一种脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法

技术领域

本发明涉及医疗技术领域，尤其涉及一种脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法。

背景技术

脑卒中：脑卒中为危害健康的重要疾病。它的高发病率及高致残率，给社会和家庭带来沉重的负担。因此，脑卒中防治压力巨大，对于其有效管控具有重大的经济和社会益处。

颅内动脉粥样硬化：脑卒中的重要原因。相比较西方人群，东亚人群存在更多的颅内动脉粥样硬化的发生。因此研究其结构功能以及相关危险因素，可更好地防治卒中的发生。

然而现有技术中，通过生物医学工程学技术和计算机技术实现医学大脑相关功能的图像升级，这部分研究是缺乏的，特别事对于临床重点关心问题，缺乏升维分析。缺乏新的疾病定量诊断的方法；缺乏更为直观的观察影像学结构变化，缺乏更为精准和有效的方法。缺乏对于脑卒中患者的梗死相关区域的精准测量。

因此，有必要提供一种新的脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法解决上述技术问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种为详细的量化评估患者病情提供了可能；为颅内动脉硬化的血流动力学变化奠定了基础的脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法包括以下步骤：

S1：选取纳入患者信息：选取纳入急性缺血性脑卒中的患者，并收集患者的临床资料、实验室检查、临床功能评分以及影像学；

S2：影像学分析：对所选患者进行头颈部CTA和CTP检查；

S3：影像学三维重建：采用三维重建软件MIMICS，分析脑卒中患者梗死核心区和缺血半暗带，并精确测量相应的体积及密度；

S4：基于影像学血流动力学评估：采用患者的CTA图像进行血流动力学测定，评价脑卒中患者颅内动脉粥样硬化性狭窄的血流动力学改变。

优选的，所述S1中，患者的临床资料包括性别、年龄、联系方式和患者所患除急性缺血性脑卒中以外的其他疾病。

优选的，所述S3中，影像学三维重建包括以下步骤：

S31：计算参数：在头颅CTP中，分别对CBV、CBF、MTT、TTP四种参数进行分析，在结果中通过MIMICS软件进行三维重建，计算出不同梗死区域的核心密度，体积以及表面积；

S32：预处理方法：将断层扫描结果以DICOM格式文件保存，之后在预处理方法上采用图像滤波、图像增强、图像插值技术，将DICOM格式文件导入MIMICS软件中，在其中自动定义左、右、前、后四种方位，手动定义断层图像顶端和底端两种方位；

S33：三维图像转化：在Mimics3-D功能中，依靠3D插补法，通过Calculate3D，在动态区生长、阈值截点、多层次编辑计算方法修改原始蒙版，精准勾勒出各层的轮廓，以最佳选项开始模型运算，通过二维图像转变为3D模型；

S34：图像升维：采用体绘制法来重建图片，横断面图片可自动形成冠状面以及矢状面的图像，最后通过该软件自带的导出功能，将3D图像导出。

优选的，所述S34中，图像升维的包括以下步骤：

S341：预处理图像：通过图像增强、图像滤波、图像插值方法对图像进行预处理；

S342：分割图像：通过半自动交互分割法对预处理后的图像进行分割；

S343：重建显示：对分割后的图像进行绘制，包括面绘制以及体绘制。

优选的，所述S4中，基于影像学血流动力学评估，包括以下步骤：

S41：三维重建：通过MIMICS软件进行三维重建，以最狭窄位置为对照组，通过GeomagicStudio软件，人为构造不同位置的狭窄；采用有限元方法，对脑动脉粥样硬化模型进行流体力学计算；

S42：网格划分：三维模型的网格划分在ANSYSWorkbench中完成，采用非结构四面体网格，经网格依赖性验证后将全局网格尺寸设定为0.5mm；

S43：Carreau模型的建立：Carreau模型使用曲线拟合将牛顿流体和剪切变薄非牛顿流体结合在一起；

S44：计算流体力学：采用计算流体动力学分析。

S45：计算参数：壁面剪应力、时间平均剪切应力、震荡剪切指数、相对滞留时间、平均螺旋度强度。

优选的，所述S42中，假设血管壁不发生变形，血液为不可压缩非牛顿Carreau流体，非牛顿流体粘度的幂律模型给出的粘度η随剪切速率γ的变化关系为：γ趋近于0时，η趋近于η0；γ趋近于无穷大时，η趋近于η∞。

优选的，所述S43中，Carreau模型的建立具体操作为：在Viscosity右边的下拉列表中选择carreau，CarreauMode面板随即打开，此时输入时间常数λ、幂律指数n、参考温度T0、零剪切粘度η0和无穷剪切粘度η∞，最后计算在非定常速度进口条件下的血流动力学参数变化规律。

