专利名称：从动脉瘤的三维模型预测动脉瘤的物理特性的系统和方法
技术领域：
本发明总体上涉及从动脉瘤的三维模型预测动脉瘤的物理特性的系统和方法。
背景技术：
大脑动脉瘤是往往出现在脑底动脉环(Willis Circle)中动脉分叉附近的大脑动脉的病理扩张，且通常由弱化的血管壁引起。最严重的结果是，特别是若患者的血压升高，动脉瘤破裂导致颅内溢血并且可能导致死亡。目前对动脉瘤的起源、生长和破裂的机理还没有深刻的了解。
三维旋转血管造影术(3DRA)是用于人体中血管成象的相对较新的技术。从旋转数字减法血管造影术数据产生的重建的3D高分辨率图象虑及到潜在的引人关注的定量研究。数字减法造影术(DSA)是用于头颅的动脉瘤的描述和动脉瘤的尺寸、颈和与血管树的关系确定的标准。三维旋转血管造影术(3DRA)产生最大强度的投影(MIP)和逐渐变暗的表面显示(SSD)图像，这些图像提供从旋转DSA产生的三维可见数据。这些高分辨率的大脑动脉瘤的图象可从任何所希望的角度观察并且至少在理论上可估计动脉瘤的体积。
在(大脑的)血管干预期间，为了选择对患者的正确的治疗，评估动脉瘤的尺寸和特性是最主要的。不过，动脉瘤的3DRA的重建通常仅提供有关这种病理学的几何形状信息。为了获得更多的信息，建立用于描述动脉瘤的机械和物质的行为的模型是必要的。在Hector V.Ortega所著的《计算机模拟辅助预测大脑动脉瘤》(http//www.fluent.com/solutions/articles/ja071.pdf)一文中，论述了精确地模拟动脉瘤内的血液流动有助于研究人员预测动脉瘤的生长方式和破裂危险。该文说明任何动脉瘤的行为取决于它的几何形状和血液动力，并且考虑到动脉瘤的自身特性，例如几何形状、血液流动特性、血液浓度、粘度和速度，建议将计算机模拟技术用于动脉瘤的研究。不过，这种技术涉及给定的动脉瘤内的血液流动的模拟，该动脉瘤具有给定的几何形状并使用已测定的生理参数。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于预测动脉瘤壁的物理特性的系统和方法，即未知的动脉瘤壁的生理参数，以向医生提供有关病理学的患者特有的其它信息，以帮助制定治疗计划。
根据本发明，提供一种用于分析动脉瘤特性的系统，该系统包括成象装置，该成像装置用于产生这种动脉瘤的三维图示；模拟装置，该模拟装置用于产生模拟动脉瘤形状并将这种模拟动脉瘤形状近似到该动脉瘤的三维图示，以产生该动脉瘤的模拟图示，这种模拟图示具有与其相关的数据，这些数据限定与模拟图示相关的一种或多种物质特性分布；以及数据输出装置，这些数据表示源自模拟图示的动脉瘤的一种或多种物质特性。
根据本发明，提供分析动脉瘤的特性的方法，这种方法包括产生这种动脉瘤的三维图示；产生模拟动脉瘤形状并将这种模拟动脉瘤形状近似到该动脉瘤的三维图示，以产生该动脉瘤的模拟图示，这种模拟图示具有与其相关的数据，这些数据限定与模拟图示相关的一种或多种物质特性分布；以及输出表示源自模拟图示的动脉瘤的一种或多种物质特性的数据。
这样，就可以通过使模拟图示(有一套与这种模拟图示有关的估计或预测生理参数)适合于动脉瘤的三维图示然后将合成的模拟图示的生理参数分配给动脉瘤本身来预测动脉瘤的未知生理参数。动脉瘤的这些生理参数或物质特性可包括几何常数、血管的弹性蛋白部分的弹性常数、各向异性数据以及生长参数等，几何常数如壁的厚度，血管的弹性蛋白部分的弹性常数如杨氏模量或泊松比，各向异性数据如胶原纤维方向和对应的硬度(对于血管的每层而言)，生长参数如胶原增厚和伸长时间常数。本领域中熟练的技术人员会理解，这些参数取决于选择用于动脉瘤壁的物质模型的具体类型。
有利的是，成象装置包括三维旋转血管造影术(3DRA)装置。在优选实施例中，模拟装置包括有限元方法(FEM)模拟包，这种模拟包有利地采用描述动脉瘤壁的行为的非线性构成模型。在优选实施例中，通过对模拟图示与三维图示进行迭代比较(iteratively comparing)并利用合成差异度量(resultant different measure)来估计新的物质特性将模拟图示近似到三维图示，然后重复模拟过程以产生新的模拟图示。
可将三维图示和表示相应的动脉瘤的一种或多种物质特性的数据同时显示。可设有装置来进行与三维图示有关的一种或多种几何测量，可将这些几何测量值结合在模拟过程中，以产生模拟图示。
从下面描述的实施例就会明白本发明的这些和其它方面，且通过参考下面描述的实施例对本发明的这些和其它方面进行说明。
