专利名称：用于对心脏进行特定于患者的综合性建模的方法和系统的制作方法
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)以高时间一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一主动脉解剖学、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。
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；
图9图解说明估计对于所述主动脉的流体结构交互的示例性结果；
图10图解说明LV的多尺度解剖模型；
图11图解说明对于主动脉瓣区和二尖瓣区的测量精度；
图12图解说明各种类型的肺动脉干形态；
图13图解说明对于心脏收缩事件和结构的血液动力学仿真；
图14图解说明利用血流仿真获得的主动脉瓣窦区中的漩涡的形成；
图15图解说明心脏舒张事件和结构的血液动力学仿真；
图16图解说明示出在一个心搏周期内经过各瓣区的血流的时间通量的曲线图17和18图解说明被用来测量流的切片位置的位点；
图19图解说明对于具有二尖回流主动脉瓣和病态二尖瓣的心脏的血流仿真；
图20图解说明对于一个健康心脏和两个患病心脏的仿真的血液动力学的比较；
图21图解说明具有和不具有左心房的血流仿真结果；
图22图解说明根据本发明的一个实施例的一种利用特定于患者的综合性4D模型进行预测性规划的方法；
图23图解说明在虚拟部署期间作用在植入物模型上的力；图24图解说明对于主动脉内的动脉瘤处的支架部署的仿真； 图25图解说明虚拟动脉瘤切除；以及图26是能够实施本发明的计算机的高级框图。
具体实施例方式本发明涉及根据体数据序列(比如计算机断层摄影(CT)、磁共振成像(MRI)以及超声心动描记数据)对心脏进行特定于患者的综合性建模。这样的体数据序列(在这里也 被称作4D图像数据或4D图像)是在一定时间段内获取以涵盖一个或多个心动周期的序列，其中每一帧是一幅3D图像(体)。在这里描述本发明的实施例以便给出对于所述心脏建模方法的视觉理解。一幅数字图像常常由一个或多个对象(或形状)的数字表示构成。对象的数字表示在这里常常按照识别及操纵所述对象来描述。这样的操纵是在计算机系统的存储器或其他电路/硬件中实现的虚拟操纵。因此，应当理解的是可以在计算机系统内利用存储在所述计算机系统内的数据来施行本发明的实施例。本发明的实施例提供一种用于根据4D医学图像数据对整个心脏解剖学、动力学、 血液动力学和流体结构交互进行特定于患者的建模的方法和系统。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。图1图解说明了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1的方法将表示患者的冠状动脉区的图像数据变换成心脏的特定于患者的解剖模型，并且使用该特定于患者的心脏模型来仿真所述心脏的血流和流体结构交互。参照图1，在步骤102处，接收4D医学图像数据。具体来说，接收至少一个体图像数据序列。所述体图像数据序列可以是在特定时间段内采集的3D图像(体)序列。举例来说，可以在一个完整心搏周期内采集这样的4D图像数据(3D+时间)。可以利用各种医学成像模态接收一个或多个序列。举例来说，根据本发明的各种实施例，可以接收4D CT数据、 4D超声心动描记和/或4D磁共振(MR)图像数据，以及其他类型的图像数据。可以从一个或多个图像采集设备(比如CT扫描器、超声设备或MR扫描器)直接接收所述图像数据。还有可能例如从计算机系统的存储器或存储装置或者某种其他计算机可读存储介质加载先前存储的图像数据。在步骤104处，根据所接收的4D图像数据生成心脏的特定于患者的4D解剖模型。具体来说，所述4D解剖模型是具有多个心脏组成部分的多组成部分模型，其包括例如各个腔室(左心室、左心房、右心室和右心房)、各个心瓣膜(主动脉瓣、二尖瓣、三尖瓣以及肺动脉瓣)以及主动脉。这样的心脏综合性模型被用来捕获各种各样的形态、机能和病理变化。可以使用一种模块化且分层方法来降低解剖复杂度并且促进对于单独解剖结构的有效且灵活的估计。