CN104116563A - 一种个性化冠状动脉搭桥术的血流动力学快速规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种个性化冠状动脉搭桥术的血流动力学快速规划方法。所述方法依据患者信息建立个性化冠状动脉集中参数模型，计算反映冠状动脉功能性病变的冠状动脉血流储备分数，结合解剖学病变程度SYNTAX评分，进行手术适应证的评价，以此作为选择冠状动脉搭桥术策略的综合评价依据。在适应前提下选择搭桥方案，包括搭桥血管支数、搭桥位置、移植管类型等。计算个性化的集中参数模型，得到术后冠状动脉流量、压力变化及术后桥血管参数。根据平均壁面切应力、壁面切应力震荡指数及竞争流程度，分析方案移植管远期通透性。比较不同搭桥方案的移植管远期通透性，得到最佳的搭桥方案。本发明解决了现有方法中存在的有创、不直接、耗时长等问题。

Description

一种个性化冠状动脉搭桥术的血流动力学快速规划方法

技术领域

本发明涉及冠状动脉搭桥手术方式的评价与规划。根据病人冠状动脉的解剖结构，建立个性化集中参数模型，并尽可能全面地模拟冠状动脉搭桥手术方式。根据血流动力学计算结果，比较治疗方案。

背景技术

冠状动脉搭桥术(CABG)是用于治疗冠心病的主要手段之一。临床中其最主要的并发症是移植管失效，而它的通透性取决于多种因素，其中血流动力学的影响直接关系到手术的结果。在临床中，壁面切应力(WSS)，以及壁面切应力振荡指数(OSI)等血流动力学因素与冠状动脉搭桥术的长期有效性有很大关系。

目前，心血管外科术的决策过程还主要依靠医生的临床经验，采用有创的冠状动脉SYNTAX评分(一种评价冠状动脉解剖学病变程度的评分方法)和冠状动脉血流储备分数(Fractional Flow Reserve,FFR)功能学的评价来间接、定性地预测移植管的通透性。SYNTAX评分系统采用冠脉树16分段法，结合冠脉的优势分布、病变部位、狭窄程度与病变特征，对直径≥1.5mm，狭窄程度≥50％的病变进行评分，来评价冠状动脉狭窄的严重情况。文献1(Chaichana T,Sun Z,Jewkes J.Computational fluid dynamics analysis of the effect of plaques inthe left coronary artery[J].Computational and mathematical methods in medicine,2012,2012.)提出了一种采用手术部位局部截断的冠状动脉3D计算模型，由于术后的生理条件无法在术前预先获得，采用该模型进行计算，边界条件的人为性较大，且这种方法在实际操作过程中存在计算时间长、操作复杂、不系统等缺点。

发明内容

针对评价冠状动脉规划的现有方法中存在的有创、不直接、耗时长等问题，本发明提出一种个性化冠状动脉搭桥术的血流动力学快速规划方法。

为实现上述目的本发明采取如下技术方案。

依据患者信息建立个性化的冠状动脉集中参数模型，计算反映冠状动脉功能性病变的冠状动脉血流储备分数FFR(多个狭窄部位)，结合冠状动脉解剖学病变程度的SYNTAX评分，进行手术适应证的评价，以此作为选择冠状动脉搭桥术策略的综合评价依据；采用回顾性和前瞻性方法，建立移植管通透性与主要血流动力学参数的回归关系，并分析移植管的远期通透性。计算该个性化的集中参数模型，得到术后的冠状动脉流量、压力的变化，及术后桥血管的参数，如WSS、WSSG、OSI等，通过不同手术方式间参数的对比，结合之前分析的移植管的远期通透性，辅助医生确定最优的手术方案。

本发明建立的集中参数模型(术前与术后)分为左优势型和右优势型冠状动脉的集中参数模型。冠状动脉的分支主要有：回旋支，前降支，对角支，钝缘支，锐缘支，后降支，后侧支等。移植管有动脉和静脉两种，临床上常用的移植血管包括乳内动脉和大隐静脉。冠状动脉集中参数模型中的常用搭桥方式有：主动脉-隐静脉-对角支-左回旋支；主动脉-隐静脉-对角支-钝缘支-左回旋支；主动脉-隐静脉-右冠状动脉；主动脉-隐静脉-后降支；主动脉-隐静脉-后降支-后侧支；主动脉-隐静脉-后降支-后侧支-左回旋支；主动脉-隐静脉-钝缘支-左回旋支-后侧支-后降支；主动脉-隐静脉-钝缘支-左回旋支-后降支。模型中的各种参数值是以临床中大量的数据为参考依据得到的。