优选的，所述S44中，计算流体力学的参数设计如下：血液为不可压缩的粘性牛顿流体，密度：1060kg/m3，粘性0.0035Pa·s，血液流动模式为层流。

与相关技术相比较，本发明提供的脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法具有如下有益效果：

本发明提供一种脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法，通过MIMICS软件模拟分析缺血性脑卒中患者核心梗死区和缺血区的密度体积以及表面积的具体数值，分析不同形态的差异性，为临床评估溶栓及血管内治疗提供更为具体化的数值，指导临床实践，为预后的评估提供较为直观的数据支持；可视化的评价脑卒中患者颅内动脉粥样硬化的狭窄情况，影像学特点以及血流动力学变化，有助于对病情进行评估，协助临床诊治；探索脑卒中患者血管以及灌注相关的影像学指标，为指导临床下一步实践和预后提供帮助。可协助开发与之相关的新的软件，进一步为临床医生操作提供指导。

附图说明

图1为本发明提供的脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法的流程图；

图2为本发明提供的脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法的患者入院行头颈部CTA+CTP检查图；

图3为本发明提供的脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法的使用Mimics软件来重建患者的三维血管图；

图4为本发明提供的脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法的分割后保留的颈总动脉、颈内动脉和颈外动脉图；

图5为本发明提供的脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法的将分割的血管计算成精确的3D模型图；

图6为本发明提供的脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法的对血管模型进行平滑处理后的图；

图7为本发明提供的脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法的网格划分后网格质量的优化图；

图8为本发明提供的脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法的壁面剪应力图；

图9为本发明提供的脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法的时间平均剪切应力图；

图10为本发明提供的脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法的震荡剪切指数图；

图11为本发明提供的脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法的相对滞留时间图；

图12为本发明提供的脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法的平均螺旋度强度图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

请结合参阅图1-12，其中，图1为本发明提供的脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法的流程图；图2为本发明提供的脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法的患者入院行头颈部CTA+CTP检查图；图3为本发明提供的脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法的使用Mimics软件来重建患者的三维血管图；图4为本发明提供的脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法的分割后保留的颈总动脉、颈内动脉和颈外动脉图；图5为本发明提供的脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法的将分割的血管计算成精确的3D模型图；图6为本发明提供的脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法的对血管模型进行平滑处理后的图；图7为本发明提供的脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法的网格划分后网格质量的优化图；图8为本发明提供的脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法的壁面剪应力图；图9为本发明提供的脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法的时间平均剪切应力图；图10为本发明提供的脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法的震荡剪切指数图；图11为本发明提供的脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法的相对滞留时间图；

图12为本发明提供的脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法的平均螺旋度强度图。脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法包括以下步骤：

S1：选取纳入患者：选取纳入急性缺血性脑卒中的患者，并收集相关的临床资料(性别、年龄、联系方式、高血压、糖尿病、冠心病、其它疾病)、实验室检查、临床功能评分以及影像学资料等。

S2：影像学分析：所有患者均完成头颈部CTP和CTA检查，

头颈部CT血管成像(CTangiography，CTA)为较为常见的血管评价工具，其临床应用较为广泛。它对于血管狭窄具有较高的敏感性和特异性，其主要的优点是成像快，不受运动伪影的影响[4]。

在脑卒中的发生过程中，准确预测梗死体积和缺血半暗带对选择合适的治疗方案意义重大。目前，临床中多通过MR灌注成像或CT灌注成像(Computedtomographyperfusion，CTP)等方式诊断缺血半暗带，其中，CTP具有分辨率高、成像时间较短、操作简便、治疗费用较低等优势，备受临床医师与患者青睐：可以对狭窄血管所支配区域脑灌注情况进行无创评价。头颅CTP可有效地观察卒中发生时的脑灌注情况，依靠不同的序列可直观发现梗死的核心区和周围缺血半暗带的变化。

CTP的参数有脑血流量(Cerebralbloodflow，CBF)、脑血容量(Cerebralbloodvolume，CBV)、平均通过时间(Meantransittime，MTT)、以及达峰时间(Timetopeak，TTP)。CTP的作用在于反映颅内血流灌注，也可鉴别可逆性缺血(缺血半暗带)与不可逆损伤梗死核心。CTP可在急性卒中发生后30min显示病灶。它能可以准确地检测患者急性大脑中动脉梗死范围分布的梗死核心。相对于梗死核心区域来说，“梗死核心+半暗带”在评价脑梗死中具有较高的精确性，灵敏性和阴性预测值。有研究认为CTA和CTP的测量结果可有效预测急性缺血性卒中患者的临床结局。

