用于仿真支架释放接触的位形的方法、计算设备和介质与流程

本发明概括而言涉及医学图像处理领域，更具体地，涉及一种用于仿真支架释放接触的位形的方法、计算设备和计算机可读存储介质。

背景技术：

1、随着动态医学影像技术的应用，如多维动态ct（计算机断层扫描，computedtomography）、4d核磁成像等，为基于影像技术的血管支架释放于血管时的力学分析提供了可能。

2、基于传统有限元仿真技术的血管支架释放模拟，数值求解难度大，计算时间成本高。求解难度大表现在，血管支架释放模拟中容易出现诸多数值问题（尤其对于隐式静力学求解），如接触检测失效引起的穿透，接触刚度过大引起的总刚条件数病态，大变形行为引起的单元畸变，支架结构失稳引起的总刚非正定性等等。因此，在完成一次有效的案例计算之前，技术人员需要进行多次的问题排查和模型调试，这对人员的专业能力和工程经验要求很高。计算时间成本高表现在，该类问题的模型自由度很高，在刚度矩阵组合和线性系统求解上将花费大量时间，因此对计算机硬件资源的要求也很高。

3、从目前公开的专利、论文以及商业技术等方面来看，血管支架释放仿真手段主要分为两类：基于简化模型的快速模拟和基于有限元仿真技术的高精度模拟。对于基于简化模型的支架释放快速模拟，主要是采用基于单纯形网格的快速虚拟支架方法，这类方法并不涉及任何连续介质力学模型，且常常将血管壁当成刚性结构来处理，因此物理准确性的差距很大。对于基于有限元的支架释放模拟，专利cn?113974829?a提出的血管支架植入方法，给出模型的提取到支架模拟的一种流程，其中的支架的模拟计算是基于有限元模型。专利cn?112716601?a给出的支架释放模拟方法同样是基于有限元求解，只是它更加具体的给出了支架压握、输送、释放等过程的工况设置方法。专利us20190251866a1是基于有限元分析给出的血管内治疗器械仿真建模方案，涵盖了详细的计算模型的设置方案，包括：单元类型设置、本构模型设置、以及接触模型设置、不同几何载荷条件设置等，并且通过云服务的高性能计算系统完成计算。以上提到的相关专利全是基于现有的有限元技术进行的工程应用，并没有从底层算法角度进行创新。

4、然而，从计算力学角度看，支架释放的模拟计算，包含了物理非线性（血管组织的材料非线性、球扩支架的塑性行为）、几何非线性（血管组织大变形）、边界非线性（血管组织与支架的接触），如此之多的非线性问题给数值计算带来极大困难。因此对于个性化血管模型的支架释放问题，尤其是对于能够充分考虑其它血管组织（如主动脉瓣膜、钙化、斑块等等）影响的仿真技术，研发难度很大，有效的工程或医学应用技术难度极高。就已有的仿真技术而言，几乎都是采用传统有限元计算，若对个性化病变血管模型进行模拟，极易造成有限元计算中刚度矩阵的病态甚至奇异，引起收敛性、稳定性、准确性等问题，进而导致计算失败。为了降低以上问题发生的概率以及接触检测失效的风险，往往需要对模型的网格进行细化处理（减小单元尺寸，增加单元数量），如此一来又大大增加了计算成本。另外，传统仿真技术中的离散碰撞检测方式，无法满足大时间步长的接触计算需求，且对于模型几何突变处的接触检测容易失效。

5、因此需要一种更加可靠的可确定支架相对于血管释放位置的方法。

技术实现思路

1、针对上述问题中的至少一个，本发明提供了一种用于仿真支架释放效果的方法。例如通过输入的主动脉cta(ct血管造影）不同期象的数据进行三维模型重建，模拟支架在血管中释放的物理效果，给出支架与血管壁的贴合程度、以及支架的径向支撑力、支架血管变形程度等关键信息。

