个性化脑治疗的模拟方法和系统与流程

本发明的实施例是用于脑流动动力学建模、相关医疗设备建模、以及应用每种治疗(包括但不限于应用医疗设备)的结果预测的方法和系统。更具体地，本发明及其实施例包括用于脑动脉瘤的血液动力学的个性化建模、用于脑动脉瘤治疗的相关目标医疗设备的建模、以及应用每种治疗(包括但不限于经由血液动力学模拟和/或医疗设备模拟及其后处理解释的医疗设备)的结果预测的方法和系统。

背景技术：

1、占所有中风的约4％的动脉瘤性蛛网膜下腔出血(aneurysmal subarachnoidhemorrhage，asah)是一种威胁生命的疾病，由于动脉瘤破裂，该疾病在成人的最有生产力的年龄段(40-60岁)中频繁发生，且可以经由症状和筛查诊断该疾病，以及可以通过微创治疗来预防该疾病。动脉瘤是动脉表面上通常由于动脉壁薄弱点处的高血压而出现的隆起部分，并可能破裂，导致asah。

2、经由血管造影导管插入术，在动脉瘤体积内植入囊内生物相容性线圈已经为微创治疗的核心，在gulliami fda批准之后被广泛接受。这将触发囊内血栓形成并且可以导致动脉瘤的愈合。

3、支架辅助卷绕是将高孔隙度支架植入患有宽颈动脉瘤的载瘤动脉(parentarteries)内，以基本上防止线圈突出到载瘤动脉和栓塞中。

4、用于微创治疗的最新的进展是低孔隙度支架，所谓的血流导向(flow diverting，fd)支架。自2011年fda批准pipeline以来，fd已成为另一种优选的微创选项。这些支架以囊外方式放置在载瘤动脉内，并且被命名为血流导向装置，因为它们试图将血液从动脉瘤体积导向到载瘤动脉，以希望刺激血小板、在囊中逐渐形成成熟的血栓、随后在颈部区域上积聚平滑肌细胞、最终形成新内膜层；从而从循环中消除动脉瘤。

5、技术问题

6、不幸的是，因为不管动脉瘤的尺寸如何，小动脉瘤(<10mm)和大动脉瘤均易于破裂，所以不存在统一的可靠的护理标准来识别可能的asah。虽然fd和线圈一直在促进临床干预，消除了对高风险开放手术的大体积中心的需求，但对于临床医生广泛使用fd和线圈的长期临床结果，必须仔细地验证。当规划干预时，必须考虑大部分颅内动脉瘤在所诊断的个体的整个生命中不破裂的基本事实，以避免这些微创治疗的潜在有害后果，包括但不限于平均7％术中死亡率、术后突然/晚期破裂、再血管化、支架内狭窄、植入设备的迁移以及疗程中延长的或随后的重复致癌x射线暴露。

7、多年来，工程和临床实践中的许多研究者[参见npl1-5]和发明人[参见plt1-3]一直尝试预测脑动脉瘤的血管内治疗的结果。此外，计算流体动力学(computational fluiddynamics，cfd)可以是分析脑动脉瘤中的血流以及理解fd植入之后的血流模式是否有利的可靠工具。然而，存在用于设备部署和cfd模拟的各种方法，以及用于解释流动动力学模拟的结果的各种参数。在准确性和可靠性方面，目前还没有确定的黄金标准用于针对脑动脉瘤治疗的囊内/囊外设备植入的结果预测。

技术实现思路

1、技术解决方案、优点和工业实用性

2、本发明的系统和方法包括“个性化快速准确虚拟医疗设备植入、cfd模拟和用于患者治疗决策制定的流动动力学后处理”的新颖且精确的框架，以建立颅内动脉瘤的最佳治疗规划的黄金标准；它可用于所有神经血管设备，包括但不限于支架和线圈。在本文中，我们示出了用于将预防措施生效以避免asah和/或规划得很差的潜在有害治疗的技术的概念证明；经由个性化术前(pre-session)计算模拟确定可靠和最优的决策，并将其用于asah案例的预防性管理。特定病例的动脉瘤三维(3d)模型源自每个患者的更新的临床数据库，即计算机化的定制模拟。术前计算消除了漫长的术中试验和错误程序(诸如在患者暴露于辐射时在多次fd植入之后检查血流停滞)，以及消除了不可逆程序(诸如在卷绕之前植入fd、或fd或线圈的有害植入)。本发明引入一组基本上新颖的机械原理和指数，以在血管内/管腔内手术后获得脑动脉瘤的愈合。本方法和系统在许多方面与现有方法基本上不同；它在我们的系列中每天以100％的准确度预测动脉瘤的完全愈合是否发生(参见详细说明)、突然/晚期破裂、附带闭塞、支架内狭窄的可能性，并且为抗血小板药物剂量减少/停止提供建议。通过使用计算机系统，本文公开的方法和系统可以容易地应用于医学成像装置或计算机系统中的血管造影术部位或血管造影术部位之外。

