利用患者的血压变化范围和主动脉各出口的截面面积计算弹性腔模型的参数，得到个性化的出口边界条件。
7.根据权利要求1所述的一种胸主动脉腔内修复术后的疗效评估方法，其特征在于，所述的对血流、覆膜支架及主动脉壁面三者的流固耦合作用进行仿真，具体为：
为覆膜支架和主动脉壁面设置不同的材料属性；
在主动脉外壁面加载舒张期压力，模拟周围组织器官对主动脉的约束；
利用基本库仑力摩擦模型约束覆膜支架与主动脉壁面的接触界面；
在主动脉进口截面的几何中心指定三个方向的位移分量，固定主动脉出口的几何中心，允许壁面发生收缩和膨胀；
持续模拟若干个心动周期以消除初始化的影响，记录仿真参数。
8.根据权利要求1所述的一种胸主动脉腔内修复术后的疗效评估方法，其特征在于，所述的主动脉血流动力学参数包括单个心动周期内的支架位移力F、米塞斯应力VMS、壁面变形WD、血流能量损失系数ELi，所述的血流能量损失系数ELi为血流能量损失与主动脉入口总能量的比值。
9.一种胸主动脉腔内修复术后的疗效评估系统，其特征在于，包括：
模型构建模块，其用于根据患者TEVAR术后的主动脉CTA图像或核磁共振图像数据，重建血流、覆膜支架及主动脉壁面的三维几何模型，对模型中的流体域和固体域划分计算网格；
参数设置模块，其用于根据患者的临床无创测量数据，确定三维几何模型中主动脉的进、出口边界条件；
仿真模块，其用于基于主动脉的进、出口边界条件，对血流、覆膜支架及主动脉壁面三者的流固耦合作用进行仿真，仿真时利用基本库仑力摩擦模型约束覆膜支架与主动脉壁面的接触界面；
评估模块，其用于获取主动脉血流动力学参数，用于定量评估TEVAR术后疗效。
10.根据权利要求9所述的一种胸主动脉腔内修复术后的疗效评估系统，其特征在于，所述的模型构建模块包括：
血流区域构建模块，其用于对TEVAR术后的主动脉CTA图像或核磁共振图像进行分割，重建血流区域，保留升主动脉、主动脉弓、弓上三分支及降主动脉，将其转化为血流区域的三维几何模型；裁剪主动脉的进口、出口边界，利用精确曲面优化血流区域的三维几何模型；
覆膜支架构建模块，其用于基于血流区域几何模型的外表面，参考覆膜支架在体内的位置，得到覆膜支架的内壁面，以抽壳形式将其向外延伸，得到覆膜支架的外壁面，将内、外壁面组合并封闭环形边界，得到覆膜支架的三维几何模型，利用精确曲面优化覆膜支架的三维几何模型；
主动脉壁面构建模块，其用于将血流区域的三维几何模型的外表面与覆膜支架的三维几何模型结合，得到主动脉壁面的内壁面，以抽壳形式将其向外延伸，得到主动脉壁面的外壁面，将内、外壁面组合，并封闭环形的进、出口，得到主动脉壁面的三维几何模型，利用精确曲面优化主动脉壁面的三维几何模型。
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|---|---|---|---|---|
| CN117476237A (zh) * | 2023-10-17 | 2024-01-30 | 中国人民解放军总医院第二医学中心 | 一种用于老年人手术的模拟评估系统及方法 |
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| CN117476237A (zh) * | 2023-10-17 | 2024-01-30 | 中国人民解放军总医院第二医学中心 | 一种用于老年人手术的模拟评估系统及方法 |
| CN117476237B (zh) * | 2023-10-17 | 2024-05-17 | 中国人民解放军总医院第二医学中心 | 一种用于老年人手术的模拟评估系统及方法 |
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