瘤内扰流装置模拟释放的方法、计算机设备、可读存储介质和程序产品与流程

1.本技术涉及转化医学领域，特别是涉及一种瘤内扰流装置模拟释放的方法、计算机设备、可读存储介质和程序产品。


背景技术：

2.颅内动脉瘤是颅内动脉壁病理性的膨出，常见于脑血管威利斯环的动脉分叉处。动脉瘤影响大概5％的全人类。动脉瘤破裂后果是致命性的，大约有50％不能存活，剩余的50％在预后易出现不同程度的身体功能性障碍。弹簧圈栓塞是目前最重要的治疗颅内动脉瘤的方法。其治疗过程包括释放一系列的弹簧圈到动脉瘤腔内，通过对动脉瘤的栓塞来减少瘤内血流。弹簧圈填充引起后续动脉瘤内的血栓形成，最终对动脉瘤进行栓塞，达到把动脉瘤隔绝于血流循环之外的目的。对于宽颈动脉瘤，通常会在母血管中放置一种疏网支架，来防止弹簧圈从动脉瘤腔内落到母血管内，这种手术方法叫支架辅助的弹簧圈栓塞。最近几年出现了一种叫密网支架的血流导向装置，其原理是通过放置一个密网的支架到母血管中(一般金属网的覆盖率在30-35％)，来减少进入到动脉瘤腔内血流速度和血流量，进而让动脉瘤腔内形成血栓。密网支架针对大动脉瘤和宽颈等复杂动脉瘤特别有效，有时候植入密网支架同时还可以放置少量的弹簧圈。
3.颅内分叉部宽颈动脉瘤的血管内治疗仍是一项挑战，microvention公司出品的woven endobridge(下文简称为web)是一种用于治疗宽颈分叉部动脉瘤的新型瘤内扰流装置，可以直接填塞至动脉瘤体内、有效封闭动脉瘤颈且不影响载瘤动脉。目前，web的安全性和有效性已被多中心研究证实。中期随访结果显示，相较于传统的单纯弹簧圈或支架辅助弹簧圈栓塞，web的疗效可靠且安全性更好，但仍存在一定的复发风险。而现有技术中基于计算流体力学(以下简称为cfd)在web作用动脉瘤前后的血流动力学分析难以实现。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种瘤内扰流装置模拟释放的方法。
5.本技术瘤内扰流装置模拟释放的方法，利用有限元方法模拟所述瘤内扰流装置作用于动脉瘤模型的过程，包括瘤内扰流装置的压握、输送和释放；
6.得到所述瘤内扰流装置作用于动脉瘤模型的三维模型，利用计算流体力学对所述三维模型进行血流动力学分析以获得血液动力学参数。
7.可选的，所述瘤内扰流装置在初始状态下，呈现筒状或伞状的网笼结构；
8.所述瘤内扰流装置的压握通过压握管模型对所述瘤内扰流装置施压完成，具体包括：
9.建立筒状的压握管模型，将所述瘤内扰流装置放置于所述压握管模型内，所述压握管模型至少一部分的径向尺寸大于所述瘤内扰流装置；
10.在压握管模型的表面施加沿径向的第一位移边界条件，利用第一位移边界条件径
向压握所述瘤内扰流装置。
11.可选的，根据第一位移边界条件所限定的压握管模型的空间与所述瘤内扰流装置的匹配程度，将径向压握过程依次分为第一阶段和第二阶段，
12.所述第一阶段的位移加载速度小于或等于所述第二阶段的位移加载速度。
13.可选的，所述瘤内扰流装置在初始状态下，整体形态为中空的网笼结构，所述瘤内扰流装置具有相对的远端和近端，所述瘤内扰流装置的近端相对靠近所述动脉瘤模型的凸起；
14.建立至少一端为筒状的两个压握器模型，将所述瘤内扰流装置的近端和远端的部分区域分别放置于所述压握器模型的筒状区域内；
15.分别在两个压握器模型筒状区域的表面施加沿径向的第二位移边界条件和第三位移边界条件，使所述瘤内扰流装置的两端在径向上进一步被压握。
16.可选的，所述瘤内扰流装置的输送包括：
17.将压握后的瘤内扰流装置输送至所述动脉瘤模型，所述动脉瘤模型根据病患的影像数据重构获得。
18.可选的，所述瘤内扰流装置的释放包括：
19.建立辅助成型设备，所述辅助成型设备用于调节两个压握器的距离；
20.解除所述第一位移边界条件，通过辅助成型设备对所述瘤内扰流装置的远端和近端施加相向的第四位移边界条件，直至所述瘤内扰流装置的近端和远端均发生内凹、所述瘤内扰流装置成型。
21.可选的，所述瘤内扰流装置的释放还包括调节成型后的瘤内扰流装置，具体包括：
22.固定所述瘤内扰流装置的近端；
23.依次调节和固定所述瘤内扰流装置的远端，使得所述瘤内扰流装置的近端和远端均发生内凹；
24.撤除所述压握管模型，直至所述瘤内扰流装置与所述动脉瘤模型的内壁弹性接触。
25.本技术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技术所述的瘤内扰流装置模拟释放方法的步骤。
26.本技术还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现本技术所述的瘤内扰流装置模拟释放方法的步骤。