本发明的实施例使用一种心脏模型，该心脏模型符合解剖学并且对于整个心动周期和不同患者保持一致的参数化，这是通过利用生理驱动的约束和采样方案而实现的。每一个心脏腔室和瓣膜的全局动力学变化都被参数化为与时间相关的相似变换， 其定义平移(translation)、旋转的四元数表示、相似变换缩放因数以及心动周期中的时间位置。在一个有利实施例中，使用对于心脏腔室的152个解剖标志和对于心脏瓣膜的33个解剖标志的集合来参数化所有心脏解剖结构的复杂且同步运动模式。由此，每一个标志由三维空间内的一条轨迹描述，并且由所述与时间相关的相似变换归一化。通过用以表示腔室的9个稠密表面网格集合以及对于瓣膜的附加的13个结构集合来完成最终的模型。每一个网格是沿着通过所述标志定义的顶点的解剖栅格采样的。图2图解说明了根据本发明的实施例的对于各个心脏组成部分的心脏模型。具体来说，图2的图像(a) —(f)示出了对于所述解剖心脏模型的各个组成部分的解剖定义。基于4D图像数据在一个心动周期内对于特定患者估计这些解剖模型的参数。图2的图像(a)示出了对于左心室200和左心房202的模型。左心室200是从78 个标志(16个二尖瓣侧控制点、15个二尖瓣中隔控制点、16个左心室输出管道控制点以及 32个主动脉瓣控制点)以及四个表面几何结构(LV心外膜、LV心内膜以及LV输出管道)构造的。左心房表面202通过主动脉瓣控制点连接到左心室200。图2的图像(b)示出了对于右心室204和右心房206的模型。右心室204是从74 个标志(16个三尖瓣侧控制点、15个三尖瓣中隔控制点、观个三尖瓣控制点以及18个肺动脉瓣控制点)以及四个表面几何结构(RV尖(apeX)、RV输出管道以及RV流入管道)构造的。 右心房表面206由28个三尖瓣控制点约束并且链接到右心室204。图2的图像(c)示出了对于主动脉瓣208的模型。主动脉瓣模型208是从11个标志(3个连合部、3个铰合部、3个小叶末梢以及2个心门)以及四个表面结构(主动脉根、N 小叶、L小叶以及R小叶)构造的。主动脉根由所述铰合部和连合部平面约束，并且每一个小叶跨越在两个连合部和一个铰合部之间。图2的图像(d)示出了对于二尖瓣210的模型。二尖瓣模型210是从七个标志(3 个三角区、2个连合部以及2个小叶末梢)构造的。前小叶由两个三角区、一个小叶末梢和两个连合部定义，并且后小叶由三个三角区、一个小叶末梢和一个连合部定义。图2的图像(e)示出了肺动脉瓣212的模型。肺动脉瓣模型212是从九个标志(3 个连合部、3个铰合部和3个小叶末梢)以及四个平面结构(肺动脉根、N小叶、L小叶和R小叶)构造的。图2的图像(f)示出了三尖瓣214的模型。三尖瓣模型214是从四个表面几何结构(环状结构、中隔小叶、前小叶和后小叶)以及六个解剖标志(三个连合部和三个小叶末梢)构造的。所述特定于患者的4D解剖模型给出患者的心脏的形态，并且可以被用来确定对于心脏的任何组成部分的形态(尺寸)和动力参数。图3图解说明了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3的方法对表示患者的冠状动脉区的图像数据进行变换以生成对于该患者的心脏的特定于患者的解剖模型。图3的方法可以被用来实施图2的方法的步骤104。在美国公开的专利申请号2010/(^80352和2011/0060576中更加详细地描述了图3的用于生成心脏的特定于患者的解剖模型的方法， 所述专利申请的公开内容通过参考被合并在此。在步骤302处，根据对于多个心脏组成部分当中的每一个所接收到的图像数据来生成单独的模型。根据本发明的一个实施例，为以下各项生成模型各个心脏腔室，即左心室(LV)(心内膜和心外膜)、右心室(RV)、左心房(LA)和右心房(RA)；各个瓣膜，即二尖瓣、 主动脉瓣、肺动脉瓣和三尖瓣；以及主要脉管，即主动脉和肺动脉干。心脏的所有这些部分在这里被共同称为“心脏组成部分”。对于每一个心脏组成部分，利用数据库引导的判别式估计/检测技术在所述4D图像数据的每一帧中估计所述心脏组成部分的生理模型 。在生成对于特定患者的个人化心脏模型之前离线构造每一个解剖结构(心脏组成部分)的生理模型。每一个生理模型是基于有注解的训练数据集合中的对应心脏组成部分的数学表示而生成的。举例来说，可以利用有注解的训练数据集合中的心脏组成部分的平均形状生成对于每一个心脏组成部分的生理模型。