本申請主要涉及生物醫(yī)學工程仿真領(lǐng)域，尤其涉及一種用于心臟消融方案評估的仿真系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、某些類型的心律失常是由心臟電系統(tǒng)局部異常區(qū)域引起的，通?？梢圆捎蒙漕l消融術(shù)，對該異常區(qū)域加以干預，以消除心律失常。為了確定消融點位，通常需要采用侵入式心電檢測器械進行起搏刺激，檢測電生理信號，然后根據(jù)電生理信號確定消融點位。目前由于技術(shù)和原理的局限，消融的效果往往存在不確定性，心律失常有著不小的復發(fā)比例。對于復發(fā)患者，前述的侵入式起搏和檢測又需要再次進行一遍，這樣的過程對于患者無疑是十分痛苦的。目前，對于非侵入式的無創(chuàng)電生理也有一些技術(shù)路徑的發(fā)展，通常是通過比較多的電極，在軀干表面采集多導聯(lián)的心電信號，然后通過傳導矩陣，以心電逆問題的形式反推心外膜動作電位時相圖分布，進而對病灶和消融方案進行評估。

2、然而，心電逆問題的相關(guān)技術(shù)面臨著原理和精度上的困難。原理上，心電逆問題依靠邊界元方法，計算心外膜和軀干體表幾何網(wǎng)格之間的傳導矩陣，以建立對應網(wǎng)格上電勢之間的關(guān)系。傳導矩陣的計算對于幾何網(wǎng)格的精度及其敏感，并且受到病人自身胸腔、肺等其他器官生理參數(shù)的干擾，導致得到的傳導矩陣精度有限。此外，逆問題求解的方程是嚴重欠定的方程，這使得數(shù)值解在計算時嚴重不穩(wěn)定。軀干體表的電極精度和數(shù)量作為輸入?yún)?shù)，對于欠定方程而言始終無法達到消除這種不穩(wěn)定性所需要的準確度。

3、因此，逆問題所得到的解能夠滿足的精度非常有限。如果以此來預測心律失常病灶點，其準確性并不可靠，因此這種無創(chuàng)評估消融點位的方案也就無法精確得到病灶的位置。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本申請針對上述技術(shù)問題，提供一種能夠更為精確地模擬實際心肌纖維電生理活動的仿真系統(tǒng)。

2、為解決上述技術(shù)問題，本申請?zhí)峁┝艘环N用于心臟消融方案評估的仿真系統(tǒng)，包括：圖像獲取模塊，用于獲取多幅胸腔圖像，所述胸腔圖像中包含心臟造影圖像；三維網(wǎng)格重建模塊，用于對所述多幅胸腔圖像進行消融點的標注，并通過有限元的方法獲得心臟三維網(wǎng)格，所述消融點包括將要實施消融的預估消融點，和/或，已經(jīng)實施過消融的實際消融點；纖維旋向計算模塊，用于根據(jù)所述心臟三維網(wǎng)格計算心肌纖維旋向，獲得所述心臟三維網(wǎng)格上的每個網(wǎng)格點對應的心肌纖維旋向的方向向量；電生理參數(shù)仿真模塊，用于根據(jù)電生理參數(shù)、網(wǎng)格點的幾何位置、網(wǎng)格點對應的纖維旋向?qū)π呐K動作電位激動過程進行仿真，其中，所述電生理參數(shù)包括細胞層面參數(shù)和組織層面參數(shù)，所述細胞層面參數(shù)包括離子通道的電流參數(shù)，所述組織層面參數(shù)包括不同心臟區(qū)域的電導率、起搏刺激參數(shù)和根據(jù)所述心肌纖維旋向的方向向量設(shè)置的電信號的傳播速率；動態(tài)模擬模塊，用于根據(jù)所述心臟動作電位激動過程對心臟電信號進行仿真，獲得動態(tài)仿真結(jié)果。

3、在本申請一實施例中，所述胸腔圖像包括lge-mri增強圖像。

4、在本申請一實施例中，所述三維網(wǎng)格重建模塊還用于對所述多幅胸腔圖像進行分割，分割的邊界包括左心室心內(nèi)膜、右心室心內(nèi)膜和心外膜。

5、在本申請一實施例中，所述纖維旋向計算模塊基于ld-rb算法來根據(jù)所述心臟三維網(wǎng)格計算心肌纖維旋向。

6、在本申請一實施例中，所述電生理參數(shù)仿真模塊基于離子通道模型獲得所述心臟三維網(wǎng)格上的每個網(wǎng)格點對應的離子通道的電流參數(shù)。

7、在本申請一實施例中，所述電生理參數(shù)仿真模塊根據(jù)分割的所述胸腔圖像來確定所述心臟三維網(wǎng)格中不同區(qū)域的電導率，其中，所述消融點對應的電導率不同于正常心肌細胞對應的電導率。

8、在本申請一實施例中，所述消融點對應的電導率為0。

9、在本申請一實施例中，所述起搏刺激參數(shù)包括程序期前刺激方案對應的參數(shù)，所述程序期前刺激方案被配置為包括：

10、步驟1：選擇刺激點的位置；

11、步驟2：使用s1s2刺激，刺激序列包括由周期長度為t1的起搏刺激s1在刺激點連續(xù)刺激6次，在最后一次s1刺激后，施加一個s2刺激，所述s2刺激的周期長度為t2，若s2刺激之后沒有誘發(fā)異常，則將s2刺激的周期長度t2按照預設(shè)步長遞減，循環(huán)施加s2刺激，直到誘發(fā)異常；

12、步驟3：若s2刺激一直不能誘發(fā)異常，則施加s3刺激，并將s2刺激的周期長度t3按照預設(shè)步長遞減，循環(huán)施加s3刺激，直到誘發(fā)異常；