27.本技术还提供一种计算机程序产品，包括计算机指令，该计算机指令被处理器执行时实现本技术所述的瘤内扰流装置模拟释放方法的步骤。
28.本技术瘤内扰流装置模拟释放的方法至少具有以下效果：
29.本技术利用有限元方法对作用于瘤内扰流装置过程进行仿真，包括模拟和释放，利用计算流体力学对仿真结果进行分析以获得血液动力学参数。
附图说明
30.图1为本技术一实施例中瘤内扰流装置模拟释放方法的流程示意图；
31.图2a～图2f为本技术一实施例瘤内扰流装置模拟释放方法中瘤内扰流装置压握
过程的示意图；
32.图3a～图3b为本技术一实施例瘤内扰流装置模拟释放方法中瘤内扰流装置释放过程的示意图；
33.图4为本技术一实施例中计算机设备的结构框图。
34.图中附图标记说明如下：
35.10、瘤内扰流装置；10a、近端；10b、远端；
36.20、压握管模型；20a、压握管空间；
37.24、第一压握器；24a、第一空间；26、第二压握器；26a、第二空间；28、辅助成型设备；
38.d1、第一位移边界条件；d2、第二位移边界条件；d3、第三位移边界条件；d4、第四位移边界条件；
39.a1、距离；a2、距离；
40.50、动脉瘤模型；50a、凸起；50b、瘤顶位置。
具体实施方式
41.现有技术中，基于医学图像的计算流体力学(简称为cfd)在动脉瘤治疗前后的血流动力学分析中应用广泛。但是web在瘤腔内释放的过程是动态的，而计算流体力学仿真需要真实且准确的web在瘤腔内释放后的几何结构，这个问题正是目前对web进行模拟释放和仿真计算的挑战。
42.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术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技术，并不用于限定本技术。
43.为解决上述技术问题，参阅图1，本技术一实施例中提供瘤内扰流装置模拟释放的方法包括：
44.步骤s100，利用有限元方法模拟瘤内扰流装置作用于动脉瘤模型的过程，包括瘤内扰流装置的压握(步骤s110)、输送(步骤s120)和释放(步骤s130)；
45.步骤s200，得到瘤内扰流装置作用于动脉瘤模型的三维模型，利用计算流体力学对三维模型进行血流动力学分析以获得血液动力学参数。
46.有限元方法即有限元分析(fea，finite element analysis)，本技术各实施例中的瘤内扰流装置在不做其他特殊说明的情况下均指代web(woven endobridge)。本实施利用有限元方法模拟瘤内扰流装置作用于动脉瘤模型的全过程，作用于是指瘤内扰流装置虚拟植入到动脉瘤模型，利用计算流体力学对web作用后得到的三维模拟进行血流动力学分析获得血液动力学参数。血液动力学参数为人体血液循环系统的流动参数。例如血流量、流速、压力、流态、粘度和外周阻力等。
47.需要说明的是，本技术各实施例中的瘤内扰流装置模拟释放的方法不属于疾病的诊断和治疗方法。可以理解，疾病的诊断和治疗方法的直接对象是有生命的人体或者动物体。也就是说应用web到人体实际存在的动脉瘤位置属于疾病的诊断和治疗方法。而本技术利用有限元方法模拟释放的一系列过程直接操作对象不是有生命的人体或动物体而是运行有限元方法的客观载体，客观载体例如可以是下文各实施例中的计算机设备、存储介质
等。
48.本实施例基于有限元方法的瘤内扰流装置虚拟植入的全过程进行仿真，使仿真结果准确可靠、且能够得到瘤内扰流装置释放后的三维模型用于后续的cfd分析。在临床实践中，在进行动脉瘤治疗前，基于不同方案(例如采用不同初始形态的瘤内扰流装置、不同输送释放的角度方向)，为临床医生提供不同的参考方案作为中间结果。本技术结合有限元方法、同时利用cfd计算得到血流动力学的改变情况，有助于临床医生对患者进行个性化和精准化医疗。
49.在一个实施例中，瘤内扰流装置在初始状态下，呈现筒状或伞状的网笼结构。以筒状的网笼结构为例，参见图2a～2f，对瘤内扰流装置压握的过程进行解释说明。
50.如图2a所示，在初始状态下，瘤内扰流装置10的整体形态为中空的的网笼结构。瘤内扰流装置10具有相对的远端10b和近端10a，瘤内扰流装置10的近端10a相对靠近动脉瘤模型的凸起。具体地，本实施例中的模拟参照的瘤内扰流装置(此处指实物，其他位置中未做说明均理解为模型)是由144～216根直径为25微米的镍钛合金编织丝形成的网笼结构。而该网笼结构的几何形状具体通过matlab程序生成的编织结构来模拟形成，该编织结构支架的金属丝用梁单元代替。本技术各实施例提高了瘤内扰流装置成型过程的仿真方法，对于介入器械的优化设计提供了思路。
51.瘤内扰流装置10的压握(步骤s110)通过压握管模型20对瘤内扰流装置10施压完成，包括步骤s111和步骤s112，其中：