图1和图2分别是建立的左优势、右优势型冠状动脉的集中参数模型。模型包括两部分：血液循环系统和桥血管。血液循环系统分为三个模块：右冠状动脉，左冠状动脉，体循环。桥血管包括两类：隐静脉桥和乳内动脉桥。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：

(1)本发明采用集中参数模型，可以模拟整个循环系统的血流动力学环境。它以一种简单的方式考虑了心脏、动脉系统、静脉系统、自我调节和代谢动力学等问题。通过整个系统的计算，得到术前术后的各种参数值，能够快速满足临床需要。

(2)本发明利用FFR与SYNTAX评分相结合的方法，综合评价冠状动脉功能，建立冠状动脉搭桥手术适应证评价的综合依据。而现临床中，手术的决策均是依据医生的临床经验，并没有一套系统的方法对冠脉进行评估。

(3)冠状动脉FFR值是目前广泛应用的确定心肌功能性缺血的指标。现临床中通过间接地有创性检测获取FFR值，且价格昂贵。而本发明采用快速获取FFR值的无创数值计算方法，大大降低了成本。

附图说明

图1为左优势冠状动脉集中参数模型图；

图2为右优势冠状动脉集中参数模型图；

图3为本发明所述方法流程图；

图4为冠状动脉集中参数模型计算结果。

具体实施方式

本发明所述的冠脉手术规划方法的整体流程图如图3所示。主要包括患者生理参数的获得与录入，个性化心血管系统集中参数模型建立，SYNTAX评分，各狭窄部位FFR的计算，搭桥手术的适应证评价，选择不同搭桥方式，进行冠脉竞争流评价。详细实施流程如下：

步骤1，根据患者冠脉造影图及患者生理参数，获得所需的基本信息，包括年龄、性别、心率、血压、冠状动脉狭窄位置、狭窄度等，这些基本信息会对患者的术前预测产生重要的影响。

步骤2，根据上一步得到的信息，建立患者术前的个性化的心血管系统集中参数模型。

步骤3，进行冠状动脉病变解剖学评价，即SYNTAX评分。

SYNTAX是现在国际上通用的评分标准。它用于整体量化冠状动脉病变的复杂程度(FFR只针对单一狭窄部位)，以作为选择冠状动脉搭桥术策略的依据。

步骤4，列出患者个性化术前集中参数模型的微分方程并求出数值解，进而求得狭窄部位FFR数值。

步骤5，根据步骤3、4的评分和FFR计算，判断搭桥手术适应证。

步骤6，选择搭桥方案，包括搭桥血管支数、搭桥位置、移植管类型等。建立不同的搭桥方式的术后集中参数模型；然后计算该个性化的集中参数模型，得到术后的冠状动脉流量、压力的变化，及术后桥血管的参数。,

步骤7，计算平均壁面切应力、壁面切应力震荡指数和竞争流强度，然后分析该方案的移植管远期通透性。

步骤8，比较不同搭桥手术方案的移植管远期通透性，评价移植管流量是否满足正常的供血需求，从而确定优化搭桥手术方案。

冠状动脉集中参数模型计算结果如图4所示。由图4可知：正常左主干流量峰值约为5.3ml/s。搭桥后左主干流量降低，说明没有竞争流现象，术后远期通透性较好，再狭窄几率较低。同时，桥流量明显高于正常左主干流量，可达到7.5ml/s以上，达到正常人的供血流量要求，可为患者提供充足的血流量，从而达到治疗冠状动脉狭窄的目的。

所述步骤2建立个性化心血管系统集中参数模型的方法如下：

(1)基于血管网络和电路之间的相似性，将血管系统简化为集中参数模型

进行电压－血流压力、电流－血流流量、电阻－血管阻力、电容－血管弹性等效，用随时间变化的时变电容表示心室。集中参数模型遵循Kirchhoff定律，以微分-代数方程组表示。血管与电路之间的比拟关系为:

$R=\frac{8\mathrm{\π\μL}}{A^2},l=\frac{\mathrm{\ρL}}{A},C=\frac{3{\mathrm{\πr}}^{3}L}{2\mathrm{Eh}}$