举例来说，通过参考合并在此的美国专利申请公开号2008/0101676描述了生成四腔室生理心脏模型并且将所述心脏模型拟合到图像数据。正如这里所描述的那样，所述心脏模型是3D网格，并且对于每一个腔室的初始网格是利用有注解的训练数据中的各腔室的平均形状生成的。此外，通过参考合并在此的美国专利申请号2009/0123050描述了主动脉瓣的一种4D生理模型。可以类似地基于有注解的训练数据集合为每一个所述心脏组成部分离线生成生理模型。为了估计3D图像(S卩4D图像序列的帧)中的特定心脏组成部分的生理模型，基于较大的有注解的训练图像的数据库利用判别式机器学习技术对所述生理模型的参数进行估计以便拟合所述图像。根据一个实施例，使用边际空间学习(marginal space learning, MSL)在每一幅图像中定位所述生理模型。MSL的想法不是直接在完全相似变换参数空间内学习分类器，而是基于有注解的训练数据在增加的维度内递进地学习判别式分类器。随着维度增大，有效(正)空间区域变得受到先前的边际空间分类器的更多约束。为了估计解剖结构(比如特定的心脏组成部分) 的生理模型，在图像中，可以把对应于所述心脏组成部分的位置的相似变换(即位置、取向和尺度)的估计分成三个阶段位置估计，位置一取向估计，以及完全相似变换估计。基于所述训练数据对于每一个阶段训练一个判别式分类器。可以把所有判别式分类器训练为概率推进树(PBT)。除了减小搜索空间的大小之外，MSL的另一个优点是有可能在每一个边际空间水平使用不同的特征(比如3D Haar特征或可操控特征)来训练所述分类器。在下面的出版物中描述了利用MSL来估计3D图像数据中的各个心脏组成部分的生理模型的例子，通过参考将其公开内容合并在此美国专利申请公开号 2008/0101676，其描述了估计对于3D CT图像数据中的每一个腔室的模型；美国专利申请号2009/0123050，其描述了将主动脉瓣的生理模型拟合到4D CT数据；以及Yang等人的“3D Ultrasound Tracking of the Left Ventricles Using One-Step Forward Prediction and Data Fusion of Collaborative Trackers", CVPR 2008，其描述了将左心室的模型拟合到3D超声图像序列。应当理解的是，可以通过利用与上面的例子相似的判别式机器学习技术将每一个心脏组成部分的生理模型拟合到图像数据来估计所述心脏组成部分。一旦例如利用MSL在4D图像数据的每一帧中估计了每一个单独的心脏组成部分模型的参数，就可以在每一幅图像中对所述单独的心脏组成部分模型执行基于学习的边界检测，以便细化所估计的模型参数。具体来说，可以利用所述基于学习的边界检测来细化每一个所估计的模型的边界，以便提高对于每一个心脏组成部分的生理模型估计的精度。在步骤304处，通过集成为每一个心脏组成部分生成的各单独模型而生成心脏的特定于患者的4D个人化解剖模型。从步骤402得到的每一个单独的心脏组成部分模型是一个由特定数目的点构成的网格。根据一种有利的实施方式，为了集成LV (心内膜和心外膜)、RV、LA、RA、二尖瓣、主动脉瓣、主动脉和肺动脉干的单独模型，在连接的或重叠的模型之间建立网格点对应。所述网格点对应允许将各个模型正确地相对于彼此对准。有可能通过对模型进行重新采样而在各模型之间建立网格点对应。举例来说，通过参考合并在此的美国专利申请公开号2008/0^^814描述了用以在四个心脏腔室的模型之间建立网格点对应的各种重新采样方法，以便正确地对准各心脏腔室模型。应当理解的是，在美国专利申请公开号2008/0^^814中描述的技术可以被扩展到在这里描述的在各个单独的心脏组成部分模型之间建立网格点对应。在步骤306处，输出特定于患者的4D解剖心脏模型。可以通过将特定于患者的4D 解剖心脏模型存储到存储器、存储装置或计算机可读介质中来输出特定于患者的4D解剖心脏模型。还可以通过显示特定于患者的4D解剖心脏模型或者打印特定于患者的4D解剖心脏模型的图像来输出特定于患者的4D解剖心脏模型。所输出的特定于患者的4D解剖心脏模型可以被用于进一步的医学图像处理。举例来说，个人化的4D解剖心脏模型可以被用来估计心脏的各种形态和机能测量。