52.步骤s111，如图2b所示，建立筒状的压握管模型20，将瘤内扰流装置10放置于压握管模型20内，压握管模型20至少一部分的径向尺寸大于瘤内扰流装置10。压握管模型20整体呈圆筒状(或称圆管状)，压握管模型20在轴向长度上划分为三等份的段，其中，中间1/3段的平均径向尺寸同时大于两边1/3段的平均径向尺寸。因此，压握管模型20整体呈现为中间粗两头稍细的圆筒。进一步来说，至少是中间1/3段的平均径向尺寸大于瘤内扰流装置10的径向尺寸
53.步骤s112，如图2b和图2c所示，在压握管模型20的表面施加沿径向的第一位移边界条件d1，利用第一位移边界条件d1径向压握瘤内扰流装置10。
54.具体而言，在步骤s112中，根据第一位移边界条件d1所限定的压握管模型20的空间与瘤内扰流装置10的匹配程度，将径向压握过程依次分为第一阶段和第二阶段，第一阶段的位移加载速度小于或等于第二阶段的位移加载速度。
55.如图2b所示，压握管模型20内部形成压握管空间20a。可以理解，相对于第一阶段，在第二阶段中，压握管空间20a使得瘤内扰流装置10发生的形变量更大。可以理解，当瘤内扰流装置10恰好处于压握管空间20a的中心时，第一阶段和第二阶段的临界位置即压握管模型20的内壁和瘤内扰流装置10相接触。
56.步骤s113，建立至少一端为筒状的两个压握器模型，将瘤内扰流装置10的近端10a和远端10b的部分区域分别放置于压握器模型的筒状区域内。
57.为提高仿真处理速度，如图2d所示，两个压握器模型均采用了筒状结构，分别为第一压握器24和第二压握器26。瘤内扰流装置10的近端10a放置于第一压握器24筒状区域内的第一空间24a、瘤内扰流装置10的远端10b放置于第二压握器26筒状区域内的第二空间26a。此时，两个压握器模型分别将瘤内扰流装置10中空的两端封闭(将近端10a和远端10b
封闭)。
58.步骤s114，如图2d所示，分别在两个压握器模型筒状区域的表面施加沿径向的第二位移边界条件d2和第三位移边界条件d3，使瘤内扰流装置10的两端在径向上进一步被压握。
59.进一步地，第一压握器24的表面施加有第二位移边界条件d2，第二压握器26的表面施加有第三位移边界条件d3。在被压握的过程中，第一压握器24和第二压握器26的径向尺寸始终保持一致。具体表现为瘤内扰流装置10的两端编织结构的密集程度保持一致。
60.步骤s115，瘤内扰流装置10的压握还包括步骤s1151和步骤s1152。可以理解，由于瘤内扰流装置通过模拟释放实现，因此，步骤s115瘤内扰流装置10的压握过程也可以转移或重复至释放过程的步骤130之前实现，作为瘤内扰流装置的释放过程的一部分，而不会影响整体的模拟效果。
61.步骤s1151，建立辅助成型设备，辅助成型设备用于调节两个压握器的距离。辅助成型设备用于模拟实际操作中，瘤内扰流装置的形态调节。本实施例的web装置在释放时，直接使用了成型时压握的模型，在仿真过程中采用了圆筒状的辅助成型设备，简化了释放过程，节省大量的计算资源。
62.步骤s1152，如图2e所示解除第一位移边界条件d1，通过辅助成型设备对瘤内扰流装置10的远端10b和近端10a施加相向的第四位移边界条件d4，直至瘤内扰流装置10的近端10a和远端10b均发生内凹、瘤内扰流装置10成型。
63.可以理解，由于瘤内扰流装置的释放过程通过模拟实现，因为解除第一位移边界条件d1、以及施加第四位移边界条件d4的先后顺序可自由调整、也可同时进行。以优先解除第一位移边界条件d1为例，解除第一位移边界条件d1后，压握管模型20恢复为如图2e中所示的状态。第四位移边界条件d4施加在轴向上，使得瘤内扰流装置10的近端10a和远端10b的距离由如图2e所示的距离a1改变为如图2f所示的距离a2，距离a1大于距离a2；此时瘤内扰流装置10在第四位移边界条件d4的作用上贴合压握管模型20的内壁。
64.在瘤内扰流装置10的近端10a和远端10b的距离为a2的状态下，瘤内扰流装置10的近端10a和远端10b均发生内凹，即近端10a和远端10b在第四位移边界条件d4的制约下向下靠拢，此时，瘤内扰流装置10的整体呈现如图2f的姿态。
65.具体地，瘤内扰流装置10的近端10a和远端10b在模拟释放的过程中均记录标记(marker)，标记的位置位于瘤内扰流装置10的近端10a和远端10b的内壁上。在释放过程中，瘤内扰流装置10的近端10a和远端10b分别调整至相应的预定位置、以实现近端10a和远端10b相对距离的改变，此时即获得成型后的瘤内扰流装置10。
66.步骤s120，瘤内扰流装置10的输送包括：将压握后的瘤内扰流装置10输送至动脉瘤模型50，动脉瘤模型50根据病患的影像数据重构获得。