S3：影像学三维重建:我们采用三维重建软件MIMICS对影像学资料进行分析，分析脑卒中患者梗死核心区和缺血半暗带，并精确测量相应的体积及密度。

随着精准治疗更加深入人心，对于每个患者进行个体化的分析显得尤为重要。在影像信息中，CT及MRI等图像，根本上便是各种信息的综合，此类称为模拟数字图像。通常情况下，临床工作人员依靠一层一层的二维图像来评价病灶形态和大小，有时会对相应的诊断以及治疗产生困难。新的三维成像技术的出现比原本二维断层扫描平面包含着更多综合信息。3D图像可实现“个性化、精准化”的处理，此种精确的测量方式在现代化的临床工作中显得尤为重要。

本方法为临床工作提供更多、更数字化的客观信息，采用数字化方法探究患者头颅CTP和头颈部CTA检查的三维图像，分析相关病变区域的体积、表面积等变化，为每个患者提供精准化的评估方案，实现自动的高精准度的测量。创新点主要在于进一步的定量分析，获取临床相关参数，对比常规影像参数，可以更为直观的分析患者的临床转归和预后情况。

MIMICS软件(Materialise’sInteractiveMedicalImageControl Systern,MIMICS)便能较好的处理三维图像。此软件为欧洲国家比利时Materialise公司所研发的一套数字化医学影像软件，对于三维图像可高度整合和编辑，简单易用。MIMICS软件能较好的处理断层扫描图像，重建相应结构的三维形态，较为突出的功能是可以实现各种参数的评估，简单直接。它的主要应用过程：首先是建立三维有限元模型，然后通过计算机辅助设计(Computeraideddesign，CAD)、有限元分析(Finiteelementanalysis，FEA)和快速成型(Rapid prototyping，RP)等格式转换图像。目前MIMICS软件在医学领域主要应用在骨科中，对骨科手术进行术前的三维分析，在脑血管病领域应用尚未有广泛的开展。

MIMICS软件的主要优点如下：能够直接读取DICOM数据；简单实用；建模速度快，准确性好；简化轮廓线提取过程；目前的动物模型尚无法完全准确客观的表现脑卒中的病理生理学过程。因此采用新颖的影像学技术具有十分重要的价值。通过这种方式，临床医生能够更客观地对病变部位进行定位、定性、定量分析，随后采用相关诊疗方法、技术模拟，精确的评估病情变化，该方法可以为生物力学有限元分析提供精确的模型。

S31：计算参数：在头颅CTP中，分别对CBV、CBF、MTT、TTP等四种参数进行分析，在结果中通过MIMICS软件进行三维重建，计算出不同梗死区域的核心密度，体积以及表面积。

S32：预处理方法：将断层扫描结果以DICOM格式文件保存，之后在预处理方法上采用图像滤波、图像增强、图像插值等技术，将DICOM格式文件导入MIMICS软件中，在其中自动定义左(Left)、右(Right)、前(Anterior)、后(Posterior)等四种方位，手动定义断层图像顶端(Top)和底端(Bottom)两种方位。

S33：三维图像转化：在Mimics3-D功能中，依靠3D插补法，通过Calculate3D，在动态区生长(Dynamicregiongrowing)、阈值截点(Threshholding)、多层次编辑(Multiple-sliceedit)等计算方法修改原始蒙版，精准勾勒出各层的轮廓，以最佳(Optimal)选项开始模型运算，通过二维图像转变为3D模型。

S34：图像升维：之后采用体绘制法来重建图片，横断面图片可自动形成冠状面以及矢状面的图像。最后通过该软件自带的导出功能，将3D图像导出。我们主要通过以下重建方法来实现图像的升维：A.预处理图像：有图像增强、图像滤波、图像插值等方法。B.分割图像：通过半自动交互分割法，能方便快捷获取精确的重建三维模型。C.重建显示：包括面绘制以及体绘制。

S4：基于影像学血流动力学评估：我们采用患者的CTA图像进行血流动力学测定，评价脑卒中患者颅内动脉粥样硬化性狭窄的血流动力学改变。

S41：三维重建：通过MIMICS软件进行三维重建，以最狭窄位置为对照组，通过GeomagicStudio软件，人为构造不同位置的狭窄；采用有限元方法，对脑动脉粥样硬化模型进行流体力学计算，通过MIMICS软件模拟分析脑卒中患者颅内动脉粥样硬化狭窄的三维结构，分割后保留的颈总动脉、颈内动脉和颈外动脉。将分割的血管计算成精确的3D模型。网格划分后网格质量的优化。

