[发明专利]用于对心脏进行特定于患者的综合性建模的方法和系统

说明书

本申请要求保护2010年7月21日提交的美国临时申请号61/366,294、2010年9月17日提交的美国临时申请号61/383,942和2010年11月3日提交的美国临时申请号61/409,633的权益，通过参考将其公开内容合并在此。 

技术领域

本发明涉及利用医学图像对心脏进行建模，并且更具体来说，涉及基于4D医学图像数据对心脏进行特定于患者的综合性建模。 

背景技术

在美国，心脏病是男性和女性的主要死亡原因，并且占全世界死亡人数的比例不低于30%。虽然近些年来医学的进步已经在针对复杂心脏病（比如瓣膜病、胸主动脉瘤以及法洛氏四联症）的诊断和治疗方面提供了重要的改进，但是仍然会大量发生过早的发病和死亡（morality）。可以使用各医学成像模态（比如计算机断层摄影（CT）、磁共振（MR）、旋转X射线以及超声）以高时间－空间分辨率采集大量形态和机能图像数据。但是由于数据理解能力的滞后，医师会被迫基于范围受到限制的测量和方法来做出极为重要的判定。这些限制至少部分地是由于缺少对于描述心脏－主动脉解剖学、生理学以及血液动力学的特定于患者的参数的高效且精确的估计以及缺少疾病进展模型而导致的。 

发明内容

本发明提供一种根据4D医学图像数据对心脏进行特定于患者的综合性建模的方法和系统。具体来说，本发明的实施例根据4D医学图像数据提供对于整个心脏解剖学、动力学、血液动力学以及流体结构交互的特定于患者的建模。 

通过根据对于患者的4D医学图像数据估计心脏的生理模型的特定于患者的参数来确定心脏的解剖学和动力学。所述特定于患者的解剖学和动力学被用作对于3D Navier-Stokes求解器的输入，所述3D Navier-Stokes求解器沿着整个心搏周期导出受到局部解剖学约束的实际血液动力学。通过仿真给定时间步处的血流并且基于所述仿真的血流计算心脏结构的形变在所述心搏周期内迭代地确定流体结构交互，从而在下一个时间步处的血流仿真中使用心脏结构的所述形变。表示解剖学、动力学、血液动力学以及流体结构交互的心脏的特定于患者的综合性模型可以被用于对心脏的非侵入式评定和诊断，以及用于虚拟疗法规划和心血管疾病管理。 

在本发明的一个实施例中，根据4D医学成像数据生成心脏的特定于患者的4D解剖模型。随后通过利用水平集框架在一个心搏周期内的多个时间步当中的每一个时间步处求解受到所述特定于患者的4D解剖模型约束的Navier-Stokes方程来仿真心脏中的血流。 

在本发明的另一个实施例中，根据4D医学成像数据生成心脏的特定于患者的4D解剖模型。在当前时间步处在所述特定于患者的4D解剖模型的至少一个心脏组成部分中仿真血流，这是通过利用水平集框架求解受到所述至少一个心脏组成部分在当前时间步处的位置约束的Navier-Stokes方程而实现的。基于当前时间步处的仿真血流在当前时间步处计算所述至少一个心脏组成部分的形变。对于多个时间步重复所述仿真和计算步骤，并且至少部分地基于在前一时间步处计算的所述至少一个心脏组成部分的形变来确定当前时间步处的所述至少一个心脏组成部分的当前位置。 

在本发明的另一个实施例中，根据4D医学成像数据生成心脏的特定于患者的综合性4D模型。对所述特定于患者的综合性4D模型的一部分进行调节，以便仿真诸如疾病或疗法之类的状况。随后重新生成心脏的特定于患者的综合性4D模型以便仿真所述经过调节的部分对于所述特定于患者的综合性4D模型的影响。 

参照下面的详细描述和附图，本发明的这些和其他优点对于本领域普通技术人员将变得显而易见。 

附图说明

图1图解说明根据本发明的一个实施例的一种用于对心脏进行特定于患者的综合性建模的方法； 

图2图解说明根据本发明的一个实施例的对于各个心脏组成部分的心脏模型；

图3图解说明根据本发明的一个实施例的一种用于生成心脏的特定于患者的4D解剖模型的方法；

图4图解说明从多期CT序列估计的示例性的特定于患者的解剖心脏模型；

图5图解说明作为水平集嵌入在矩形域内的特定于患者的解剖心脏模型；

图6图解说明根据本发明的一个实施例的一种基于特定于患者的解剖心脏模型仿真心脏中的血流的方法；

图7图解说明利用图6的方法的示例性血流仿真结果；

图8图解说明根据本发明的一个实施例的一种用于估计主动脉的流体结构交互（FSI）的迭代方法；