式中，R、l、C分别为电阻、电感和电容；ρ、μ为血液密度和粘度；L、A、r、h分别为血管长度、截面积、半径和壁厚；E为血管弹性模量。

(2)建立个性化的不同手术方案集中参数模型

建立心血管系统的集中参数模型，重点是详细的左冠优势型和右冠优势型冠状动脉集中参数模型，包括临床可能搭桥的各个桥支路。根据患者冠状动脉造影图像，确定冠状动脉分支类型、粗细，以及不同狭窄位置、不同狭窄程度的信息，结合患者的生理参数，如左心室容积-压力曲线、心律、身高、体重、性别、年龄等，将集中参数模型个性化。

图1和图2分别是建立的左优势、右优势型冠状动脉的集中参数模型。因为模型中电路参数因人而异，所以没有给出具体数值。

所述步骤3进行SYNTAX评分的方法如下：

(1)根据冠状动脉造影结果，采用冠状动脉树16段法，结合冠状动脉分布优势类型、病变部位、狭窄程度、病变数目及病变的具体特征，对直径≥1.5mm、狭窄程度≥50％的病变进行综合分析，最终得到一个评分。

(2)引入权重因子的概念，每段均有与本身部位匹配的权重因子，该部位出现狭窄时，则记录该部位的权重。观测所有出现冠状动脉狭窄的部位，并把各个部位的权重累积起来，得到该病人的SYNTAX评分。

所述步骤4求解狭窄部位FFR数值的方法如下：

冠状动脉血流储备分数FFR是目前广泛应用的确定心肌功能性缺血的指标，定义为狭窄冠状动脉支配区域心肌最大血流量与同一支冠状动脉无狭窄处心肌最大血流量的比值，最终可被化简为：

$\mathrm{FFR}=\frac{P_d}{P_a}$

式中，Pa和Pd分别为由临床测得的狭窄前、后的冠状动脉压力。

所述步骤5判断冠状动脉搭桥手术适应证的方法如下：

(1)如果SYNTAX评分低于22分，且FFR>0.8，不适应，说明无需介入干预，提示选择其他治疗；如果SYNTAX评分高于33分，且FFR<0.75，适应，说明心肌缺血，提示该病变具有临床干预意义(即手术适应证)，重新选择搭桥支数、搭桥位置、移植管类型等。

(2)结合FFR和SYNTAX评分，综合评价冠状动脉功能，建立冠状动脉搭桥手术适应证的综合判据。对手术适应证确定搭桥方案，包括搭桥支数、搭桥位置、移植管类型。

所述步骤6选择搭桥方案的方法如下：

根据患者的狭窄情况，结合SYNTAX评分来选择不同搭桥手术方案，包括搭桥血管支数、搭桥位置、移植管类型等。搭桥血管支数可为单只搭桥、双支搭桥以及多支搭桥。根据患者的狭窄位置及严重情况，搭桥位置的选择有：主动脉-隐静脉-对角支-左回旋支；主动脉-隐静脉-对角支-钝缘支-左回旋支；主动脉-隐静脉-右冠状动脉；主动脉-隐静脉-后降支；主动脉-隐静脉-后降支-后侧支；主动脉-隐静脉-后降支-后侧支-左回旋支；主动脉-隐静脉-钝缘支-左回旋支-后侧支-后降支；主动脉-隐静脉-钝缘支-左回旋支-后降支。移植管类型可为乳内动脉或大隐静脉。

所述步骤7确定优化搭桥手术方案的方法包括以下步骤：

(1)计算壁面切应力评价指标TAWSS，公式如下：

$\mathrm{TAWSS}=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\&Integral;}}\left|\stackrel{\&RightArrow;}{{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{\&omega;}}}\right|\mathrm{dt}$

式中，为某一时刻的壁面切应力；T为一个心动周期的时间。

(2)计算壁面切应力震荡剪切指数OSI，公式如下：

$\mathrm{OSI}=\frac{1}{2}(1-\frac{\left|{\&Integral;}_0^T\stackrel{\&RightArrow;}{{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{\&omega;}}}\mathrm{dt}\right|}{{\&Integral;}_0^T\left|\stackrel{\&RightArrow;}{{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{\&omega;}}}\right|\mathrm{dt}})$

OSI为无量纲数，OSI的取值范围为0～0.5，当OSI数值为0时表示血液为完全单向流动；OSI数值为0.5时表示血液正处在对外总流量为0的振荡剪切流动中。高振荡剪切系数(OSI)区域易导致动脉内膜增生和动脉粥样硬化。