67.输送后的位置如图3a所示，参见图3a和图3b，瘤内扰流装置10的近端10a邻近于动脉瘤模型50的凸起50a。为增强模拟的可靠性，在动脉瘤模型50瘤顶位置50b开孔使得瘤内扰流装置10输送成功。
68.步骤s130，瘤内扰流装置的释放包括调节成型后的瘤内扰流装置，具体包括：固定瘤内扰流装置的近端；依次调节和固定瘤内扰流装置的远端，使得瘤内扰流装置的近端和远端均发生内凹；撤除压握管模型，直至瘤内扰流装置与动脉瘤模型的内壁弹性接触。
69.瘤内扰流装置10的远端10b的调节通过在瘤内扰流装置10的远端10b施加沿轴向的第五位移边界条件实现；直到瘤内扰流装置10恢复到步骤s115结束后的位置。撤除压握管模型20后，瘤内扰流装置10进行形态恢复，实现与动脉瘤模型50的内壁弹性接触，此时即得到瘤内扰流装置10作用于动脉瘤模型50的三维模型。本技术各实施例中所提及施加的位移边界条件均属于现有技术，在此不再进行赘述。
70.本技术应用了简化且准确的有限元方法对瘤内扰流装置进行模拟释放，例如简化上文各实施例中所述的瘤内扰流装置10、压握管模型20、压握器模型和辅助成型设备28等，在准确实现模拟释放的基础上简化的过程，提高了仿真计算的速度，兼顾了准确性和时效性。
71.应该理解的是，虽然步骤s110～步骤s130的各个步骤依次表述，但是这些步骤并不是必然s110、s120和步骤s130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，步骤s110～步骤s130的至少一部分步骤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。
72.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4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瘤内扰流装置模拟释放的方法。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。
73.在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：步骤s100，利用有限元方法模拟瘤内扰流装置作用于动脉瘤模型的过程，包括瘤内扰流装置的压握(步骤s110)、输送(步骤s120)和释放(步骤s130)；步骤s200，得到瘤内扰流装置作用于动脉瘤模型的三维模型，利用计算流体力学对三维模型进行血流动力学分析以获得血液动力学参数。
74.在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：步骤s100，利用有限元方法模拟瘤内扰流装置作用于动脉瘤模型的过程，包括瘤内扰流装置的压握(步骤s110)、输送(步骤s120)和释放(步骤s130)；步骤s200，得到瘤内扰流装置作用于动脉瘤模型的三维模型，利用计算流体力学对三维模型进行血流动力学分析以获得血液动力学参数。
75.在一个实施例中，提供了一种计算机程序产品，包括计算机指令，该计算机指令被处理器执行时实现以下步骤：步骤s100，利用有限元方法模拟瘤内扰流装置作用于动脉瘤模型的过程，包括瘤内扰流装置的压握(步骤s110)、输送(步骤s120)和释放(步骤s130)；步骤s200，得到瘤内扰流装置作用于动脉瘤模型的三维模型，利用计算流体力学对三维模型
进行血流动力学分析以获得血液动力学参数。
76.本实施例中，计算机程序产品包括程序代码部分，以用于当计算机程序产品由一个或多个计算装置执行时，执行本技术各实施例中瘤内扰流装置模拟释放的方法的步骤。计算机程序产品可被存储在计算机可读记录介质上。还可经由数据网络(例如，通过ran、经由因特网和/或通过rbs)提供计算机程序产品以便下载。备选地或附加地，该方法可被编码在现场可编程门阵列(fpga)和/或专用集成电路(asic)中，或者功能性可借助于硬件描述语言被提供以便下载。
77.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，本技术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。
78.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。
79.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，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，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。