现仅通过示例的方式对本发明的实施例进行描述，并参考附图，在这些附图中图1示出了通过FEM技术模拟的动脉瘤的示范性表面网；图2a和2b是分别示出了动脉瘤的形成之前和之后的血管的一部分的示意图，动脉瘤在血管壁的弱化点形成，血管壁已经受一定的血压；图3是动脉瘤壁的非线性构成模型的示意图；图4a、4b和4c示意性地示出了使动脉瘤的模拟图示适合于所研究的动脉瘤的观察到的图示所涉及到的步骤；以及图5是示出了根据本发明的示范性实施例的方法的原理步骤的示意流程图。
具体实施例方式
本发明基本上涉及血管壁的弱化是动脉瘤形成的主要原因的情形。通常将本发明中的系统布置成和构造成得到物理模型并进行数值模拟，目的在于预测如大脑囊状动脉瘤的形成所涉及的机械和几何量，这些数值模拟以高级特性理论为基础。
在第一种情形中，已通过利用有限元软件包如Mart/Mentat 2000进行动脉瘤形成的数值模拟确定了囊状动脉瘤的类似于颈的几何尺寸可通过利用机械特性的分布来进行解释，以使这种几何尺寸在其中心弹性弱化，但在其边界附近基本上还与母体血管一样硬，如可从图1中看出的那样，该图示出了通过有限元方法(FEM)模拟的动脉瘤，这种有限元方法(FEM)说明了总的最大张力，动脉瘤在不同的位置经受这种张力。可以看出，最大张力出现在圆顶10，然后在底部12周围稳定地减小，并且在颈14基本上还与母体血管16一样硬。已通过将前面所提及的机械特性分布用于模拟血管16的弱化弯曲圆形区域18的变形确定了典型的动脉瘤形状开始逐渐形成。
本领域中熟练的技术人员会明白，动脉瘤壁表现出非线性弹性行为，这部分地是因为如张力变得太大时，就会出现胶原活化，胶原活化改变动脉瘤壁的弹性特性。因此，非线性行为和机械不稳定可在动脉瘤的逐渐形成期间出现，这种机械不稳定可用于预测可能的破裂。这样，在模拟过程中有必要使用实际非线性构造模型，如示于图3中的简化模型，这种模型在张力变得太大时结合胶原活化。图3非常简单地示出了血管壁中的位移和张力变得(非常)大时张力硬化(或软化)时怎样出现的，且该图仅是这种行为的示例。图中示出了若左边的弹簧中的力变得大于某个值时，另一个弹簧起作用并具有不同的弹性常数，从而导致总体结构的较硬或较软的行为。本领域中熟练的技术人员会明白这种模型和动脉瘤壁的其它非线性构造模型。
因此，参看图2a和2b，模拟从最初的健康的血管壁开始，且可用于在一定的血压P的影响下改变血管壁的弱化点18的血管壁特性时模拟动脉瘤20的生长，以使对于任何一定的模拟动脉瘤来讲，与估计的或预测的动脉瘤的血管壁特性相关的数据会与这种模拟相关联，通过改变模拟中的物质特性，以相应地改变模拟动脉瘤的形状。
因此，本发明涉及所称的“反问题”的研究，并采用三维图象数据如三维旋转血管造影术(3DRA)与模拟结果的组合。一般而言，“反问题”涉及通过改变模拟图示中的物质特性以达到所要求的变化来使模拟图示适合于“反问题”的三维图示。所以，参看图4a，最初的模拟图示20a甚至并不与进行研究的动脉瘤的3DRA图示20b严格类似，因此，将模拟中的物质特性改变以提供更严格地与3DRA图示20b严格类似的模拟图示20a，如图4b所示。若有必要，可将物质特性改变多次，以使模拟图示20a尽可能严格地与3DRA图示20b近似，如图4c所示。
由于物质特性的分布确定应与所观察到的通过三维旋转血管造影术扫描获得的3DRA几何尺寸尽可能严格地类似的模拟图示的形状，所以物质特性的这种分布可提供进行研究的动脉瘤的物质特性的患者特有的估计，以及进行研究的动脉瘤的临床上相关的机械和几何特性的更实际的估计。
参看图5，流程图示出了前面所描述的“反问题”技术的原理步骤。首先进行血管次序，医生通过这种血管次序在步骤202获得旋转血管分布，然后将这种旋转血管分布发送到3DRA站以在步骤204进行重建，以提供观察到的动脉瘤图示206。下一步，利用在相同的工作站上运行的有限元方法(FEM)模拟210并采用非线性构造模型212如在图3中示出的非线性构造模型来计算模拟图示208，包括相关联的几何尺寸以及应力和应变。
将模拟图示208与观察到的图示206进行比较，并将差异214用来估计用于模拟的新的物理和物质特性，且在步骤216相应地自动更新物质参数。重复这个步骤直到模拟图示足够地严格近似于所观察到的图示。这个过程的结果是动脉瘤的物理数据集218，除了几何3DRA数据之外，物理数据集218也可在步骤220显示，并可能在正常的3DRA视图之后。还可提供另外的信息，这些信息可在制订治疗计划时向医生提供支持。例如，可(以与提供与血管造影照片有关的狭窄程度的方式类似的方式)计算并显示动脉瘤严重程度。可从3DRA图示获取另外的IVUS测量值，且可将这些IVUS测量值结合到模拟包中，例如，可以这样进行以将血管和动脉瘤壁的厚度信息包括在FEM模拟之中。IVUS代表血管内超声，在这种血管内超声中，将声波变换器引入血管中，通过这种声波变换器可获得更详细的血管壁结构和血管壁的内在特征，例如，血液、血栓、软斑和不同的血管层。这种信息是3DRA图象之外附加的并通常仅示出(3D)内腔。