(3)评价竞争流程度。

采用模拟夹闭狭窄冠状动脉的状态，观察移植管流量与波形变化以判断竞争流的存在与强度。如果夹闭后移植管流量有明显的增加，表明存在竞争流现象，移植管的远期通透性可能得不到保证，需要采取手术补救措施；如果夹闭后移植管流量增加不明显，表明不存在竞争流现象，移植管的远期通透性可得到保证，手术达到预期效果。

计算竞争流评价指标R_c，公式如下：

$R_c=(1-\frac{F_M}{F_M^{\&prime;}})\&times;100\%$

其中，R_c为竞争流程度，F_M代表夹闭前的移植管流量，F′_M代表夹闭后的移植管流量，F_M和F′_M均可由集中参数模型的数据计算得出。R_c为无量纲数，它的取值范围为0.0～1.0，当R_c数值为0.0时表示没有竞争流现象；R_c数值为1.0时表示搭桥管不通，冠脉总灌注量全部由主干流量供应；R_c越大代表竞争流程度越大。较高的竞争流程度容易导致搭桥管的失效。

(4)预测移植管远期通透性

根据壁面切应力、避免切应力震荡剪切指数以及竞争流程度，来预测移植管远期通透性。评价移植管远期通透性的公式为：

$\mathrm{pat}=\frac{\min (10,|5-\max (5,|\mathrm{TAWSS}\left|\right)\left|\right)}{10}+2\mathrm{ORI}+R_c$

其中，pat为移植管远期通透性优良的指标。pat为无量纲数，它的取值范围为0.0～3.0。

当0≤pat＜1时，移植管远期通透性通常较好。

当1≤pat＜2时，移植管远期通透性通常一般。

当2≤pat≤3时，移植管远期通透性通常较差。

Claims (7)

1.一种个性化冠状动脉搭桥术的血流动力学快速规划方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，根据患者冠脉造影图及患者生理参数，获得所需的基本信息，包括年龄、性别、心率、血压、冠状动脉狭窄位置、狭窄度，这些基本信息会对患者的术前预测产生重要的影响；

步骤2，根据上一步得到的信息，建立患者术前的个性化的心血管系统集中参数模型；

步骤3，进行冠状动脉病变解剖学评价，即SYNTAX评分；

步骤4，列出患者个性化术前集中参数模型的微分方程并求出数值解，进而求得狭窄部位的冠状动脉血流储备分数FFR；

步骤5，根据步骤3、4的评分和FFR计算，判断搭桥手术适应证；

步骤6，选择搭桥方案，包括搭桥血管支数、搭桥位置、移植管类型；建立不同的搭桥方式的术后集中参数模型；然后计算该个性化的集中参数模型，得到术后的冠状动脉流量、压力的变化，及术后桥血管的参数；

步骤7，计算平均壁面切应力、壁面切应力震荡指数和竞争流强度，然后分析该方案的移植管远期通透性；

步骤8，比较不同搭桥手术方案的移植管远期通透性，评价移植管流量是否满足正常的供血需求，从而确定优化搭桥手术方案。

2.根据权利要求1所述的一种个性化冠状动脉搭桥术的血流动力学快速规划方法，其特征在于，所述步骤2建立个性化心血管系统集中参数模型的方法如下：

(1)基于血管网络和电路之间的相似性，将血管系统简化为集中参数模型；

进行电压－血流压力、电流－血流流量、电阻－血管阻力、电容－血管弹性等效，用随时间变化的时变电容表示心室；集中参数模型遵循Kirchhoff定律，以微分-代数方程组表示；血管与电路之间的比拟关系为：

$R=\frac{8\mathrm{\&pi;\&mu;L}}{A^2},l=\frac{\mathrm{\&rho;L}}{A},C=\frac{3{\mathrm{\&pi;r}}^{3}L}{2\mathrm{Eh}}$

式中，R、l、C分别为电阻、电感和电容；ρ、μ为血液密度和粘度；L、A、r、h分别为血管长度、截面积、半径和壁厚；E为血管弹性模量；

(2)建立个性化的不同手术方案集中参数模型；

建立心血管系统的集中参数模型，重点是详细的左冠优势型和右冠优势型冠状动脉集中参数模型，包括临床可能搭桥的各个桥支路；根据患者冠状动脉造影图像，确定冠状动脉分支类型、粗细，以及不同狭窄位置、不同狭窄程度的信息，结合患者的生理参数，如左心室容积-压力曲线、心律、身高、体重、性别、年龄，将集中参数模型个性化。

