文摘
为了分析血液流场的变化特征在脑动脉瘤支架植入前后,本研究首先构造一个优化迭代重建算法重建CT图像的脑动脉瘤患者,用它来解决图像清晰度的问题。此外,投影图像重建算法和傅里叶变换分析方法。根据脑动脉的患者的CT图像,提出了损伤的三维视觉方式通过重建的三维图像,从而实现模拟和仿真的影响。结果表明,敏感性、特异性和准确性的优化迭代重建算法分别为90.78%,83.27%,和94.82%,明显高于投影的图像重建算法和傅里叶变换分析方法,和数据具有统计上的显著差异( )。在操作之前,颈动脉瘤的血流速度是7.35×10−2m / s,出口速度为1.51×10−1米/秒,最大速度出现在上游出口的一部分。经过动脉瘤、血流速度开始逐渐降低,形成涡旋顶部的肿瘤。支架植入后,脑动脉瘤的脖子和出口速度是9.352×10−2m / s, 1.897×10−2分别m / s。血流的速度进入动脉瘤后,也没有涡旋顶部的动脉瘤。出口速度的动脉血管,支架置入前速度明显低于,支架植入后,差异具有统计学意义( )。与prestent相比,墙上的剪切力分布的脑动脉瘤明显下降,差异具有统计学意义( )。总之,盆底超声波基于混合迭代重建算法具有较高的精度在诊断脑动脉瘤血液流场的变化。CT图像的应用在脑动脉瘤的诊断可以客观地为临床实践提供图像数据,具有较高的应用价值。
1。介绍
心血管和脑血管疾病展示当今世界上死亡率最高。根据研究报告,超过一半的死亡在美国每年直接或间接引起的心血管和脑血管疾病(1]。近年来,在人们的饮食变化导致心血管和脑血管疾病的发病率增加。这也是增长最快的一个死亡原因在中国居民,所以烟民的年龄越来越年轻,甚至这种疾病的发病率。随着社会的进步和人民生活水平的提高,越来越多的人选择脑动脉瘤手术后疾病(2]。然而,传统的操作太复杂,死亡的风险高,和操作的成本是昂贵的,对人们造成巨大的经济压力。针对高风险和高成本的传统手术,是非常重要的发现简单,安全,低成本治疗(3]。与颅内动脉瘤介入材料和手术方法的发展,血管内介入治疗已成为颅内动脉瘤的重要治疗方法之一,和它的效果相当于颅骨切开术(4]。支架可以发挥辅助作用,不仅有利于致密栓塞的线圈,也有利于内皮生长和修复、可以提高肿瘤的血液流动载体动脉。颅内血管支架植入可以影响动脉瘤的血流动力学,降低动脉瘤的复发率,促进颈动脉内膜的形成,并达到解剖治疗(5]。
如今,有很多方法和设备来诊断疾病。根据不同的成像原理,他们可分为超声波成像技术,计算机断层扫描(CT)技术,核磁共振成像(MRI)技术,等等。这些检测方法可用于提取图像数据的组织、器官或系统在病人体内。它可以极大地扩大病人检查的范围和提高病变的检出率和准确性6]。CT为疾病的诊断和准确反馈具有灵敏度高、精度确定损伤的位置和损伤的大小和数量。它还产生一个可靠的促使大脑中影响周围组织浸润癌,所以它非常适合收集和研究脑动脉肿瘤的图像(7]。CT诊断有助于构建一个精确的和个性化的模型。很容易收集数据,和诊断成本相对便宜,所以被广泛用于脑动脉肿瘤。迭代重建CT图像重建的图像是另一种方法,基于CT探测器接收原始数据的过程可以表示x射线强度,解决了图像的像素值的矩阵,和恢复人体的解剖结构8]。混合迭代重建算法去噪由两部分组成:迭代最大似然恢复基于噪声分布和拟合图像数据的局部结构模型,可以大大减少无关的噪声(9]。因此,本研究将使用混合迭代重建算法重建和分析多层螺旋CT图像,以提高CT图像的质量和辅助诊断和治疗的效果。
