[发明专利]颅内动脉瘤虚拟支架模拟方法

权利要求书

1.颅内动脉瘤虚拟支架模拟方法，采用颅内动脉瘤虚拟支架模拟系统，所述的颅内动脉瘤虚拟支架模拟系统包括以下模块：

(1)术前动脉瘤血管模型和虚拟支架初始化模型获取模块；用于动脉瘤血管模型重建与模型平滑、中心线自动提取、虚拟支架模型初始化；

(2)虚拟支架算法执行模块，用于虚拟支架模型和术前动脉瘤血管模型的simplex网格转换、虚拟支架展开、血管壁接触检测、力平衡判定；

(3)手术方案评估模块，用于使用形态学参数和血流动力学功能参数评估术前医生所制定手术方案的有效性；

其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

(1)构建术前动脉瘤血管模型和虚拟支架初始化模型获取模块；用于术前动脉瘤血管模型重建与模型平滑、中心线自动提取、虚拟支架模型初始化；

步骤(1)具体包括以下步骤：

(1.1)从医院获得术前血管断层影像数据，使用mimics软件通过半阈值自动分割重建的方法重建出术前动脉瘤血管模型并以STL格式导出；

(1.2)导出的动脉瘤血管模型是术前动脉瘤血管模型，在matlab中使用压缩算法对动脉瘤血管模型进行压缩处理，消除在中心线提取时，膨大动脉瘤的影响；

(1.3)使用Geomagic Studio重构术前动脉瘤血管模型网格，旨在减少网格数量，提高颅内动脉瘤虚拟支架算法的执行效率；

(1.4)计算中心线上每一个点的切线方向，以中心线的点为圆心做与切向方向垂直的圆，设定每一个圆的初始半径为0.1mm，构建虚拟支架初始化模型网格；

(2)构建虚拟支架算法执行模块，用于虚拟支架模型和术前动脉瘤血管模型的simplex网格转换、虚拟支架展开、血管壁接触检测、力平衡判定；

步骤(2)具体包括以下步骤：

(2.1)获得术前动脉瘤血管模型和虚拟支架初始化模型之后，计算包括动脉瘤血管模型和虚拟支架初始化模型上的空间点位置和相邻关系，以及三角形网格的相邻关系；

(2.2)在matlab中将术前动脉瘤血管模型和虚拟支架初始化模型的三角形网格形式转换为simplex网格；

(2.3)转换为simplex网格后，使用运动定律描述网格点在力作用下的运动；具体细节为，每个曲面上的顶点都被当成了一个物理质点，每个物理质点的运动都遵循牛顿运动定律；此时，支架点受到支架自身的扩张力，将其称为内力，和血管壁对其的阻力，将其称为外力，在内力和外力的共同作用下，物理质点在空间上的演化方程被表示为式(1)：

其中m是物理质点的质量，Pi是支架点，γ是阻尼系数，F_int是t时刻节点所受到的内力，F_ext是t时刻节点所受到的外力；以上公式为连续性方程，为了服务于实际实现，将以上方程离散化处理得公式(2)：

P_i^t＝P_i^t+(1-γ)(P_i^t-P_i^t-1)+αF_int(P_i^t)+βF_ext(P_i^t) (2)

其中式中的α、β分别是节点所受内外力的权重因子，为了更真实模拟支架自身的扩张力和血管壁的阻力，权重因子的获得分别是通过支架的拉伸实验和颅内血管组织的拉伸实验获得；支架的展开分为两个阶段，第一个阶段是未碰壁阶段，支架点只在内力的作用下向外扩展，因为患有动脉瘤的血管存在局部膨大，需要使用AABB包围盒算法进行碰撞检测，避免支架点进入到瘤体内，避免与实际不符的情况发生；在进行贴壁检测时，需要判断每一个支架点的当前点和上一迭代结束之后的点之间的距离，当距离小于阈值10^-2时，此时认为支架和血管壁发生了接触，这一过程被称作贴壁检测；当支架点发生贴壁后，支架点的扩张进入第二个阶段，也即开启支架和血管壁的接触过程，支架点不仅会在内力的作用下向外扩展，还会受到血管壁的阻力作用，当支架点受到的支架扩张力和血管壁的阻力数值相等时，认为支架点达到了平衡位置，此时该物理质点停止迭代，也即是该物理质点的运动达到了平衡，这一过程被称作平衡检测；当所有的支架点都达到平衡位置时，获得支架的最终置入情况；

(3)构建手术方案评估模块，使用形态学参数和血流动力学功能参数评估术前方案的有效性；

步骤(3)中，所述的形态学参数是测量使用虚拟支架手术后动脉瘤血管模型的直径，关注瘤体处的直径变化，以及观察在经过虚拟支架算法之后支架最终置入长度，以评估其是否能良好的封堵动脉瘤口；

所述的血流动力学功能参数包括瘤体内的血流量，血流速度以及壁面切应力，和粒子滞留时间。

2.根据权利要求1所述的颅内动脉瘤虚拟支架模拟系统的模拟方法，其特征在于，步骤(3)中，使用血流动力学功能参数模拟，包括以下步骤：

首先是先获得虚拟支架算法执行后的虚拟支架模型，也即是使用术前的动脉瘤血管模型和虚拟支架术后模型，动脉瘤血管模型重建使用mimics通过半阈值自动分割重建算法实现，虚拟支架模型由虚拟支架算法执行模块生成，将重建出的动脉瘤血管模型和虚拟支架模型导出为STL；使用Geomagic Studio平滑术前动脉瘤血管模型和虚拟支架模型，以及切割模型出入口；

使用ICEM对动脉瘤血管模型和虚拟支架模型进行网格划分，壁面附近采用三棱柱边界层，在其他区域使用四边形网格，目的是为了对复杂的边界层实现精细化计算；

使用有限体积求解器CFD-ACE+ESI Group求解流场状态；在求解之前需要设定求解域中的边界属性、流体属性以及血液流动状态，设置血管壁为无滑移刚性壁面；设置血液为不可压缩流体，即血液密度为常数1044kg/m³，设置血液粘度为0.00365kg m^-1s^-1；因为颅内动脉血管直径较小，所以，其中的血液流动视为层流流动；给定入口脉动速度边界条件，给定出口常值压强条件，此处设为0Pa；条件设定完成后，使用求解器求解感兴趣的物理量，将一个心动周期0.8s离散成55个点，进行5个心动周期的求解，取最后一个周期的结果进行观察，保证结果的准确性和解的稳定性；

计算误差的公式如式(3)所示，V_先验代表测量先验知识获得的数值，先验知识的获取是依靠临床上对应支架品牌，相似病人生理病理特征的真实术后数据确定，V_虚拟代表测量虚拟支架模型获得参数值：

如果手术方案评估不满足设置的误差标准，则需要重新改变现有手术方案，重新选择新的支架参数进行虚拟支架测试，直至满足设置的误差标准。