3、本发明提供用于脑动脉瘤的任何类型的治疗的模拟和治疗结果预测。治疗可以包括使用任何形式的任何设备。在此呈现的设备的示例将不会限制本发明的范围并且仅仅用于说明。基于本发明提供的系统和方法，可以以原型、动物或最终人类临床形式设计和制造各种新设备。标题为“具体实施方式”的部分进一步揭示本发明在准确度、可行性和速度方面优于类似发明的独特优势和能力。

4、根据本发明的方面，提供了一种用于在解剖结构模型和后处理中模拟神经血管设备最终变形的部署形状和配置及其对应的血液动力学的系统。

5、该系统包括：

6、数据库，该数据库被配置为存储神经血管设备特征，以及，

7、处理器。

8、该处理器被配置为：虚拟地构建患者的解剖结构模型的一部分或全部；在解剖结构模型中虚拟地放置多个神经血管设备；在解剖结构模型中虚拟放置多个神经血管设备之后模拟血流动力学；以及计算后处理参数、指数、以及原理以用于解释和报告治疗的结果。

9、根据本发明的方面，提供了一种用于模拟神经血管设备最终变形的部署形状和配置的方法。该方法包括：

10、数据库，该数据库被配置为存储神经血管设备特征，以及，

11、处理器。

12、该处理器被配置为：虚拟地构建患者的解剖结构模型的一部分或全部，在解剖结构模型中虚拟地放置多个神经血管设备，以及在解剖结构模型中虚拟放置多个神经血管设备之后模拟血流动力学。该解剖结构模型包括血管和血管内的血液的至少一个速度幅度。在该实施例中，该方法可以包括：从存储在数据库中的集合接收对神经血管设备特征的选择；通过处理器，在解剖结构模型中虚拟放置所选择的设备，以及在设备放置之后模拟血液动力学。

13、本发明的另一方面是提供一种用于模拟和预测关于不同神经血管设备植入的可能结果的新颖的计算和新颖的计算后处理方法。本发明虚拟地将设备放置在个性化解剖结构中，模拟精确的神经血管设备变形和最终配置，以及通过计算流体动力学(cfd)模拟对应的血液动力学结果，并且通过后处理特征提供高保真度治疗结果预测。

14、在本发明的另一实施例中，可以使用基于云的数据处理系统。这个实施例可以利用计算机集群来通过利用用户界面(user interface，ui)来接收患者数据。由患者临床数据构建解剖结构的三维模型。计算机集群可以从服务器接收多个设备特征。可以使用如在标题为“具体实施方式”的部分中所描述的babol方法来构建设备的最终变形的植入后配置。用户可以从已经存储在服务器中的数据库中选择设备特征。计算机集群的任务可包括：

15、为了在解剖结构模型中虚拟地放置神经血管设备的最终变形的形状，模拟解剖结构模型网格，使用计算流体动力学模拟血液动力学结果，以及执行用于治疗结果预测的对应的后处理结果。

16、本发明的另一实施例提供了一种可以利用计算机集群来接收患者临床数据的计算机化方法。可以根据患者数据构建解剖结构的三维模型。可以通过该方法在数据库中存储多个设备特征。可以使用如在标题为“具体实施方式”的部分中所描述的babol方法来构建设备模型的最终变形的植入后配置。用户可以从已经存储在服务器中的数据库中选择设备特征。计算机集群的任务可包括：

17、为了在解剖结构模型中虚拟地放置神经血管设备的最终变形的植入后配置，模拟解剖结构模型网格，使用计算流体动力学模拟血液动力学结果，以及执行用于治疗结果预测的对应的后处理结果。

18、在本发明的所有实施例中：

19、该解剖结构模型可以包括计算模型，

20、在植入之后设备的初始或变形的形状可以包括：表面网格和计算机辅助设计(computer-aided design，cad)几何形状，

21、可以包括来自所选择的设备特征和解剖结构模型的网格的血液体积网格，

22、该计算机集群可以虚拟地将多个设备放置在该解剖结构模型中。