一种临床智能经皮激光心肌血运重建的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及医学信息技术领域，具体涉及一种临床智能经皮激光心肌血运重建的 方法。
【背景技术】
[0002] 冠状动脉性心脏病(Coronary heart disease)是中老年人群最常见的身体疾病 之一，又称为冠心病。近50年来，冠心病在世界范围内发病率持续增高，成为主要的死亡原 因之一，并且发病人群有年轻化趋势。80%的冠心病患者采用传统的药物治疗、经皮冠状动 脉腔内血管成形术(PTCA)以及冠状动脉旁路移植术(CABG)等方式来缓解自身症状。但是对 于弥漫性冠脉病变、小血管病变、远端病变以及多次PTCA或CABG后的晚期复杂病例，以及术 后支架或血管再狭窄等病例，上述治疗方法常常难以奏效，因此，如何对上述复杂病例进行 有效的治疗，成为医学和病理学领域的一个重要课题。
[0003] 20世纪以来，激光科学技术迅猛发展，许多学者开始尝试将激光技术应用于临床 医学。1981年，Mirhoscini等将实验狗的冠状动脉结扎，然后利用二氧化碳激光在其左心室 腔和心肌间建立许多激光孔道，试图使实验狗的心肌缺血区域恢复，最终实验狗的成活率 超过70%，而且在术后对一些存活的实验狗进行解剖检查时发现，建立的激光孔道通畅并 内皮化。激光心肌血运重建术分为心外膜照射与心内膜照射。心外膜照射法又称经胸激光 血运重建法(Trans myocardial Laser Revascularization，TMLR)。这种方法的优点是对 激光孔道的定位准确，不会对冠状动脉造成损伤，比较容易判断激光孔道效果;但是它也有 自身的缺点，如由于需要打开胸腔，因此会对身体造成较大的损伤，而建立的贯穿性激光孔 道会导致出血较多。心内膜照射法又称经皮激光血运重建法(Percutaneous Myocardial Laser Re vascular izat ion，PMLR)，它是在心外膜照射法的基础上发展起来的一种新的冠 心病介入治疗技术。与TMLR相比，PMLR不仅可以避免PTCA和CABG术后支架或血管再狭窄，还 具备不开胸、损伤小、恢复快、医疗花费少等诸多优点；但光纤导管定位不够准确是该技术 还需要进一步提高的部分。
[0004] 目前较为理想的激光器类型是准分子类的激光，如二氧化碳激光，Nd: YAG激光， H〇:YAG激光等。这种激光产生的热量可以迅速被组织吸收，是组织温度升高发生汽化，形成 表面较为光滑的激光孔道，且无炭化层及凝固性坏死。临床常用的激光参数是每次2个脉 冲，每个脉冲激光输出能量2J、功率3.5W，脉宽200us，激光孔道直径约1.0mm，激光孔道深度 约5.0~6.0_，打孔数目取决于缺血心肌区域的面积，例如:对于左冠状动脉主干病变合并 左前降支慢性完全闭塞打孔20个左右。
[0005] 在国外，1965年Sen等就采用针刺法进行动物实验，在实验狗的左心室腔和心肌间 建立许多孔道，并证实孔道对狗梗塞后的心肌具有保护作用，能有效的改善心肌的缺血状 况。1990年1月，Crew等在全球第一次单独采用高功率(800W)C0 2激光对1例83岁的高龄冠心 病患者在心脏跳动情况下进行了 PMLR手术，在手术过后，患者的心绞痛消失，心脏的其它功 能也得到明显改善。美国的食品与药品监督管理局(FDA)于1990~1996年经过多个研究中 心对高功率CO2激光TMLR长达6年的观察，最终批准了TMLR的临床应用。我国紧随世界TMLR 发展潮流，在20世纪末成功开展TMLR的临床与基础研究。安徽省立医院与合工大，首都医科 大学，第三军医大学西南医院、北京301医院和中山医科大学附属第一医院等也对TMLR进行 了一系列的临床研究，都得到了较为理想的结果。
[0006] 在PMLR手术过程中，所建立的激光孔道的血液灌注能力将会直接影响手术的治疗 效果，而在血液动力学中，用单位时间内流过激光孔道某一截面处的血流量来描述激光孔 道对缺血心肌组织的灌注能力。对于激光孔道的孔径和孔道深度的影响因素有激光器的输 出功率、激光束的光斑半径和激光脉冲持续的时间等，另外，心肌组织自身的光学特性参 数、密度、汽化潜热、比热以及组织的热扩散率和热导率等也对其有一定的影响。在实际过 程中，也有部分热量会对组织造成热损伤，热损伤的程度将会直接影响到手术的效果。但目 前都是医生依据经验进行判定，主观性较强，结果比较保守。
【发明内容】
[0007] 有鉴于此，本发明提供了一种临床智能经皮激光心肌血运重建的方法，能够整体 优化经皮激光心肌血运重建过程中打孔位置、数量、深度、孔径以及能量，具有在满足缺血 心肌灌注情况下，心肌打孔数目最少，均匀分布，且对激光打孔周围心肌热损伤最小的效 果。
[0008] 本发明的临床智能经皮激光心肌血运重建的方法，包括如下步骤：