S42：网格划分：三维模型的网格划分在ANSYSWorkbench中完成，采用非结构四面体网格，经网格依赖性验证后将全局网格尺寸设定为0.5mm。假设血管壁不发生变形，血液为不可压缩非牛顿Carreau流体，非牛顿流体粘度的幂律模型给出的粘度η随剪切速率γ的变化关系为：γ趋近于0时，η趋近于η0；γ趋近于无穷大时，η趋近于η∞。

S43：Carreau模型的建立：Carreau模型则使用曲线拟合将牛顿流体和剪切变薄(n<1)非牛顿流体结合在一起，从而达到模拟更大范围流体粘度的目的。在Viscosity(粘度)右边的下拉列表中选择carreau，CarreauMode(Carreau模型)面板随即打开。此时可以输入时间常数λ、幂律指数n、参考温度T0、零剪切粘度η0和无穷剪切粘度η∞。最后计算在非定常速度进口条件下的血流动力学参数变化规律。

S44：计算流体力学：采用计算流体动力学(Computationalfluid dynamics，CFD)分析：其参数设计如下：血液为不可压缩的粘性牛顿流体，密度：1060kg/m3，粘性0.0035Pa·s，血液流动模式为层流。

S45：计算参数：壁面剪应力(wallshearstress,WSS)：WSS指血液流动对血管壁产生的剪切力，即血流作用于血管内壁的摩擦力。时间平均剪切应力(Timeaveragewallshearstress,TAWSS)：指一段时间内剪切应力的积分均值，通过对单个心动周期内各个时间点的剪切应力进行积分计算得到时间平均剪切应力。可以分析在单个心动周期内平均剪切应力在血管壁面的分布特征。震荡剪切指数(oscillatoryshearindex,OSI)：OSI反映了单个心动周期内WSS的震荡程度，即剪切应力方向的变化，OSI的大小可以代表血液流动振荡水平的大小，即在某一个心动周期内剪切应力方向的剧烈变化水平，数值位于0-0.5之间，其数值越大就可以证实WSS方向变化越剧烈，甚至出现返流。相对滞留时间(relativeresidencetime，RRT)：相对阻滞时间代表了血液在血管壁周围的停滞时间，相对阻滞时间越高表示血流阻滞的时间越长，流速越慢，WSS则越低，是血流紊乱的标志。平均螺旋度强度(LNH)：计算在每个血管节段，速度和涡度矢量的内积范数的时间和体积平均值，以此量化螺旋流，并认为其是抑制血流紊乱的重要因素。

应用计算流体力学(Computationalfluiddynamics，CFD)方法结合血管影像研究人体血管的血流动力学状态已逐渐应用于科研和临床。计算流体力学是采用计算机数值的方法来求解流体力学的控制方程，实现对流体力学问题进行模拟和分析的科学，其中就包括有限元分析法。有限元分析法作为一种新生的生物力学研究方法已经显现出其独特的优势，它是根据变分原理求解数学上可描述的物理问题，可以解决一些较为复杂的情况(结构、材料性质和载荷等)。结合有限元分析方法与医学生物力学或能够更好解决临床问题。在本发明中，对相应血管进行分析，通过MIMICS软件进行三维重建。采用非牛顿Carreau流体，非牛顿流体粘度的幂律模型给出的粘度η随剪切速率γ的变化关系：γ趋于0，η趋于η0；γ趋于无穷大，η趋于η∞。Carreau模型采用曲线拟合联合牛顿流体和剪切变薄(n<1)非牛顿流体，实现模拟更大范围流体粘度，最后我们通过数学计算公式得出具体数值，指导临床应用。

目前数学模型在临床上有所开展，既往研究常在动脉瘤，冠脉等领域开展，方法成熟，操作较为简单，可行性较高。本发明拟研究血管的数学模型，为临床医学提供参考，具有十分重要的实践意义。

与相关技术相比较，本发明提供的脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法具有如下有益效果：

本发明提供一种脑卒中计算机精准模拟影像模型的建立方法，通过MIMICS软件模拟分析缺血性脑卒中患者核心梗死区和缺血区的密度体积以及表面积的具体数值，分析不同形态的差异性，为临床评估溶栓及血管内治疗提供更为具体化的数值，指导临床实践，为预后的评估提供较为直观的数据支持；可视化的评价脑卒中患者颅内动脉粥样硬化的狭窄情况，影像学特点以及血流动力学变化，有助于对病情进行评估，协助临床诊治；探索脑卒中患者血管以及灌注相关的影像学指标，为指导临床下一步实践和预后提供帮助。可协助开发与之相关的新的软件，进一步为临床医生操作提供指导。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。