专利名称：颅内动脉瘤介入治疗支架植入图像仿真方法
技术领域：
本发明属于颅内动脉瘤介入治疗支架植入手术规划图像仿真计算方法领域，应用于此类手术的手术规划和手术指导。本发明涉及一种颅内动脉瘤介入治疗支架植入全过程的可视化计算方法。对颅内动脉瘤介入治疗的手术计划提供一种检测、计算和分析的可视化方法。
背景技术：
卢页内动脉瘤(intracranialaneurysm)是由卢页内动脉内腔的周部性异常扩张所致动脉壁的一种瘤状突起，是一种常见的血管性疾病。据2009年Mayo Clinic的最新研究报告，未破裂动脉瘤在人群中患病率约为2%，而动脉瘤破裂造成蛛网膜下腔出血的年发病率大约为6 10/10万人口。SAH导致脑血管痉挛、脑水肿、脑梗死和脑积水等多种病理性改变，死亡率高达42%，严重威胁病人的生命。因此，建立颅内动脉瘤介入治疗支架植入手术规划图像仿真计算方法，可以有效地诊断分析动脉瘤介入治疗支架植入的全过程，从而改善介入治疗手术质量，提高介入治疗的手术效果，大大降低动脉瘤破裂的风险，减少颅内动脉瘤患者致死率、致残率。这对于颅内动脉瘤介入治疗支架植入手术具有重要的临床指导意义。当前对于介入手术中支架植入全过程仿真方法的研究主要有两种，体外实验和数值仿真研究。所谓的体外实验研究就是研制体外实验系统，在一定的实验条件下，在模型中释放真实支架后，检测获取相关图像信息和血流动力学信息。数值仿真，通常是通过影像设备扫查获取动脉瘤影像后，利用计算机生成支架并植入，结合有限元分析，通过网格划分、施加边界条件、设置入口脉动血流速度实施血流动力学数值计算，提取和分析支架植入动脉瘤前后瘤腔内的流速分布、压力和壁面切应力及支架与血管壁的融合过程等。采用计算机数值模拟仿真的方法，揭示了复杂动脉瘤介入治疗的详细信息，提供整个改进过程中的具体血流动力学数值变化，可以消除风险，并且操作性强，有效预测和降低动脉瘤增大和破裂的风险。与体外实验相比，数值仿真因为其提供更多更详尽的性能参数及快捷、低成本和模拟各种血管瘤的几何形态和血流动力学特征等优点，在介入治疗手术规划中具有更好的临床应用价值。对于支架植入全过程的数值仿真研究中,Appanaboyina, Sunil等人使用形变公式作为支架变形膨胀的控制条件，支架在内力和外力的作用下向血管壁移动，模拟支架变形膨胀过程，其内力即经典拉普拉斯算子，保证支架的平滑和连续。外力为拉力，其大小与支架各点和血管壁的距离成正比。在此基础上Larrabide，I等人对形变公式中内力部分进行了优化，考虑了支架各点间距离和角度的影响。但上述形变支架仿真方法有如下缺点:(I)需对初始图像进行大量的优化和网格化处理；(2)对于silk等压刻而成的支架，无法保证其各节点间不可压缩和扩张的几何形态特征。活动轮廓模型是由M.Kass等人提出的基于能量最小化的图像互动分割方法。活动轮廓指的是一个由多个点组成的可变性的封闭轮廓，这些点通过最小化能量方程来进行变形，能量方程包括内力外力两项，内力是平滑力保持轮廓的平滑的，外力是牵引力通过图像心里拉拽轮廓到图像边缘完成图像分割。使用活动轮廓模型进行虚拟支架膨胀有以下几点好处:1.避免了初始轮廓的选择，直接使用支架作为初始轮廓线(面)；2.模型参数可变，可以通过改变权重进一步保证支架更好的贴近血管壁；3.可直接作用于初始采集图像而无需对图像进行网格化处理，使膨胀更为精确。
发明内容
本发明涉及一种颅内动脉瘤介入治疗支架植入全过程的可视化计算方法。应用血管三维造影数据重建动脉瘤血管三维几何形态，基于三维活动轮廓模型建立一种支架释放膨胀模型及数值计算方法，图像仿真动脉瘤介入治疗支架植入的全过程。模拟计算支架植入的最佳配置，以期达到重塑载瘤血管几何形态，改善血流，降低血管瘤破裂风险从而提高介入治疗的手术效果。对颅内动脉瘤介入治疗的手术计划提供一种检测、计算和分析的可视化方法。本发明所采用的技术方案如下:(I)应用动脉瘤三维造影数据，基于梯度向量场的中心线提取方法，提取动脉瘤母血管中心线，在此中心线上选取数个特征点，使用分段折线近似取代原中心线。点数和位置可根据血管形状进行选取，此折线的位置即为支架植入时支架中心线的初始位置，不同位置的特征点表征不同的植入初始位置。