个人化的4D解剖心脏模型还可以被用来仿真血流或血液一组织交互，正如在图1的方法的后续步骤中所描述的那样。如上所述，图3的方法图解说明了根据一个实施例的一种用于生成特定于患者的 4D解剖模型的方法。在另一个实施例中，可以基于基本解剖结构的自然细节水平遵循一种从粗到细的策略来为患者估计所述4D解剖模型的参数。在第一步骤中，从所接收的4D图像数据恢复每一个模型组成部分的姿势和对应的运动参数，这是利用一种将MSL与随机采样一致性(RANSAC)技术相组合以便获得鲁棒且时间上连贯的对象定位的方法而实现的。 在 Ionasec 等人的"Patient-Specific Modeling and Quantification of the Aortic and Mitral Valves from 4D Cardiac CT and TEE”，IEEE Transactions on Medical Imaging,2QIQ中详细描述了这种方法，通过参考将其合并在此。在第二步骤中，利用轨迹谱学习(trajectory spectrum learning, TSL)算法同时估计各个解剖标志的位置和运动，该算法采用基于轨迹的特征和强轨迹谱分类器。在Ionasec等人的“Robust Motion Estimation Using Trajectory Spectrum Learning: Application to Aortic and Mitral Valve Modeling from 4D TEE "Proceedings of 12th IEEE In terna tional Conference on Computer Kisio/ ，2008，第1601 — 1608页中更加详细地描述了所述TSL算法，通过参考将其合并在此。在最终步骤中，在整个心动周期内执行完整心脏表面的边界描绘。这种方法调节(leverage) 了鲁棒的边界检测器连同协作跟踪器和运动流形。图4图解说明了从多期CT序列估计的一个示例性的特定于患者的解剖心脏模型。 如图4中所图解说明的那样，图像402、404和406示出了左心室、左心房、右心室、右心房、 主动脉瓣(AV)、二尖瓣(MV)、肺动脉瓣(PV)和三尖瓣(TV)以及升主动脉和肺动脉。虽然图 4没有示出整个主动脉，但是应当理解的是，还可以作为特定于患者的4D解剖模型的一部分来估计主动脉。举例来说，可以利用在美国公开的专利申请号2010/0239148中描述的方法来估计主动脉，通过参考将其公开内容合并在此。回到图1，在步骤106处，基于特定于患者的4D解剖模型仿真心脏中的血流(血液动力学)。为了仿真血流，所述特定于患者的几何结构充当对于3D Navier-Stokes求解器的输入，所述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。这里所描述的血液动力学计算对于血液使用经典连续模型。在水平集公式中利用直接数值仿真来求解作为对于流体流的标准连续力学模型的带有粘性项的不可压缩 Navier-Stokes方程(下面的等式(1))
权利要求
1.一种用于基于4D医学图像数据来仿真心脏中的血流的方法，其包括根据所述4D医学成像数据生成心脏的特定于患者的4D解剖模型；以及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。
2.权利要求1的方法，其中，所述心脏的特定于患者的4D解剖模型包括多个心脏组成部分，并且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的所述步骤包括在所述特定于患者的4D解剖模型的多个心脏组成部分当中的一个或多个心脏组成部分中单独仿真血流。
3.权利要求1的方法，其中，所述心脏的特定于患者的4D解剖模型包括多个心脏组成部分，并且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的所述步骤包括在所述特定于患者的4D解剖模型的多个心脏组成部分当中的每一个心脏组成部分中同时仿真血流。
4.权利要求1的方法，其中，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的所述步骤包括基于被用来将所述特定于患者的4D解剖模型嵌入在计算域内的水平集函数的零水平的位置，对所述解剖模型的流体区施加无滑移边界条件。
