用于对心脏进行特定于患者的综合性建模的方法和系统技术方案

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
用于对心脏进行特定于患者的综合性建模的方法和系统本申请要求保护2010年7月21日提交的美国临时申请号61/366,294、2010年9月17日提交的美国临时申请号61/383,942和2010年11月3日提交的美国临时申请号61/409,633的权益，通过参考将其公开内容合并在此。
本专利技术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。
技术介绍
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－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－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。
技术实现思路
本专利技术提供一种根据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，本专利技术的实施例根据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。在本专利技术的一个实施例中，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。在本专利技术的另一个实施例中，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。在本专利技术的另一个实施例中，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，本专利技术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。附图说明图1图解说明根据本专利技术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图解说明根据本专利技术的一个实施例的对于各个心脏组成部分的心脏模型；图3图解说明根据本专利技术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图解说明根据本专利技术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图解说明根据本专利技术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；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图解说明根据本专利技术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是能够实施本专利技术的计算机的高级框图。具体实施方式本专利技术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）。在这里描述本专利技术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专利技术的实施例。本专利技术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图解说明了根据本专利技术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，并且本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
2010.07.21 US 61/366294;2010.09.17 US 61/383942;201.一种用于基于4D医学图像数据来仿真心脏中的血流的方法，其中所述方法并不用于诊断或治疗的目的，并且所述方法包括：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，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。2.根据权利要求1的所述方法，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.根据权利要求1的所述方法，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.根据权利要求1的所述方法，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.根据权利要求1的所述方法，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。6.根据权利要求1的所述方法，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。7.根据权利要求6的所述方法，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。8.根据权利要求7的所述方法，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。9.一种用于基于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，其中所述方法并不用于诊断或治疗的目的，并且所述方法包括：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。10.根据权利要求9的所述方法，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。11.根据权利要求9的所述方法，其中，所述至少一个心脏组成部分是主动脉。12.根据权利要求9的所述方法，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。13.根据权利要求12的所述方法，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。14.根据权利要求9的所述方法，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。15.一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，其中所述方法并不用于诊断或治疗的目的，并且所述方法包括：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。16.根据权利要求15的所述方法，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。17.根据权利要求15的所述方法，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。18.根据权利要求15的所述方法，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步骤包括：调节所述特定于患者的综合性4D模型的生物...

【专利技术属性】
技术研发人员：RI约纳塞克，I富格特，V米哈勒夫，S格尔比克，D维塔诺夫斯基，Y王，郑冶枫，B乔治斯库，D科马尼丘，T曼西，P莎马，
申请(专利权)人：RI约纳塞克，I富格特，V米哈勒夫，S格尔比克，D维塔诺夫斯基，Y王，郑冶枫，B乔治斯库，D科马尼丘，T曼西，P莎马，
类型：发明
国别省市：US