基于颈动脉超声图像实现个体化斑块生物力学评估的方法

1.本发明涉及医学图像技术领域，特别是涉及基于颈动脉超声图像实现个体化斑块生物力学评估的方法。


背景技术：

2.根据《中国脑卒中防治指导规范(2021年版)》，脑血管病目前已跃升为国民死亡原因之首，其中脑卒中是单病种致残率最高的疾病。缺血性脑卒中占脑卒中发病人数的比值高达80％。而颈动脉粥样硬化斑块破裂是缺血性脑卒中的重要发病基础，判断斑块的稳定性对预防缺血性脑卒中有重要临床意义。斑块的稳定性不仅与斑块成分(易损斑块通常含有斑块内出血，大的脂质核，薄的纤维帽，斑块内炎症、溃疡等特征)有关，而且容易发生在血压较高时，并且还与管腔及斑块的形态有关。计算流体力学方法已经可以根据血管模型模拟血液的流动情况，但是把血管假设为刚性壁，这与实际情况是不相符的。流-固耦合方法将血管壁和斑块设置为弹性材料，可以计算斑块在血流作用下的受力与应变，判断斑块破裂的可能性，从而让预防性治疗成为可能。但是血管壁的真实模型往往难以获得，并且通过ct血管成像、磁共振成像、光学相干断层扫描技术等方式获得的三维血管模型计算量巨大且费时，难以广泛应用。另外，颈动脉周围的生物组织(颈动脉鞘等)具有一定的刚度，可以抵抗部分压力导致的动脉变形，因此斑块及血管壁力学分析应该加入颈动脉周围的组织。总之，基于颈动脉超声图像通过流-固耦合仿真实现个体化斑块生物力学评估的方法使血管壁符合真实情况并降低计算量。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的是针对现有技术的不足，提供一种基于颈动脉超声图像实现个体化斑块生物力学评估的方法，引入超声图像上获得的血管壁的真实轮廓，以患者特异性的血流速度和血压为边界条件，赋予血管壁和斑块原本的弹性特征并加入颈动脉周围的组织，通过流固耦合仿真得到斑块所受的应力、应变和位移大小，使得计算量降低并在二维模型上获得的斑块生物力学信息更加贴合实际情况；解决了流固耦合仿真时模型边界条件和血管壁的非个体化问题，以及使用计算流体力学方法时未考虑斑块及血管壁弹性和周围组织的约束等问题。该方法可以使流-固耦合方法评估斑块生物力学时的计算量极大降低，能被广泛用于超声长轴上各种类型的颈动脉斑块不同切面的评估。
4.为实现上述目的，根据本发明的一种具体实例，基于颈动脉超声图像实现个体化斑块生物力学评估的方法，包括以下步骤：
5.a.获取患者颈动脉斑块所在血管长轴的超声图像并测量近心端的血管内径；
6.b.获取多普勒超声上斑块近心端的血流频谱；
7.c.获得患者超声检查当天的收缩压和舒张压；
8.d.模型准备：根据超声二维图像生成对应的相同大小的二维血管和斑块轮廓，延长颈动脉使入口、出口均与动脉走行方向垂直(所述入口、出口以血液流动方向计，流入为
入口，流出为出口，延长出入口可使血流充分发展后进行计算)，并在最外侧加入颈动脉周围的组织轮廓(通常加入颈动脉周围1-2cm厚的组织)得到模型；
9.e.对模型进行网格划分：使用网格自适应操作构建网格，但网格质量应高于0.1；
10.f.流体域设置：选择血流区域为流体域，血流方式为层流，以超声测得的患者的周期血流速度为入口速度，患者超声检查当天的收缩压和舒张压的平均压力作为出口处的静压；
11.g.固体域设置：选择血管壁、斑块、周围组织为固体域，并设置血管壁和周围组织的自由边界。
12.h.材料设置：设置血液为各向同性、牛顿、不可压缩流体，设置其密度和粘度；分别设置血管壁、斑块和周围组织的材料密度、杨氏模量和泊松比。
13.i.流固耦合类型设置：单向耦合(固体上受到的流体载荷)。
14.j.计算设置：先进行流体域的瞬态求解，设置时间步长和结束时间；再设置与求解流体域相同的时间步长和结束时间，将每一时间步长的流体载荷都传递到固体上，进行稳态计算求解固体所受的应力、应变与位移大小；启动计算。(流体动力学分析需要对纳维-斯托克斯方程进行求解。结构力学分析时，对一个物理场的瞬态分析可以看作是准静态的。因此可以将其作为对多个静态载荷工况的参数化扫描，其中使用时间作为参数。)
15.k.结果显示：得到一个周期内每个时间步长对应的血液流动速度和血流压力，每个时间步长的血管壁和斑块受到的冯
·
米塞斯应力(von mises应力)、应变和位移。本发明的上述计算过程可以通过comsol软件实现，该软件具有轻松耦合不同物理场接口的功能，简化了建模工作。
16.本发明的有益效果：