13、步驟4：若s3刺激一直不能誘發(fā)異常，則施加s4刺激，并將s4刺激的周期長度t4按照預設(shè)步長遞減，循環(huán)施加s4刺激，直到誘發(fā)異常；

14、步驟5：若s4刺激一直不能誘發(fā)異常，則認為所述刺激點不能誘導出所需的心律失常。

15、在本申請一實施例中，所述動態(tài)模擬模塊基于reaction-diffusion擴散過程對心臟電信號進行仿真，仿真過程包括：

16、步驟10：將時間-空間演化尺度上的跨膜點位和復位電壓作為收縮變量u、v和非線性反應函數(shù)f、g，滿足方程：

17、

18、其中，d1和d2是收縮變量u、v對應的系數(shù)，是拉普拉斯算符，

19、步驟20：將所述步驟10中的方程在時間維度上離散化，令t＝1,2,…,t，并記錄所述心臟三維網(wǎng)格中的網(wǎng)格點序號i＝1,2,…,n，得到以下方程：

20、

21、步驟30：將所述步驟20中的方程寫成下面的矩陣：

22、

23、其中，

24、步驟40：采用優(yōu)化方法求解步驟30中的矩陣，獲得ut和vt。

25、在本申請一實施例中，在步驟10中采用fitzhugh-nagumo模型，使得：

26、f(u,v)＝c1u(1-u)(u-a)-c2uv

27、g(u,v)＝b(u-dv)

28、其中，c1和c2是與函數(shù)f的曲線形狀相關(guān)的參數(shù)，1/b是離子通道中慢速電流通過的平均時間常數(shù)，a是和靜息電壓有關(guān)的參數(shù)，d是離子通道中透膜電流和慢速局域恢復電流的比值。

29、在本申請一實施例中，還包括：評估模塊，用于根據(jù)所述動態(tài)仿真結(jié)果評估心臟消融方案，評估結(jié)果包括是否更改所述消融點。

30、本申請的仿真系統(tǒng)通過圖像構(gòu)建心臟三維網(wǎng)格，計算心肌纖維旋向，獲得具有纖維旋向各向異性的心臟動作電位激動過程，在動態(tài)模擬模塊中引入各向異性的心臟電位擴散過程進行仿真計算，模擬實際心肌纖維電生理性質(zhì)，大幅提高了數(shù)值精度，同時還避免邊界元方法所得結(jié)果的不穩(wěn)定性，規(guī)避了心電逆問題的缺陷，能夠更為精細地模擬實際病例特征。

技術(shù)特征：

1.一種用于心臟消融方案評估的仿真系統(tǒng)，其特征在于，包括：

2.如權(quán)利要求1所述的仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述胸腔圖像包括lge-mri增強圖像。

3.如權(quán)利要求1所述的仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述三維網(wǎng)格重建模塊還用于對所述多幅胸腔圖像進行分割，分割的邊界包括左心室心內(nèi)膜、右心室心內(nèi)膜和心外膜。

4.如權(quán)利要求1所述的仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述纖維旋向計算模塊基于ld-rb算法來根據(jù)所述心臟三維網(wǎng)格計算心肌纖維旋向。

5.如權(quán)利要求1所述的仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述電生理參數(shù)仿真模塊基于離子通道模型獲得所述心臟三維網(wǎng)格上的每個網(wǎng)格點對應的離子通道的電流參數(shù)。

6.如權(quán)利要求3所述的仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述電生理參數(shù)仿真模塊根據(jù)分割的所述胸腔圖像來確定所述心臟三維網(wǎng)格中不同區(qū)域的電導率，其中，所述消融點對應的電導率不同于正常心肌細胞對應的電導率。

7.如權(quán)利要求6所述的仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述消融點對應的電導率為0。

8.如權(quán)利要求1所述的仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述起搏刺激參數(shù)包括程序期前刺激方案對應的參數(shù)，所述程序期前刺激方案被配置為包括：

9.如權(quán)利要求1所述的仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述動態(tài)模擬模塊基于reaction-diffusion擴散過程對心臟電信號進行仿真，仿真過程包括：

10.如權(quán)利要求9所述的仿真系統(tǒng)，其特征在于，在步驟10中采用fitzhugh-nagumo模型，使得：

11.如權(quán)利要求1所述的仿真系統(tǒng)，其特征在于，還包括：評估模塊，用于根據(jù)所述動態(tài)仿真結(jié)果評估心臟消融方案，評估結(jié)果包括是否更改所述消融點。

技術(shù)總結(jié)
本申請?zhí)峁┝艘环N用于心臟消融方案評估的仿真系統(tǒng)，包括：圖像獲取模塊，用于獲取多幅胸腔圖像；三維網(wǎng)格重建模塊，用于對所述多幅胸腔圖像進行消融點的標注，并通過有限元的方法獲得心臟三維網(wǎng)格；纖維旋向計算模塊，用于根據(jù)所述心臟三維網(wǎng)格計算心肌纖維旋向，獲得所述心臟三維網(wǎng)格上的每個網(wǎng)格點對應的心肌纖維旋向的方向向量；電生理參數(shù)仿真模塊，用于根據(jù)電生理參數(shù)、網(wǎng)格點的幾何位置、網(wǎng)格點對應的纖維旋向?qū)π呐K動作電位激動過程進行仿真；動態(tài)模擬模塊，用于根據(jù)所述心臟動作電位激動過程對心臟電信號進行仿真，獲得動態(tài)仿真結(jié)果。本申請通過纖維旋向引入的各向異性，使仿真結(jié)果更真實。

技術(shù)研發(fā)人員：胡樹銘,吳昊
受保護的技術(shù)使用者：上海石指健康科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/28