总之,一个优化HIR算法构造和应用于图像分析颅内动脉瘤患者的研究。随后,采用逆向工程建立脑动脉瘤的物理模型,设计一个个性化的血管内支架模型,并分析了双向流固耦合支架植入术后得到速度矢量,流线,和壁面切应力,变形,和压力分布的动脉瘤模型,旨在提供一种理论依据临床脑动脉瘤破裂机制的分析。
2。材料和方法
2.1。研究样本的选择
在这项研究中,50例脑动脉瘤的病理诊断1月20日,2019年2月15日,2020年,被选为研究对象,收集所有这些患者的颅内CT图像基于优化的混合迭代重建算法。55岁以下的男性患者颈内动脉颅内动脉瘤的选择研究。研究了经医院伦理委员会批准。病人和他的家人知道了学习和签署知情同意书。入选标准如下:(1)患者诊断为脑动脉瘤的早期病理和影像诊断;(2)年龄在45至65岁;(3)病人没有得到其他近年来药物和抗生素;(4)患者凝血功能和血小板正常。排除标准如下:(1)其他系统或器官疾病患者;(2)没有收到合作治疗的患者因个人或其他因素;(3)患者临床数据和病历信息不完整。
2.2。脑动脉瘤的三维(3 d)重建
图像采集工作站使用GEAW4.6容积重建(VR)和最大强度投影(MIP)方法64片螺旋CT机从通用汽车(General Motors)。受者造影剂是400毫克/毫升,和高压喷丸的总剂量约为90毫升。层厚度是7毫米,层间距是4毫米,重建层厚度为0.6 mm,距约1.5毫米,分辨率为1400×750。
医学数字成像和通信(DICOM)数据导入利用模拟窗口和调整动态图像显示区域增长。动态阈值范围进行边界提取病灶和创建一个新的面具。三维模型的CT图像重建,修剪和平滑。逆向工程软件用于网格的表面网格动脉瘤动脉瘤壁的流场和表面,分别和网格质量低是修复,表面是平滑和输出。可以观察到在图的具体影响1。
(一)
(b)
2.3。其他理论
2.3.1。支架植入和脑动脉瘤流固耦合的解决方案设置
螺旋支架在本研究开发能满足机械性能,如径向支持力量,表面覆盖,可扩展性,纵向缩短率。支架的3 d建模包括四个金属线伤口逆时针顺时针和其他四个电线缠绕在一起。据文献报道,螺旋直径的圆形截面支架通常是0.13毫米,透光率约为78%。因此,圆截面螺旋支架是基于CT图像数据,和个性化的实体脑动脉瘤模型内提取颈动脉,血液被填充进固定模型,血液和血管支架合成,减少血液获得支架压力模型(如在图2)。
(一)
(b)
2.3.2。脑动脉瘤流固耦合的解决方案设置
液体部分,相关的研究(10]表明,只要带有动脉的直径大于0.5毫米,牛顿流体可以用相反的错误造成的非牛顿流体。在这项研究中,入口带有脑动脉的直径是2.5毫米,出口直径是1.8毫米,且出口直径的颈部肿瘤是1.25毫米,这都是大于0.5毫米。因此,一个统一的、不可压缩粘性牛顿流体可以用相反的非牛顿流体的简化模型。血液密度设置为1000公斤/米3,血液粘度将0.003 pa / s。根据雷诺数 (1),代表了流体密度,r代表着血管的内径,液体的粘度系数。雷诺数计算值满足< 2000。当地的动荡可能会出现在一些特定的条件下,但捏脑动脉的血流量基本上是上层。血液流动被模拟为绝热、不可压缩牛顿层流和不稳定稳定在一个弹性管。整个技术开始从静态流场的初始值在0和终止时稳定价值感到满意(11]。
设置的属性和边界的固体部分,动脉壁的几何变形是一个非常复杂的非线性变化的过程。为了简化计算,可以认为,动脉壁和肿瘤墙是线性的,各向异性,homoelastic材料,墙面是无滑动条件,这是设置避免速度为0,密度为1100公斤/米3,杨氏模量是2.8 MPa。墙上面两端的管壁采用固定支持;脑动脉壁的厚度和大小是已知的,和动脉瘤壁比动脉壁薄,所以选择了动脉瘤壁厚为0.1毫米。