2、根据本发明的一个方面，提供了一种用于仿真支架释放接触的位形的方法，其特征在于，包括：基于带约束的势能最小化模型构建接触模型；基于隐式时间积分和线性四面体单元推导离散格式；基于数值优化算法进行离散格式的迭代计算，迭代计算包括：获取支架和血管系统的初始迭代位形，包括：基于上一时间步（或初始时间步）的系统位形确定当前时间步预估位形，作为初始迭代位形；基于所获取的初始迭代位形或上一迭代步的位形，计算对应于下一迭代步的系统位形，计算对应于下一步的系统位形包括：基于初始迭代位形或上一迭代步的位形，计算当前迭代步的全局内力向量和全局刚度矩阵；基于所确定的全局内力向量和全局刚度矩阵，建立当前迭代步的线性系统；求解所述线性系统，从而获取对应于当前迭代步的位形；迭代计算支架位形，直到满足预定的收敛条件，从而将满足收敛条件的支架位形确定为支架释放接触的最终位形。

3、在一个实施例中，确定当前步的预估位形包括：基于所确定的外力加速度、时间步长、节点速度和上一步时间步或初始时间步的血管支架位形，确定所述系统的预估位形。

4、在一个实施例中，计算当前迭代步的全局内力向量和全局刚度矩阵包括：确定所述模型的空间坐标；基于所确定的模型的空间坐标，计算所述系统的单元应变势能梯度和单元应变势能海森矩阵；基于所计算的单元应变势能梯度，计算所述系统的弹性内力向量；以及基于所计算的单元应变势能海森矩阵，计算所述系统的弹性刚度矩阵。

5、在一个实施例中，计算支架与血管间的全局内力向量和全局刚度矩阵还包括：基于宽相碰撞检测，确定在所述预估的支架释放位置上所述支架的模型与血管模型的候选碰撞候选约束对；基于窄相碰撞检测和预定义的接触容差条件，遍历所述候选碰撞约束对，以确定包括不同类型的碰撞约束对；以及基于所确定的碰撞约束对和连续碰撞检测算法，确定用于迭代的支架释放位置的迭代步长。

6、在一个实施例中，计算支架与血管间的全局内力向量和全局刚度矩阵还包括：基于包括预定义障碍因子的障碍函数以及所确定的碰撞约束对的类型，确定接触内力向量；基于所述障碍函数的海森矩阵以及所确定的碰撞约束对的类型，确定接触刚度矩阵；组装所述弹性内力向量和所述接触内力向量，从而获取支架与血管间的全局内力向量；以及组装所述弹性刚度矩阵和所述接触刚度矩阵，从而获取支架与血管间的全局刚度矩阵。

7、在一个实施例中，建立当前迭代步的线性系统包括：将所述全局刚度矩阵作为线性系统的右端项并将所述全局内力向量作为线性系统的右端项，从而建立以模型节点坐标为变量的线性系统。

8、在一个实施例中，迭代计算支架位形包括：基于所建立的线性系统，确定对应于当前迭代步的全局刚度矩阵和弹性刚度矩阵下的系统节点位移增量；基于所计算的系统节点位移增量，计算当前迭代步的系统节点坐标。

9、在一个实施例中，迭代计算支架位形还包括：确定迭代计算的收敛容差；在迭代计算之前，计算当前迭代步下系统节点位移增量的无穷范数；响应于所计算的迭代步下系统节点位移增量的无穷范数大于所述收敛容差，继续循环迭代计算；以及响应于所计算的迭代步下系统节点位移增量的无穷范数小于所或等于述收敛容差，停止迭代计算，输出当前迭代步的系统节点坐标，从而确定当前时间步下的系统位形。

10、根据本发明的另一个方面，提供了一种计算设备。该计算设备包括：至少一个处理器；以及至少一个存储器，该至少一个存储器被耦合到该至少一个处理器并且存储用于由该至少一个处理器执行的指令，该指令当由该至少一个处理器执行时，使得该计算设备执行根据上述方法的步骤。

11、根据本发明的再一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序代码，该计算机程序代码在被运行时执行如上所述的方法。

12、利用以上技术手段，基于能量最优化模型，实现了一种血管支架释放模拟的仿真算法技术方案。方案极大提高数值计算的稳定性、收敛性和效率?；诟盟惴ㄉ杓频娜砑?，能够运用于科研、临床、工程研发等领域，如辅助医生（非工程技术人员使用）进行介入手术预案的制定，加速企业研发人员的产品迭代。