(2)依据真实支架的参数:如长度，直径，层数等，计算生成一个中心线为直线的数值模拟支架，然后依据多段折线逼近母血管中心线，进行分段刚性配准，使数值模拟支架初始化到母血管中。(3)使用配准后数值模拟支架各节点作为活动轮廓模型的初始轮廓。依据活动轮廓模型使数值模拟支架各节点向血管壁移动，当足够多的数值模拟支架节点依据活动轮廓模型达到内外力平衡而不再移动时，变形膨胀过程停止。(4)对变形后的数值模拟支架进行优化处理，依据数值模拟支架支撑面形状重绘数值模拟支架，保证数值模拟支架各节点间距离相等。(5)使用工程设计软件，根据膨胀后数值模拟支架结点绘制膨胀后的三维支架。(6)应用血流动力学计算方法，根据绘制出的三维支架和动脉瘤图像，计算各血流动力学参数，进行支架植入不同位置情况下的动脉瘤破裂风险评估，寻找支架植入最佳配置位置以便对介入手术进行技术支持，有效预测和降低动脉瘤增大和破裂的风险。本发明具有如下优点:(I)本颅内动脉瘤介入治疗支架植入全过程的可视化计算方法可直接应用于血管三维造影断层图像而无需将图像网格化，简单、快速。(2)支架可任意沿中心线置于血管各处，便于在血管不同位置处释放支架进行仿真。(3)使用支架释放膨胀模型可以通过改变各权重值，在保证支架连续平滑的基础上尽量逼近血管壁。(4)对膨胀后支架进行优化可保证支架各节点间距离不变，与压刻而成的支架在真实情况下膨胀的结果相符。
(5)发明的方法具有较好的临床应用价值，为颅内动脉瘤介入治疗的手术计划提供一种检测、计算和分析的可视化方法。
图1血管中心线提取图2数值模拟支架初始化图3使用活动轮廓模型进行数值模拟支架膨胀的结果图4膨胀后数值模拟支架优化结果
具体实施例方式(I)血管三维造影数据获取:应用数字减影血管造影(DSA)技术获取颅内动脉瘤断层图像。(2)动脉瘤母血管中心线的提取:利用三维活动轮廓模型将动脉瘤母血管细化获取血管中心线，具体方法为对颅内动脉瘤DSA图像使用独立面提取，提取出网格化后的血管壁作为初始轮廓，使用活动轮廓模型作为约束条件，具体能量方程如下式所示:
权利要求
1.一种新的颅内动脉瘤介入治疗支架植入全过程的可视化计算方法。其特征是使用基于活动轮廓模型的支架释放膨胀模型作为仿真颅内动脉瘤介入治疗支架植入的约束条件，对膨胀后的支架进行优化保证支架的几何形态特征，对颅内动脉瘤介入治疗支架植入的手术计划提供一种检测、计算和分析的可视化方法。包含如下步骤: (1)应用动脉瘤三维造影数据，提取动脉瘤母血管中心线，在此中心线上选取数个特征点，使用分段折线近似取代原中心线。点数和位置可根据血管形状进行选取，此折线的位置即为支架植入时支架中心线的初始位置，不同位置的特征点表征不同的植入初始位置。
(2)依据真实支架的参数:如长度，直径，层数等，计算生成一个中心线为直线的数值模拟支架，然后依据多段折线逼近母血管中心线，进行分段刚性配准，使数值模拟支架初始化到母血管中。
(3)依据活动轮廓模型使数值模拟支架各节点向血管壁移动，当足够多的支架节点依据活动轮廓模型达到内外力平衡而不再移动时，变形膨胀过程停止。
(4)对变形后的数值模拟支架进行优化处理，依据支架支撑面形状重绘支架，保证支架各节点间距离相等。
(5)使用工程设计软件，根据膨胀后支架结点绘制膨胀后的三维支架。应用血流动力学计算方法，根据绘制出的三维支架和动脉瘤图像，进行血流力学分析。
全文摘要
本发明提出一种颅内动脉瘤介入治疗支架植入全过程的可视化计算方法。建立了一种支架释放膨胀模型，为颅内动脉瘤介入治疗支架植入提供了一种有效的数值模拟方法，为颅内动脉瘤介入治疗的手术计划提供一种检测、计算和分析的可视化方法。首先利用血管中心线将数值模拟支架植入血管中并利用活动轮廓模型进行支架膨胀，然后通过优化使支架各节点间距离不变，最后进行血流动力学计算分析，模拟计算支架植入的最佳配置。本发明可直接应用于血管三维造影断层图像，通过优化使支架保持自身的几何形态特征，并且可以利用权重调节使支架尽量贴合血管壁。仿真过程便于对支架植入位置进行控制，在介入治疗手术规划中具有较好的临床应用价值。
文档编号G06F19/00GK103198202SQ20121055276
公开日2013年7月10日 申请日期2012年12月19日 优先权日2012年12月19日
发明者李海云, 刘迪, 龙云玲, 杨新健 申请人:首都医科大学