17.1.本发明中获取患者颈动脉斑块所在血管长轴的超声图像并测量近心端的血管内径生成对应的相同大小的血管、管壁及斑块模型，以患者个体化的血流速度和血压做为模型的边界条件，并加入颈动脉周围的生物组织，使得到的斑块生物力学信息更加贴合患者的实际情况。
18.2.本发明基于超声二维图像通过单向流固耦合方法确定患者个体化颈动脉斑块的生物力学参数，该方法计算量减小，可以广泛使用在超声长轴上各种类型的颈动脉斑块不同切面的评估。
附图说明
19.为了对本发明的技术方案进行更清晰的描述，下面结合附图和实施例进一步说明。
20.图1是需要获取的患者颈动脉斑块所在血管长轴的超声图像。
21.图2a是根据超声二维图像生成对应的相同大小的二维血管和斑块轮廓，延长颈动脉使入口与动脉走行方向垂直(使血流充分发展)，最外侧加入颈动脉周围的组织轮廓(图2b)。
22.图3是生成的网格。
23.图4a获取的患者多普勒超声上斑块近心端的血流频谱，图4b为获得的一个心动周期的血流速度时间插值函数。
24.图5是心动周期中不同时刻点的血流速度、压力、血管壁和斑块的应力、应变及位移。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，清楚、完整地描述本发明实施例中的方法：
26.根据本发明的一个具体实例，基于颈动脉超声图像实现个体化斑块生物力学评估的方法，包括：a.获取患者颈动脉斑块所在血管长轴的二维灰度图像(图1)；
27.b.获取多普勒超声上斑块近心端的血流频谱(图4a)；
28.c.获得患者超声检查当天的收缩压为121mm hg和舒张压为79mm hg；
29.d.模型准备：根据原始超声二维图像提取对应的相同大小的二维血管(血管外径8.62mm)、血管壁和斑块的模型，延长颈动脉使入口、出口与动脉走行方向垂直(使血流充分发展后计算)，(图2a)，加入颈动脉周围的生物组织，如图2b；在comsol软件模型向导窗口中，单击二维。在选择物理场树中选择流体流动》流-固耦合》流-固耦合，固定几何。导入几何模型。
30.e.网格划分：最小单元大小：0.025mm，最大单元大小：1.2mm(如图3)。comsol软件中的网格自适应工具通常用来创建适合特定目的的网格，以使计算收敛并保证精度和减小计算量；
31.f.流体域设置：选择血流区域为流体域，血流方式为层流，瞬态，以超声测得的患者的周期血流速度为入口速度(图4b，该患者心率52次，则一个心动周期1.15s)，患者超声检查当天的收缩压和舒张压的平均压力13332pa(100mmhg)作为出口处的静压(图2b)；
32.g.固体域设置：选择血管壁、斑块、周围组织为固体域，并设置血管壁和周围组织的边界为自由边界。
33.h.材料设置：设置血液为各向同性、牛顿、不可压缩流体，其密度为1060kg/m3，粘度为0.0035pa
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s；设置血管壁、斑块和周围组织的材料密度、杨氏模量和泊松比如下： 密度(kg/m3)杨氏模量(mpa)泊松比血管壁10500.60.48斑块(脂质)10500.060.48周围组织12000.060.45
34.i.流固耦合类型设置：结构上的流体载荷(流体到固体的单向耦合)。
35.j.计算设置：步骤一：瞬态计算，设置时间步长0.01s和结束时间1.15s，并清除固体力学的求解选择；步骤二：稳态计算，清除层流的求解选择，设置与步骤一相同的时间步长0.01s和结束时间1.15s；步骤三：设置不求解变量的方法为步骤一,瞬态中的：解自动(所有解)。启动计算。
36.k.结果显示：得到一个周期内每个时间步长对应的血液流动速度和血流压力及血管壁和斑块受到的von mises应力、应变和位移，图5展示了收缩期峰值时刻(t＝0.1s)，和舒张末期时刻(t＝1s)的血液流动速度和血流压力及血管壁和斑块受到的von mises应力、应变和位移。
37.本发明中通过患者超声二维图像获取对应大小的血管、血管壁和斑块的模型，以患者个体化的血流速度和血压为边界条件，根据斑块成分设置对应的弹性材料，并加入颈
动脉周围的生物组织，使得二维模型上获得的斑块生物力学信息更加贴合实际情况。本发明提出的二维、瞬态、单向流固耦合方法，计算量极大降低，可以广泛应用在超声长轴上各种类型的颈动脉斑块不同切面的评估。本方法计算得到的血液流速、压力及管壁和斑块的所受的应力、应变和位移大小，可以帮助医生更好的评估斑块的稳定性，对患者进行及时防治。