针对血管流场模拟域自动化划分带边界层网格的方法、计算机设备、以及计算机程序产品与流程

1.本技术涉及血流动力学模拟仿真技术领域，特别是涉及一种针对血管流场模拟域自动化划分带边界层网格的方法、计算机设备、以及计算机程序产品。


背景技术：

2.颅内动脉瘤是指颅内动脉壁上发生的异常膨出，患病率约为2％。颅内动脉瘤的破裂容易引起蛛网膜下腔出血，具有很高的致死致残率，因此评估其破裂风险具有很高的临床价值。
3.随着医工结合的不断紧密化以及仿真技术的不断发展，血流动力学仿真在近年来逐渐成为辅助评估颅内动脉瘤破裂风险的重要手段。为了尽可能精确地计算出血流动力学参数，就需要血流动力学模拟的输入数据尽可能的真实，这些输入数据包括初始条件、边界条件、网格划分、以及求解器的设置。其中网格划分，是血流动力学中进行离散化数值模拟仿真的重要环节。高质量的网格，是确保计算结果收敛，进而获得准确结果的前提。
4.传统的血流动力学网格划分技术，较为依赖仿真工程师的知识和经验，对于低年资的工程师来说存在较高的技术门槛，往往产生网格划分不合理、边界层添加失败、网格数量过于庞大等问题，最终导计算耗时较长，甚至发散。过高的技术门槛限制了血流动力学在临床上的应用，尤其是一些需要快速获得计算结果来辅助医生制定决策的应用场景。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种针对血管流场模拟域自动化划分带边界层网格的方法。
6.本技术针对血管流场模拟域自动化划分带边界层网格的方法，包括：
7.获得三维血管模型，利用血管几何特征对血管模型几何进行分割，获得血管几何模型，所述血管几何模型包括表面几何特征线和出入口；
8.生成囊括所述血管几何模型的长方体边界盒，根据所述长方体边界盒的边长获得加密次数，加密后生成以正方体网格为基础的边界盒背景网格；
9.获得面贴合的等级，基于表面几何特征线、出入口、边界盒背景网格生成面贴合字典文件；
10.获得所述血管几何模型的血管切面，根据所述血管切面获得所述血管切面的质心坐标，获得表面细化等级，所述质心坐标和所述表面细化等级存储于snappyhexmeshdict字典文件；
11.指定所述血管几何模型血管网格的边界层总厚度占比，制定所述血管几何模型的网格划分细化方案，获得边界层添加的标准，并基于所述血管几何模型，先后调用所述面贴合字典文件、以及所述snappyhexmeshdict字典文件以生成网格。
12.可选的，生成囊括所述血管几何模型的长方体边界盒，具体包括：
13.获得所述血管几何模型的点坐标，对所述点坐标的坐标值进行分配，得到包含所述几何模型的长方体边界盒。
14.可选的，获得表面细化等级，具体包括：
15.获得所述血管几何模型的血管切面轮廓，通过所述血管切面轮廓获得等面积圆，以所述等面积圆的直径作为网格特征长度，根据所述网格特征长度设置最大局部单元数、设置最大全局单元数。
16.可选的，指定所述血管几何模型血管网格的边界层总厚度占比，具体表现为：
17.边界层总厚度占比为网格特征长度的0.3～0.7倍。
18.可选的，制定所述血管几何模型的网格划分细化方案，具体包括：
19.根据所述边界层总厚度占比、以及所述网格特征长度，通过加权平均并凑整获得贴合松弛迭代次数，制定所述血管网格划分细化方案。
20.可选的，获得面贴合的等级，具体包括：
21.通过所述网格特征长度、以及所述血管表面几何边界特征线，分别对各个出入口面以及壁面进行加权计算、进而获得需进行面贴合的等级。
22.可选的，获得边界层添加的标准，具体包括：
23.将所述边界层总厚度占比、以及所述网格特征长度每个变量前乘以配置系数，获得边界层迭代系数。
24.可选的，基于所述血管几何模型，先后调用所述面贴合字典文件、以及所述snappyhexmeshdict字典文件以生成网格，具体包括：将所述血管几何模型划分为至少两段，且进行每一段的信息交换，对每一段同时生成网格、完成后拼接为整体。
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针对血管流场模拟域自动化划分带边界层网格方法的步骤；
26.所述存储器还存储有预先设定的字典文件，所述字典文件在所述处理器执行所述计算机程序时被调用。
27.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针对血管流场模拟域自动化划分带边界层网格方法的步骤；
28.所述处理器至少有两个处理核心，对每一段同时生成网格时，调用不同的处理核心进行，其中不同核进行生成网格时互相保持信息交换。
29.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针对血管流场模拟域自动化划分带边界层网格方法的步骤。
30.本技术针对血管流场模拟域自动化划分带边界层网格的方法至少具有以下效果：