5.权利要求1的方法，其中，所述心脏的特定于患者的4D解剖模型包括多个心脏组成部分，并且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的所述步骤包括对于所述多个时间步当中的每一个执行以下操作基于当前时间步处的所述特定于患者的4D解剖模型的位置，计算对于水平集函数和速度的对流更新；计算对于代表当前时间步处的粘性力贡献的速度的半隐式更新；通过求解具有Neumann边界条件的Poisson方程计算当前时间步处的压力更新；以及基于所述半隐式速度更新和压力更新，计算对于当前时间步的新的速度更新。
6.权利要求1的方法，其中，所述特定于患者的4D解剖模型包括所述心搏周期内的心脏的特定于患者的3D解剖模型序列，并且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的所述步骤包括对所述特定于患者的3D解剖模型序列进行内插，以便导出所述多个时间步当中的至少一个时间步处的所述特定于患者的4D解剖模型的位置。
7.权利要求1的方法，其中，根据所述4D医学成像数据生成心脏的特定于患者的4D解剖模型的所述步骤包括生成至少一个心脏组成部分的特定于患者的多尺度解剖模型，所述多尺度解剖模型包括所述至少一个心脏组成部分的粗糙解剖模型和所述至少一个心脏组成部分的精细解剖模型。
8.权利要求7的方法，其中，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的所述步骤包括通过求解受到所述至少一个心脏组成部分的精细解剖模型约束的Navier-Stokes方程来仿真所述至少一个心脏组成部分中的血流。
9.权利要求8的方法，其中，所述至少一个心脏组成部分包括左心室，并且所述左心室的精细解剖模型包括乳头肌和骨小梁。
10.一种用于基于4D医学图像数据对心脏进行特定于患者的综合性建模的方法，其包括根据所述4D医学成像数据生成心脏的特定于患者的4D解剖模型； 通过利用水平集框架求解受到所述特定于患者的4D解剖模型的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方程而在当前时间步处仿真所述至少一个心脏组成部分中的血流；基于当前时间步处的仿真血流计算当前时间步处的所述至少一个心脏组成部分的形变；以及对于多个时间步重复所述仿真和计算步骤，其中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。
11.权利要求10的方法，其还包括将所计算的所述至少一个心脏组成部分的形变与所述4D医学成像数据中的所述至少一个心脏组成部分的观测得到的形变进行比较，以便确定所述至少一个心脏组成部分的生物力学参数。
12.权利要求10的方法，其中，所述至少一个心脏组成部分是主动脉。
13.权利要求10的方法，其中，通过利用水平集框架求解受到所述特定于患者的4D解剖模型的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方程而在当前时间步处仿真所述至少一个心脏组成部分中的血流的所述步骤包括计算由于所仿真的所述至少一个心脏组成部分中的血流而导致的当前时间步处的所述至少一个心脏组成部分的壁界面处的压力。
14.权利要求13的方法，其中，基于当前时间步处的仿真血流计算当前时间步处的所述至少一个心脏组成部分的形变的所述步骤包括计算由于所述至少一个心脏组成部分的壁界面处的压力而导致的所述至少一个心脏组成部分的壁的形变。
15.权利要求10的方法，其中，基于当前时间步处的仿真血流计算当前时间步处的所述至少一个心脏组成部分的形变的所述步骤包括基于对所述至少一个心脏组成部分的组织的被动特性进行建模的内力和对由所述至少一个心脏组成部分内部的血流生成的加载进行建模的外力，计算所述至少一个心脏组成部分的形变。
16.一种利用特定于患者的综合性4D心脏模型进行预测性规划的方法，其包括根据4D医学成像数据生成心脏的特定于患者的综合性4D模型；调节所述特定于患者的综合性4D模型的一部分以便仿真一种状况；以及重新生成所述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所述特定于患者的综合性4D模型的影响。