2.4。建设HIR算法
HIR算法可以消除干扰图像,改善图像质量,减少辐射(12]。HIR算法的工作原理是减少噪音前后投影域。原理如图3。
这是证明了投影仪CT探测器接收的数据非常类似于高斯分布,和的均值和方差投影数据对数变换后符合以下方程:
在上面的方程中,Rk代表的意思是接收的数据的价值kth探测器单元,代表数据的方差。在传统算法、加权最小二乘格(WLSL)可以应用于减少图像噪声前后投影空间:
方程(2)是前面的迭代方程投影域,和(3)的迭代方程投影域。一个=是完整的矢量投影数据集,估计也从最初的形象,指的是衰减系数计算最后,l代表了投影矩阵,y代表的对数结果探测器测量数据(13]。
惩罚WLSL CT迭代算法引入了因为稍微光滑惩罚因子可以改善传统的最小二乘法的棋盘效应,确保收敛性能。目标方程给出了如下:
在(4),W代表的理想价值估计投影数据,代表了噪声方差矩阵,是投影试剂测定的数据,最后一学期吗是标志着惩罚因子,它可以控制收敛性能,然后呢可以调整程度的计算。
如果是认为我每个像素代表的指导价值的形象,J我在图像的中心像素值,Yj代表相邻像素的值一个ij称体重,然后最后迭代方程如下:
在前面的方程,k方程的迭代周期和表示一个和Y邻近地区的前面,后面,左边,并对集中在目标像素。预处理的关系投影数据和估计投影数据如下:
2.5。评价指标
在这项研究中,雇佣算法相比,过滤后的投影重建(FBPR)算法通过测量算法的重建图像的噪点和选择指标的准确性和灵敏度。具体给出了方程如下:
在(8)∼(10),一个,年代,Y指的准确性、敏感性和特异性,分别FT代表的数量准确预测,T代表病人的总数,P真阳性患者的数量,N和F被称为真阴性和假阳性患者的数量,分别W意味着假阴性患者的数量。
2.6。图像重建和效果评估
在这个研究,优化迭代重建算法被用来重建CT图像的脑动脉瘤,并用来解决图像清晰度的问题。此外,投影图像重建算法和傅里叶变换分析方法。根据脑动脉的患者的CT图像,提出了损伤的三维视觉方式通过重建的三维图像,从而实现模拟和仿真的影响。
2.7。统计方法
分析了本研究的数据处理SPSS19.0版本统计软件。测量数据被表示为平均值±标准偏差(±年代),统计数据表示形式的百分比(%),和t以及和χ2分别测试被用于比较。方差测试被用于治疗成功率,二次手术率和并发症的常规组和干预组。 意味着数据具有统计上的显著差异。
3所示。结果
3.1。HIR算法的分类性能
图4显示比较结果的灵敏度、特异性、准确性和运行时间的优化迭代重建算法与投影图像重建算法和傅里叶变换分析方法。可以得出结论,敏感性、特异性和准确性混合迭代重建算法的90.78%,83.27%,和94.82%,运行时间为15.18±2.19。敏感性、特异性和准确性的混合迭代重建法高于投影图像重建算法和傅里叶变换的分析方法,但运行时间较短( ),这表明CT图像下该算法可以提高医生的诊断。
(一)
(b)
3.2。基本数据的患者
共有50例脑动脉瘤患者选择为研究对象,其中包括27个男性和23岁女性,平均年龄为57.3±4.72岁。其中一个是一位55岁男性患者颈内动脉颅内动脉瘤。患者的一般信息如图5。
数据6和7显示脑动脉瘤形成的原理图和手术,和图8显示了样例病人的CT图像和三维重建图像与脑动脉瘤(55岁的男性病人)。可以得出结论,三维重建成像的脑动脉瘤患者的大脑中动脉显示动脉瘤位于额叶皮质早期分支(EFCB)。
(一)
(b)
3.3。仿真分析的脑动脉瘤支架植入前后
