[发明专利]一种基于脑血流动力学的自动化脑动脉瘤破裂风险分析系统

说明书

本发明属医学图像处理及应用领域，涉及医学影像后续处理分析技术，具体涉及一种基于脑血流动力学的自动化脑动脉瘤破裂风险分析系统，尤其是一种三维血流动力学自动化计算流程，其计算程序包括模型预处理模块、示踪颗粒模块、径迹统计模块、骨架提取模块、网格化分模块以及流体求解模块；其主程序基于python语言，复杂功能模块基于C++封装为动态库供主程序调用。所述流程只需使用者提供血管stl模型，并指定模型中血流的进出口面和相应的边界条件，即可自动执行输出血流场量结果。本发明通过与临床医生尽可能少的交互可完成血流仿真计算，判断动脉瘤破裂风险分别为，极高危，高危，中危，低危组，方便用物理仿真技术辅助手术方案，有助于临床应用。

技术领域

本发明属医学图像处理及应用领域，涉及医学影像后续处理分析技术，具体涉及一种基于脑血流动力学的自动化脑动脉瘤破裂风险分析系统，尤其是一种三维血流动力学自动化计算流程，其计算程序包括模型预处理模块、示踪颗粒模块、径迹统计模块、骨架提取模块、网格化分模块以及流体求解模块设计可自动执行输出血流场量结果的程序。可完成血流仿真计算，判断动脉瘤破裂风险，方便用物理仿真技术辅助手术方案，有助于临床应用。

背景技术

研究报道，颅内动脉瘤发生的确切原因尚不十分清楚，有研究表明血流动力学(hemodynamics)、遗传学以及血管生物力学等多种因素均在颅内动脉瘤的发生中起重要作用。目前研究通常认为，血流动力学因素在动脉瘤的发生、发展以及破裂过程中起重要作用，从而使得调整动脉瘤的血流动力学成为颅内动脉瘤治疗的目标之一。

现有技术的血流动力学实验研究可以分为两类：动物在体实验研究和体外模型实验研究。研究实践显示，在体实验能够得到最为真实的数据，但体内实验存在周期较长，实验结果受个体差异影响大，长时间的控制和监测血流动力学参数极为困难等局限性；体外模型试验在某种程度上弥补了某些局限比如用彩色多普勒检测技术和磁共振血管成像技术等，但体外实验尚存在比如模型实验与实际流动条件很难做到近似，且从模型实验中所提取到的流动参数极其常规和有限等局限；因此，血流动力学仿真显得很有必要，其可在一定程度地弥补实验本身的不足。

CFD是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象所做的系统分析，其基本思想是将原来在时间域和空间域上联系的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。CFD可以看做是流动基本方程控制下对流动的数值模拟，通过这种数值模拟得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量(如速度、压力、温度、浓度等)的分布，以及这些物理量随时间的变化情况。目前利用CFD软件仿真血流动力学主要分为以下流程：首先是利用医学图像处理软件例如Mimics，将由临床采集的DICOM格式图像转化，重建患者血管三维几何(STL格式)保存；然后把三维血管几何导入计算流体网格划分软件如ANSYS—ICEM生成数值模拟用计算网格；然后针对模型入口和出口需要设置边界条件，如：血压、血液流速、流量等；设置血液和血管壁的属性参数，如：密度、粘度、弹性等；最后开始计算到收敛后提取可视化参数；数值模拟研究的可靠性取决于上述步骤是否完全正确进行，欲获得可靠的数值模拟研究结果，研究者必须对每一步骤严格质量控制，争取每一步所得参数和患者实际情况一样。

临床实践中，对于曾破裂过的形态简单的颅内动脉瘤，可直接选择相应的手术治疗，但对于某些曾破裂过的复杂动脉瘤(包括多发动脉瘤、畸形动脉瘤)，仿真分析对于临床诊疗可提供很大帮助，有助于医生更深入认识动脉瘤的血液动力学特征，帮助判断动脉瘤壁的最大受力位置和可能破裂的位置，医生参考其计算结果，结合附近血管的解剖结构，可选择合适的手术方式(介入栓塞、开颅动脉瘤夹闭)；如：如果数值模拟预测出囊状动脉瘤瘤底Von Mises应力明显增大，选择介入栓塞可能增加弹簧栓刺破动脉瘤壁导致颅内出血的风险，该种病例最好选择开颅夹闭术；当然，通过数值模拟研究结果选择何种手术方式为最佳以往研究尚未形成定论，需要进一步开展大量颅内动脉瘤的数值模拟研究，以及数值模拟研究的结果与手术方式选择和预后的关系的研究。