[0009] 第1步，确定心肌组织的缺血区域，根据临床经验评估所需要的总血流量范围；
[0010] 第2步，根据心肌壁的厚度对心肌组织的缺血区域进行网格划分，将一定厚度范围 内的心肌组织划分在同一个网格中，并对所有网格进行编号;记录各网格区域内心肌壁的 厚度范围；
[0011] 第3步，针对每一个网格，首先从网格中心肌壁最厚部位打第1个激光孔道，其中， 在超声心动图检查舒张期心肌壁厚度<8mm处不打孔;初步确定激光的输出功率P;
[0012] 第4步，针对当前激光孔道i，根据公式(1)确定当前激光孔道的打孔时间
[0013]
(1)
[0014] 其中，P为激光的输出功率;to为从激光发射到心肌组织因激光作用开始发生汽化 所经历的时间；P为心肌组织的密度;q为心肌组织的汽化热；c为心肌组织的比热;λ为激光 波长 ;Zl为第i个激光孔道的深度，其中，激光孔道的剩余心肌壁厚度大于等于4mm; ?〇为21 =〇处的高斯光束的束腰半径；
[0015] 第5步，利用步骤4确定的打孔时间。，采用公式(2)计算激光器的阈值功率Pc,1;
[0016]
(2)
[0017] 其中，k为热扩散率；
[0018] 将计算获得的阈值功率Pc, i与激光输出功率P进行比较，如果P<PC, i，则调大激光 的输出功率，重新计算打孔时间，直到P 2 P。, i，执行第6步；
[0019] 第6步，根据第5步最终确定的激光输出功率P和打孔时间ti，利用公式(3)确定当 前激光孔道的孔径CU;
[0020]
(3)
[0021] 其中，ya为心肌组织对激光的吸收系数；ω为高斯光束在心肌内任一深度的束腰 半径；
[0022] 如果Cl1位于设定的孔径范围内，则执行第7步，否则增加激光孔道的深度后、重新 计算打孔时间和阈值功率Pu，直到P 2匕^且心位于设定的孔径范围内；如果激光孔道的深 度已经达到最大值，即剩余心肌壁厚度为4_，则最大激光孔道深度为最终的激光孔道的深 度；
[0023] 第7步，根据公式(4)确定当前激光孔道的灌注量Vi，
[0024]
⑷
[0025] 其中，Δρ为左室内压，η为血液粘滞度；
[0026] SV1在设定的单个激光孔道的灌注量范围内，则激光开始进行打孔操作，否则放 弃打孔，重新选取激光输出功率P后，返回第4步；
[0027] 第8步，将前i次打孔的累积灌注量V1,sum与缺血心肌所需总血流量的最大值咬进行 比较，如果尺_ <g，则按照第4步~第7步进行下一次打孔，其中，下一个激光孔道的位置 为:与当前激光孔道间隔Icm;当，结束打孔。
[0028] 较优的，网格划分中，各网格中心设置在该网格区域内最大心肌壁厚度处。
[0029]进一步地，网格划分时，首先对缺血心肌进行非统一有理B样条曲面拟合，然后使 用映射方式对结构模型进行网格划分，选用混合型的网格结构，对大形变心肌以六面体单 元为主;不规则区域心肌使用四面体网格优化，最后将一定厚度范围内的心肌组织划分在 同一个网格中。
[0030] 较优的，第8步中，沿顺时针方向打下一个激光孔道，直到所有网格内的缺血心肌 打孔。
[0031] 有益效果：
[0032] 本发明方法，对比已有技术，能够整体优化经皮激光心肌血运重建过程中打孔位 置、数量、深度、孔径、能量，具有在满足缺血心肌灌注情况下，心肌打孔数目最少，均匀分 布，且对激光打孔周围心肌热损伤最小的效果。心肌表面打孔数目尽可能少，这意味着对心 肌的二次创伤会更小;打孔点在心肌表面分布均匀，保障微循环。
【附图说明】
[0033]图1为本发明流程图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0035]本发明提供了一种临床智能经皮激光心肌血运重建的方法，具体包括如下步骤：
[0036]第1步，确定心肌组织的缺血范围，评估所需要的总血流量。
[0037] 手术前通过血液动力学检测心脏左室内压△ p，血液流变学测量血液粘滞度n，正 电子发射断层扫描检测心肌缺血范围，根据临床经验定量评估缺血心肌所需总血流量范围
[,并根据临床经验设置单个激光孔道的灌注量范围[Vsmin，Vsmax]，以及单个激光孔 道的孔径沮围[dmin，dmax ] O
[0038] 第2步，网格化心肌组织的缺血区域。
[0039] 通过三维动态增强磁共振检测心肌壁的厚度是否均匀。如果不是，根据心肌壁的 不同厚度采用有界元/有限元法分割为多个网格，然后依次对所有网格进行编号1，2,…，N; 评估记录各网格区域内心肌壁的厚度范围其中，η)为第j个网格的最小心肌壁的 厚度，好?为第j个网格的最大心肌壁的厚度，j = 1，2，…，N。确定缺血心肌壁的最小厚度
当心肌厚度分布均匀 时，将网格数看作是1。
[0040] 网格划分时，对缺血心肌进行非统一有理B样条(NURBS)曲面拟合，使用映射方式 对结构模型进行网格划分，选用混合型的网格结