数据9和10表明,颈部的血液流速和支架置入前出口7.35×10−2m / s, 1.51×10−1m / s,分别的最大速度出现在上游部分出口,和血流速度逐渐开始减少通过动脉瘤后,形成一个漩涡的顶部肿瘤。支架植入后,流动速度的颈动脉瘤颈部和退出是9.352×10−2m / s, 1.897×10−2分别m / s。尽管血流速度大大改变,动脉瘤的血流速度没有显著增加。但该地区最大速度出现在肿瘤的脖子以下,进入动脉瘤后血流减慢,也没有涡旋顶部的肿瘤。壁剪切应力分布显示颈动脉瘤颈上的剪切应力墙支架植入术前大,墙和最大剪切应力达到3.187.35×103Pa。相比之下,血液流动的壁面切应力影响的网站,剪切应力在出口处,顶部的肿瘤,肿瘤的表面是相对较小。支架植入后,壁面切应力区域的远端肿瘤颈部明显减少,肿瘤的血流在顶部的身体慢慢地流淌,而壁剪切应力逐渐降低了,消失了。从理论上讲,剪切应力越大,材料抵抗破坏的能力越强。因此,剪切应力越大的肿瘤颈部植入前,肿瘤的增厚的脖子,越少的肿瘤动脉,这将最终导致肿瘤破裂。然而,剪切应力在植入后颈动脉瘤的削弱,减少脑动脉瘤破裂的可能性。墙上压力分布透露,在植入前,入口处墙压力大,瘤壁的压力也会增加,直到压力的肿瘤开始逐渐减少由于血流量的影响肿瘤的动脉结构。在支架植入后,瘤壁的压力并没有改变很大;也就是说,支架植入施加压力值影响不大,肿瘤远端壁和顶部的脖子。
墙上没有残余应力,应力在支架置入前入口和出口和支架植入术后基本上是相同的,但颈动脉瘤颈的变化和相对大支架植入后。变化的原因可能是脑动脉瘤支架植入术可以更好的减少肿瘤壁的破裂由于血流量的影响。残余应力时,动脉瘤壁的变形是一样的情况下不考虑残余应力。植入前的最大变形不考虑残余应力是8.152×10−2毫米,最大变形后植入1.073×10−2毫米,最大变形支架植入前后考虑残余应力是1.389×10−1毫米和1.998×10−1分别为毫米。基于上述,脑动脉瘤的墙变形的考虑残余应力大于不考虑残余应力在同样的条件下。因此,计算肿瘤壁变形的基础上,临床血管残余应力的考虑更符合实际情况。
3.4。支架植入后临床分析
在这项研究中,一位55岁男性患者颈内动脉颅内动脉瘤的显示术前DSA造影,显示血管狭窄的动脉瘤。螺旋支架植入后血管设计在这项研究中应用,CT成像进行了。结果表明,动脉血管最好扩张,血管的直径明显增大,血流速度在一定程度上提高(图11)。从临床的观点来看,头晕的症状,麻木,软弱也曾在一定程度上缓解。临床治疗效果验证仿真分析方法的可行性和可靠性的动脉瘤流场动力学数据。
(一)
(b)
图12显示了数值分析和比较的8例脑动脉支架置入患者之前和之后。支架置入前图表明,流率远远低于支架植入后,并且在统计学上也明显( )。脑动脉瘤壁剪切应力分布的肿瘤病人的支架植入前显示一个明显的减少趋势与植入之前相比,显示出统计学差异( )(图13)。此外,墙的压力分布并没有改变。支架植入后,脑动脉瘤壁表面的变形程度已经有所改善,使动脉瘤不容易破裂。的临床治疗结果与模拟实验中,这表明穷人脑动脉瘤的血流可以显著提高支架植入后。肿瘤的形态学的影响肿瘤墙上墙是分析脑动脉瘤的破裂机理,可为临床诊断和治疗提供理论支持和参考。
4所示。讨论