17.权利要求16的方法，其中，调节所述特定于患者的综合性4D模型的一部分以便仿真一种状况的所述步骤包括调节所述特定于患者的综合性4D模型的解剖参数。
18.权利要求15的方法，其中，调节所述特定于患者的综合性4D模型的一部分以便仿真一种状况的所述步骤包括调节所述特定于患者的综合性4D模型的血液动力学参数。
19.权利要求16的方法，其中，调节所述特定于患者的综合性4D模型的一部分以便仿真一种状况的所述步骤包括调节所述特定于患者的综合性4D模型的生物力学参数。
20.权利要求16的方法，其中，调节所述特定于患者的综合性4D模型的一部分以便仿真一种状况的所述步骤包括调节所述特定于患者的综合性4D模型的解剖参数、血液动力学参数和生物力学参数的至少一个，以便仿真心脏中的疾病进展。
21.权利要求16的方法，其中，调节所述特定于患者的综合性4D模型的一部分以便仿真一种状况的所述步骤包括调节所述特定于患者的综合性4D模型的一部分，以便虚拟仿真对心脏的对应部分应用疗法。
22.权利要求21的方法，其中，调节所述特定于患者的综合性4D模型的一部分以便虚拟仿真对心脏的对应部分应用疗法的所述步骤包括在所述特定于患者的综合性4D模型中虚拟仿真经皮人工瓣膜植入。
23.权利要求21的方法，其中，调节所述特定于患者的综合性4D模型的一部分以便虚拟仿真对心脏的对应部分应用疗法的所述步骤包括在所述特定于患者的综合性4D模型的一部分中虚拟仿真动脉瘤处的支架部署。
24.权利要求21的方法，其中，调节所述特定于患者的综合性4D模型的一部分以便虚拟仿真对心脏的对应部分应用疗法的所述步骤包括在所述特定于患者的综合性4D模型的一部分中虚拟仿真动脉瘤的切除。
25.权利要求M的方法，其中，重新生成所述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所述特定于患者的综合性4D模型的影响的所述步骤包括基于所述仿真的动脉瘤的切除，在所述特定于患者的综合性4D模型的所述部分中仿真血流和流体结构交互。
26.一种用于基于4D医学图像数据来仿真心脏中的血流的设备，其包括用于根据所述4D医学成像数据生成心脏的特定于患者的4D解剖模型的装置；以及用于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的装置。
27.权利要求26的设备，其中，用于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的所述装置包括用于基于被用来将所述特定于患者的4D解剖模型嵌入在计算域内的水平集函数的零水平的位置对所述解剖模型的流体区施加无滑移边界条件的装置。
28.权利要求26的设备，其中，所述心脏的特定于患者的4D解剖模型包括多个心脏组成部分，并且用于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的所述装置包括用于基于当前时间步处的所述特定于患者的4D解剖模型的位置计算对于水平集函数和速度的对流更新的装置；用于计算对于代表当前时间步处的粘性力贡献的速度的半隐式更新的装置；用于通过求解具有Neumann边界条件的Poisson方程来计算当前时间步处的压力更新的装置；以及用于基于所述半隐式速度更新和压力更新来计算对于当前时间步的新的速度更新的装置。
29.权利要求26的设备，其中，用于根据所述4D医学成像数据生成心脏的特定于患者的4D解剖模型的所述装置包括用于生成至少一个心脏组成部分的特定于患者的多尺度解剖模型的装置，所述多尺度解剖模型包括所述至少一个心脏组成部分的粗糙解剖模型和所述至少一个心脏组成部分的精细解剖模型。
30.权利要求29的设备，其中，用于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的所述装置包括用于通过求解受到所述至少一个心脏组成部分的精细解剖模型约束的Navier-Stokes 方程来仿真所述至少一个心脏组成部分中的血流的装置。