31.本技术提供的方法基于snappyhexmesh环境实现，能够生成严格按照几何边界特征包裹的初始网格，保证血管几何模型的高度扭转特征不影响边界层的产生，尤其适用于血管几何模型的流程设计。
32.本技术能够通过读取血管几何模型的几何特征，对血管几何模型进行个性化网格划分，保证血流动力学计算的准确性和精度，同时也能保证边界层网格有较高的覆盖率。
附图说明
33.图1为本技术一实施例中针对血管流场模拟域自动化划分带边界层网格方法的流程示意图；
34.图2为本技术一实施例中血管几何模型的结构示意图；
35.图3为本技术一实施例中血管几何模型的划分带边界层网格的结构示意图；
36.图4为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
37.传统的血流动力学网格划分技术，需要手动划分网格，在充分考虑血管几何参数的情况下，虽然能够得到较为符合血流动力学仿真所需的网格，但是这一过程本身存在网格划分时间长，参数设置有遗漏等弊端。得到符合条件的网络较为依赖仿真工程师的知识和经验，对于低年资的工程师来说存在较高的技术门槛，往往产生网格划分不合理、边界层添加失败、网格数量过于庞大等问题，最终导计算耗时较长，甚至发散。
38.这主要由两方面原因导致：第一，对于的不同案例，网格划分参数不统一导致了计算结果不统一，容易引入计算结果的误差；第二，由于血管几何模型的高度扭转性和非线性，要想画出带边界层的规则网格极其困难。对于部分网格工具，即使手动划分也容易造成无法生成边界层等问题。
39.为解决上述技术问题，参阅图1，本技术一实施例中提供一种针对血管流场模拟域自动化划分带边界层网格的方法，包括以下步骤：
40.本技术一实施例中提供一种针对血管流场模拟域自动化划分带边界层网格的方法，包括步骤s100～步骤s500：
41.步骤s100，获得三维血管模型，利用血管几何特征对血管模型几何进行分割，获得血管几何模型，血管几何模型包括表面几何特征线和出入口；
42.步骤s200，包括步骤s210和步骤s220，其中：
43.步骤s210，生成囊括血管几何模型的长方体边界盒。具体包括：获得血管几何模型的点坐标，对点坐标的坐标值进行分配，得到包含几何模型的长方体边界盒。
44.本步骤中，点坐标包括三维坐标轴x，y，z的最小值点和最大值点，长方体边界盒基于最小整数边长，分配即对长方体的顶点进行赋值。
45.传统方法中，边界盒生成需要用户通过使用测量工具对模型尺寸进行长宽高测量才能生成囊括几何的边界盒，本技术提供的实施例通过程序自动进行点坐标计算，获取点与点之间距离的极大值，以获取边界盒尺寸。
46.步骤s220，根据长方体边界盒的边长获得加密次数，加密后生成以正方体网格为基础的边界盒背景网格；
47.在步骤s220中，加密可理解为在长方体边界盒的基础上生成正方体网格的过程，例如可以是包括在长方体边界盒上遍历生成正方体网格。可以理解，等边的正方体网格可能由于硬件限制无法完美实现，而类似于等边正方体。
48.具体地，获得长方体边长，取整后得到三维坐标轴x、y、z三个方向上的网格数目，并赋值至用于生成结构化网格的字典文件。生成网格单元近似为立方体的结构化网格，可视为包含血管几何模型的边界盒背景网格。
49.步骤s300，获得面贴合的等级，基于表面几何特征线、出入口、边界盒背景网格生成面贴合字典文件；
50.获得面贴合的等级，具体包括：通过网格特征长度lc、以及血管表面几何边界特征线，分别对各个出入口面以及壁面进行加权计算、进而获得需进行面贴合的等级。可以理解，获得面贴合等级之后，可存储于面贴合字典文件，使用时可直接调用面贴合字典文件，进行面贴合操作。
51.步骤s400，包括步骤s410和步骤s420，其中：
52.步骤s410，获得血管几何模型的血管切面，根据血管切面获得血管切面的质心坐标；
53.获得血管几何模型的血管切面，具体包括：若出入口不是平面，则对血管几何模型进行切割，获得血管几何模型的血管切面。对血管几何模型进行切割例如可以使用本技术提供程序的交互界面进行。
54.根据血管切面获得血管切面的质心坐标，具体包括：对血管切面的特征轮廓进行随机选点至少3个，从而生成质心坐标。
55.传统方法中，使用者需在模型内选一点，以区分网格内外，用户选点直接通过输入坐标进行。本技术提供的实施例对比原方法，省去了用户输入坐标可能导致选点不准而跑出模型外部导致需反复尝试的问题，可以一次性选到模型内部点。
56.步骤s420，获得表面细化等级，质心坐标和表面细化等级存储于snappyhexmeshdict字典文件；
57.本步骤中，质心坐标用于判断所述血管几何模型的内外位置。传统方法中表面细化等级没有一种固定选取方法，本技术提供的实施例结合模型几何特征，能够保证模型满足血流动力学计算的基本精度要求，如：边界层层数的保证，表面网格尺寸的大小符合血流动力学计算中库朗数小于1等。