颅内支架植入是最常用的技术治疗脑动脉瘤,但是血液流场的血流动力学参数是否改善,支架植入后是否动脉瘤破裂的可能性减少目前仍然是最重要的临床问题。基于优化的混合迭代算法,本研究进行了三维建模的脑动脉瘤CT图像数据,进行瞬时双向固定耦合血液流动模拟,并获得相应的支架植入后血流动力学参数。结果表明,敏感性、特异性和准确性的混合迭代算法分别为90.78%,83.27%,94.82%,运行时间为15.18±2.19。敏感性、特异性和准确性的混合迭代重建法高于投影图像重建算法和傅里叶变换的分析方法,但运行时间较短( ),这是类似于Dunet et al。14]。
Karttunen et al。15)用CT数据结合模拟图像处理软件三维重建固体动脉瘤结构,并应用有限元分析软件获得动脉瘤血流动力学分布地图。大谷et al。16]做了一个脑动脉瘤稳定流分析不连续增长模式获得血流动力学因素的效用和定期改变在肿瘤的生长过程,提供了一个参考的分析动脉瘤生长和破裂。Mori et al。17]研究了数值模拟方法比较脑动脉瘤内血流动力学参数和脑动脉瘤生物行为在不同条件下,表现出较高的临床意义。在这项研究中,血流速度在颈部和支架置入前出口7.35×10−2m / s, 1.51×10−1m / s,分别的最大速度出现在上游部分出口,和血流速度逐渐开始减少通过动脉瘤后,形成一个漩涡的顶部肿瘤。支架植入后,流动速度的颈动脉瘤颈部和退出是9.352×10−2m / s, 1.897×10−2分别m / s。进入动脉瘤后血流减慢,也没有涡旋顶部的动脉瘤。支架植入前,颈动脉瘤颈上的剪切应力墙大,和墙上的最大剪应力达到3.187.35×103Pa。相比之下,血液流动的壁面切应力影响的网站,剪切应力在出口处,顶部的肿瘤,肿瘤的表面是相对较小。支架植入后,壁面切应力区域的远端肿瘤颈部明显减少,肿瘤的血流在顶部的身体慢慢地流淌,而壁剪切应力逐渐降低了,消失了。植入前的最大变形不考虑残余应力是8.152×10−2毫米,最大变形后植入1.073×10−2毫米,最大变形支架植入前后考虑残余应力是1.389×10−1毫米和1.998×10−1分别为毫米。基于上述,脑动脉瘤的墙变形的考虑残余应力大于不考虑残余应力在同样的条件下。因此,计算肿瘤壁变形的基础上,临床血管残余应力的考虑更符合实际情况。支架置入前流量远低于支架植入后,并且在统计学上也明显( )。脑动脉瘤壁剪切应力分布的肿瘤病人的支架植入前显示一个明显的减少趋势与植入之前相比,显示出统计学差异( )。这项研究的结果非常相似的结论冯和舒18),这表明支架植入后,脑动脉的血流动力学参数与支架植入前相比发生了很大的变化。支架的植入可以明显降低动脉瘤壁剪切力的脖子,可提高动脉瘤血液流场分布。
5。结论
一个优化HIR算法构造和应用的三维重建CT图像数据敏感性,后准确性,特异性测试。发现CT图像分析基于雇佣算法表明,支架植入术可以大大减少动脉瘤颈的剪切力和提高动脉瘤的血液流场的分布。剪力墙的主要血流动力学因素导致脑动脉瘤的破裂。本研究可以为进一步研究提供参考复杂的脑动脉瘤和其治疗计划。然而,在这项研究中有一些缺陷。其他算法的实验过程缺乏控制实验。因此,实验结果有一定程度的主观性。此外,研究样本较少,测试结果不适合大规模的使用。在未来的工作中,它将进一步进行比较实验充分了解CT图像在这个算法的优化方法,以获得更完美的结果和理论基础。总之,盆腔超声基于雇佣算法显示诊断精度高的变化在脑动脉瘤血液流场,并应用CT图像的诊断脑动脉瘤可以客观地提供临床成像数据,显示出较高的应用价值。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
作者的贡献
昆宝和曹国伟刘贡献了同样的工作。
确认
这项工作是支持的科研项目的健康委员会四川省(没有。19 pj296)。