31.一种用于基于4D医学图像数据对心脏进行特定于患者的综合性建模的设备，其包括用于根据所述4D医学成像数据来生成心脏的特定于患者的4D解剖模型的装置；用于通过利用水平集框架求解受到所述特定于患者的4D解剖模型的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方程而在当前时间步处仿真所述至少一个心脏组成部分中的血流的装置，其中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；以及用于基于当前时间步处的仿真血流计算当前时间步处的所述至少一个心脏组成部分的形变的装置。
32.权利要求31的设备，其还包括用于将所计算的所述至少一个心脏组成部分的形变与所述4D医学成像数据中的所述至少一个心脏组成部分的观测得到的形变进行比较以便确定所述至少一个心脏组成部分的生物力学参数的装置。
33.权利要求31的设备，其中，用于通过利用水平集框架求解受到所述特定于患者的 4D解剖模型的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方程而在当前时间步处仿真所述至少一个心脏组成部分中的血流的所述装置包括用于计算由于所仿真的所述至少一个心脏组成部分中的血流而导致的当前时间步处的所述至少一个心脏组成部分的壁界面处的压力的装置。
34.权利要求33的设备，其中，用于基于当前时间步处的仿真血流计算当前时间步处的所述至少一个心脏组成部分的形变的所述装置包括用于计算由于所述至少一个心脏组成部分的壁界面处的压力而导致的所述至少一个心脏组成部分的壁的形变的装置。
35.权利要求31的设备，其中，用于基于当前时间步处的仿真血流计算当前时间步处的所述至少一个心脏组成部分的形变的所述装置包括用于基于内力和外力计算所述至少一个心脏组成部分的形变的装置，其中所述内力对所述至少一个心脏组成部分的组织的被动特性进行建模，所述外力对由所述至少一个心脏组成部分内部的血流所生成的加载进行建模。
36.一种利用特定于患者的综合性4D心脏模型进行预测性规划的设备，其包括用于根据4D医学成像数据生成心脏的特定于患者的综合性4D模型的装置；用于调节所述特定于患者的综合性4D模型的一部分以便仿真一种状况的装置；以及用于重新生成所述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所述特定于患者的综合性4D模型的影响的装置。
37.权利要求36的设备，其中，用于调节所述特定于患者的综合性4D模型的一部分以便仿真一种状况的所述装置包括用于调节所述特定于患者的综合性4D模型的解剖参数、血液动力学参数和生物力学参数中的至少一个的装置。
38.权利要求36的设备，其中，用于调节所述特定于患者的综合性4D模型的一部分以便仿真一种状况的所述装置包括用于调节所述特定于患者的综合性4D模型的解剖参数、血液动力学参数和生物力学参数中的至少一个以便仿真心脏中的疾病进展的装置。
39.权利要求36的设备，其中，用于调节所述特定于患者的综合性4D模型的一部分以便仿真一种状况的所述装置包括用于调节所述特定于患者的综合性4D模型的一部分以便虚拟仿真对心脏的对应部分应用疗法的装置。
全文摘要
本发明涉及用于对心脏进行特定于患者的综合性建模的方法和系统。公开了一种用于根据4D医学图像数据对整个心脏解剖学、动力学、血液动力学和流体结构交互进行特定于患者的建模的方法和系统。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3DNavier-Stokes求解器的输入，所述3DNavier-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来在所述心搏周期内迭代地确定流体结构交互，以使得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。
文档编号G06F19/00GK102346811SQ20111020493
公开日2012年2月8日 申请日期2011年7月21日 优先权日2010年7月21日
发明者乔治斯库 B., 科马尼丘 D., 维塔诺夫斯基 D., 富格特 I., 莎马 P., I. 约纳塞克 R., 格尔比克 S., 曼西 T., 米哈勒夫 V., 王 Y., 郑冶枫 申请人:西门子公司