58.步骤s420中，获得表面细化等级，具体包括：获得血管几何模型的血管切面轮廓(例如通过梯度下降法获得)，通过血管切面轮廓获得等面积圆，以等面积圆的直径作为网格特征长度，根据网格特征长度设置最大局部单元数、设置最大全局单元数。具体地，设置最大局部单元数为10000*lc*lc*lc，设置最大全局单元数为最大局部单元数的两倍。
59.本步骤中使得血管几何模型的表面网格密度能够满足血管几何模型曲面捕捉的需要，以便于为血管几何模型设计的细化流程。
60.步骤s500，包括步骤s510～步骤s530，其中：
61.步骤s510，指定血管几何模型血管网格的边界层总厚度占比。具体表现为：边界层总厚度占比为网格特征长度lc的0.3～0.7倍，例如可以是0.4倍。
62.步骤s520，制定血管几何模型的网格划分细化方案。具体包括：根据边界层总厚度占比、以及网格特征长度，通过加权并凑整获得贴合松弛迭代次数nrelaxediter，制定血管网格划分细化方案。
63.传统方法中，网格划分无特征长度获取这一步骤，网格划分参数完全凭借用户经验，导致网格生成往往无法满足计算的精度要求，生成网格粗糙不可用，甚至内部体网格无法生成，边界层网格往往更是难以生成。本技术提供的实施例能够通过读取模型的几何特征，对模型进行个性化网格划分，每个模型动能保证血流动力学计算的准确性和精度，同时
也能保证边界层网格有较高的覆盖率，远远优于传统算法。
64.步骤s530，获得边界层添加的标准，并基于血管几何模型，先后调用面贴合字典文件、以及snappyhexmeshdict字典文件以生成网格。
65.获得边界层添加的标准，具体包括：将边界层总厚度占比、以及网格特征长度每个变量前乘以配置系数，获得边界层迭代系数nlayeriter。配置系数通过开发过程中进行参数化扫描实验而获得。
66.基于血管几何模型，先后调用面贴合字典文件、以及snappyhexmeshdict字典文件以生成网格，具体包括：将血管几何模型划分为至少两段，对每一段同时生成网格、且进行每一段的信息交换，完成后拼接为整体。通过将血管几何模型划分为多段、分别生成网格而拼接为整体的方式能够提高生成网络的速度。可以理解，进行每一段的信息交换，可便于完成后的拼接。
67.本技术通过步骤s400和s500所记载的方法，能够使基于snappyhexmesh环境实现的方法生成严格按照几何边界特征包裹的初始网格，保证血管几何模型的高度扭转特征不影响边界层的产生，尤其适用于血管几何模型的流程设计。
68.本技术通过步骤s400和s500所需的各系数通过字典文件预先写入程序，执行上述方法时自动调用字典文件。本领域技术人员可知，字典文件包括snappyhexmeshdict字典文件、及其他所需的字典文件，如面贴合字典文件等等，在方法执行过程中相应的字典文件被调用。字典文件例如可以通过本技术提供的程序进行三维模型特征抓取及识别，并将计算的相应参数写入获得。字典文件通过编写的linux环境流程自动化脚本进行，调用时依照snappyhexmesh网格生成流程标准程序依次逐步执行字典文件内容，即执行本技术各实施例中提供的针对血管流场模拟域自动化划分带边界层网格的方法。对于不同的血管几何模型，则需要重复执行snappyhexmesh网格生成流程。另外，根据目标尺寸单位，将原尺寸从m数量级缩放至mm数量级适用于血管网格类型。
69.在血管几何模拟生成划分网格后，还包括检查网格质量，获得能够进行血液动力学数值模拟仿真的网格。具体表现为，使用网格质量检查插件，获得网格质量参数，具体参数为最大skewness小于2，平均偏斜程度skewness小于1.5，网格边界层添加率》95％，程序读取结果并进行上述标准判断。
70.本技术各实施例中针对血管流场模拟域自动化划分带边界层网格的方法通过自动化网格划分技术，能够自动、实时、准确地进行血流动力学仿真设计，具有显著的临床应用价值和广阔的市场前景。
71.本技术实施例中提供的针对血管流场模拟域自动化划分带边界层网格的方法在短时间内使用户能够生成高质量的带边界层的血管网格，能够快速简便地使血液动力学模拟流程快速从三维几何模型过渡到可进行血液动力学计算的网格，大大降低了网格划分原本所需要的使用软件成本及人力门槛，使得不懂得仿真的用户也能够独立完成优质的网格划分任务，并尽可能实时地将血液动力学分析结果提供给医生用以临床参考，极大地延展了血液动力学仿真的适用范围。
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服务器，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、网络接口和数据库。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、计算机程序和数据库。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。该计算机设备的数据库用于存储相应的字典文件数据。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针对血管流场模拟域自动化划分带边界层网格的方法。