因此，前面所描述的本发明的实施例包括3DRA应用的适应变化，有限元方法(FEM)包结合在这种适应变化中，这种有限元方法(FEM)包可将重建的3DRA体积的表面网读入，以产生FEM网，这些FEM网可严格地近似到所观察到的动脉瘤并可用于后面的对进行研究的动脉瘤的物理特性的分析。
本发明可用于配有3DRA工作站的X光系统，但也可用于成象系统，如MR和CT。
应注意到，前面所提及的实施例对本发明进行说明而不是进行限制，且本领域中熟练的技术人员能够多种替代实施例，而并不背离由所附的权利要求书所限定的本发明的范围。在权利要求书中，放在括号内的任何参考符号不应解释为对权利要求书进行限制。词语“包括”和类似的词语并不在总体上排除除了列于任何权利要求中的元件或步骤以外的元件或步骤。元件的单数涵义并不排除这种元件的复数涵义，反之亦然。可通过包括一些不同元件的硬件并且可通过适当编程的计算机来实施本发明。在列出几种设备的装置权利要求中，这些设备中的一些可以由硬件中的一个和相同的项目来体现。仅在相互不同的从属权利要求中引用某些度量并不表明这些度量的组合不能够用来产生良好的效果。
权利要求
1.一种用于分析动脉瘤(20)特性的系统，所述系统包括成象装置(202、204)，所述成像装置(202、204)用于产生所述动脉瘤(20)的三维图示(206)；模拟装置(210)，所述模拟装置(210)用于产生模拟动脉瘤形状(208)并将这种模拟动脉瘤形状近似到所述动脉瘤的所述三维图示，以产生所述动脉瘤的模拟图示，所述模拟图示具有与其相关的数据，所述这些数据限定与所述模拟图示相关的一种或多种物质特性分布；以及数据输出装置(220)，所述这些数据表示源自所述模拟图示的所述动脉瘤(20)的一种或多种物质特性。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述成像装置(202、204)包括三维旋转血管造影术(3DRA)装置。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述模拟装置(210)包括有限元方法(FEM)模拟包。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于所述模拟包采用描述动脉瘤壁的行为的非线性构成模型(212)。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于通过将所述模拟图示与所述三维图示进行迭代比较并利用合成差异度量来估计新的物质特性来将所述模拟图示近似到所述三维图示，然后重复所述模拟过程以产生新的模拟图示。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于可将所述三维图示和表示相应的动脉瘤(20)的一种或多种物质特性的数据同时显示。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于包括进行与所述三维图示有关的一种或多种几何测量的装置，可将所述这些几何测量值结合在所述模拟过程中，以产生模拟图示。
8.一种分析动脉瘤(20)的特性的方法，所述方法包括产生(202、204)所述动脉瘤(20)的三维图示(206)；产生(210)模拟动脉瘤形状(208)并将所述模拟动脉瘤形状(208)近似(214、216)到所述动脉瘤的所述三维图示(206)，以产生所述动脉瘤(20)的模拟图示，所述模拟图示具有与其相关的数据(218)，所述的这些数据(218)限定与所述模拟图示相关的一种或多种物质特性分布；以及输出(220)表示源自所述模拟图示的动脉瘤(20)的一种或多种物质特性的数据。
全文摘要
一种三维旋转血管造影术(3DRA)系统，有限元方法(FEM)包结合在这种系统中，这种有限元方法(FEM)包可将重建的3DRA图象的表面网(20b)读入，以产生FEM网(20a)，在迭代过程中，通过改变用于产生动脉瘤的模拟图示(20a)的物质特性，可将这些FEM网(20a)严格地近似到所观察到的动脉瘤(20b)。因此，严格近似的模拟图示(20a)的物质特性可用于后面的对进行研究的动脉瘤的物理特性的分析。
文档编号G06F19/00GK101080201SQ200580043324
公开日2007年11月28日 申请日期2005年12月14日 优先权日2004年12月17日
发明者P·M·J·龙根, R·苏尔蒙德, R·P·J·赫曼斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司