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：
74.步骤s100，获得三维血管模型，利用血管几何特征对血管模型几何进行分割，获得血管几何模型，血管几何模型包括表面几何特征线和出入口；
75.步骤s210，生成囊括血管几何模型的长方体边界盒；
76.步骤s220，根据长方体边界盒的边长获得加密次数，加密后生成以正方体网格为基础的边界盒背景网格；
77.步骤s300，获得面贴合的等级，基于表面几何特征线、出入口、边界盒背景网格生成面贴合字典文件；
78.步骤s410，获得血管几何模型的血管切面，根据血管切面获得血管切面的质心坐标；
79.步骤s420，获得表面细化等级，质心坐标和表面细化等级存储于snappyhexmeshdict字典文件；
80.步骤s510，指定血管几何模型血管网格的边界层总厚度占比；
81.步骤s520，制定血管几何模型的网格划分细化方案；
82.步骤s530，获得边界层添加的标准，并基于血管几何模型，先后调用面贴合字典文件、以及snappyhexmeshdict字典文件以生成网格。
83.本实施例中存储器还存储有预先设定的字典文件，字典文件在处理器执行计算机程序时被调用。字典文件的概念和功能参见上述步骤s400和步骤s500后的相应解释。
84.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：
85.步骤s100，获得三维血管模型，利用血管几何特征对血管模型几何进行分割，获得血管几何模型，血管几何模型包括表面几何特征线和出入口；
86.步骤s210，生成囊括血管几何模型的长方体边界盒；
87.步骤s220，根据长方体边界盒的边长获得加密次数，加密后生成以正方体网格为基础的边界盒背景网格；
88.步骤s300，获得面贴合的等级，基于表面几何特征线、出入口、边界盒背景网格生成面贴合字典文件；
89.步骤s410，获得血管几何模型的血管切面，根据血管切面获得血管切面的质心坐标；
90.步骤s420，获得表面细化等级，质心坐标和表面细化等级存储于snappyhexmeshdict字典文件；
91.步骤s510，指定血管几何模型血管网格的边界层总厚度占比；
92.步骤s520，制定血管几何模型的网格划分细化方案；
93.步骤s530，获得边界层添加的标准，并基于血管几何模型，先后调用面贴合字典文件、以及snappyhexmeshdict字典文件以生成网格。
94.本实施例中，处理器至少有两个处理核心，对每一段同时生成网格时，调用不同的处理核心进行，其中不同核进行生成网格时互相保持信息交换。
95.具体地，在调用处理核心之前读取计算机可用的处理核心数量，例如通过预先设定的字典文件根据处理核心数量。调用不同的处理核心时，还根据处理核心数量对不同的处理核心相应地分配生成网格的任务，调用不同处理核心例如可以通过自动调用并行算法来实现。不同处理核心对血管几何模型进行scotch分割，分割后运行网格生成命令进行并行计算，计算完成后将分割网格合并为一个网格文件。本实施例将方法和硬件环境结合起来，进一步提高了网格划分生成的效率。
96.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：
97.步骤s100，获得三维血管模型，利用血管几何特征对血管模型几何进行分割，获得血管几何模型，血管几何模型包括表面几何特征线和出入口；
98.步骤s210，生成囊括血管几何模型的长方体边界盒；
99.步骤s220，根据长方体边界盒的边长获得加密次数，加密后生成以正方体网格为基础的边界盒背景网格；
100.步骤s300，获得面贴合的等级，基于表面几何特征线、出入口、边界盒背景网格生成面贴合字典文件；
101.步骤s410，获得血管几何模型的血管切面，根据血管切面获得血管切面的质心坐标；
102.步骤s420，获得表面细化等级，质心坐标和表面细化等级存储于snappyhexmeshdict字典文件；
103.步骤s510，指定血管几何模型血管网格的边界层总厚度占比；
104.步骤s520，制定血管几何模型的网格划分细化方案；
105.步骤s530，获得边界层添加的标准，并基于血管几何模型，先后调用面贴合字典文件、以及snappyhexmeshdict字典文件以生成网格。
106.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。
107.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。