3.根据权利要求1所述的一种个性化冠状动脉搭桥术的血流动力学快速规划方法，其特征在于，所述步骤3进行SYNTAX评分的方法如下：

(1)根据冠状动脉造影结果，采用冠状动脉树16段法，结合冠状动脉分布优势类型、病变部位、狭窄程度、病变数目及病变的具体特征，对直径≥1.5mm、狭窄程度≥50％的病变进行综合分析，最终得到一个评分；

(2)引入权重因子的概念，每段均有与本身部位匹配的权重因子，该部位出现狭窄时，则记录该部位的权重；观测所有出现冠状动脉狭窄的部位，并把各个部位的权重累积起来，得到该病人的SYNTAX评分。

4.根据权利要求1所述的一种个性化冠状动脉搭桥术的血流动力学快速规划方法，其特征在于，所述步骤4求解狭窄部位FFR数值的方法如下：

冠状动脉血流储备分数FFR是目前广泛应用的确定心肌功能性缺血的指标，定义为狭窄冠状动脉支配区域心肌最大血流量与同一支冠状动脉无狭窄处心肌最大血流量的比值，最终化简为：

$\mathrm{FFR}=\frac{P_d}{P_a}$

式中，P_a和P_d分别为由临床测得狭窄前、后的冠状动脉压力。

5.根据权利要求1所述的一种个性化冠状动脉搭桥术的血流动力学快速规划方法，其特征在于，所述步骤5判断冠状动脉搭桥手术适应证的方法如下：

(1)如果SYNTAX评分低于22分，且FFR>0.8，不适应，说明无需介入干预，提示选择其他治疗；如果SYNTAX评分高于33分，且FFR<0.75，适应，说明心肌缺血，提示该病变具有临床干预意义，即手术适应证，重新选择搭桥支数、搭桥位置、移植管类型；

(2)结合FFR和SYNTAX评分，综合评价冠状动脉功能，建立冠状动脉搭桥手术适应证的综合判据；对手术适应证确定搭桥方案，包括搭桥支数、搭桥位置、移植管类型。

6.根据权利要求1所述的一种个性化冠状动脉搭桥术的血流动力学快速规划方法，其特征在于，所述步骤6选择搭桥方案的方法如下：

根据患者的狭窄情况，结合SYNTAX评分来选择不同搭桥手术方案，包括搭桥血管支数、搭桥位置和移植管类型；搭桥血管支数包括单只搭桥、双支搭桥以及多支搭桥；根据患者的狭窄位置及严重情况，搭桥位置的选择有：主动脉-隐静脉-对角支-左回旋支；主动脉-隐静脉-对角支-钝缘支-左回旋支；主动脉-隐静脉-右冠状动脉；主动脉-隐静脉-后降支；主动脉-隐静脉-后降支-后侧支；主动脉-隐静脉-后降支-后侧支-左回旋支；主动脉-隐静脉-钝缘支-左回旋支-后侧支-后降支；主动脉-隐静脉-钝缘支-左回旋支-后降支；移植管类型可为乳内动脉或大隐静脉。

7.根据权利要求1所述的一种个性化冠状动脉搭桥术的血流动力学快速规划方法，其特征在于，所述步骤7确定优化搭桥手术方案的方法包括以下步骤：

(1)计算壁面切应力评价指标TAWSS，公式如下：

$\mathrm{TAWSS}=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\&Integral;}}\left|\stackrel{\&RightArrow;}{{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{\&omega;}}}\right|\mathrm{dt}$

式中，为某一时刻的壁面切应力；T为一个心动周期的时间；

(2)计算壁面切应力震荡剪切指数OSI，公式如下：

$\mathrm{OSI}=\frac{1}{2}(1-\frac{\left|{\&Integral;}_0^T\stackrel{\&RightArrow;}{{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{\&omega;}}}\mathrm{dt}\right|}{{\&Integral;}_0^T\left|\stackrel{\&RightArrow;}{{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{\&omega;}}}\right|\mathrm{dt}})$

OSI为无量纲数，OSI的取值范围为0～0.5，当OSI数值为0时表示血液为完全单向流动；OSI数值为0.5时表示血液正处在对外总流量为0的振荡剪切流动中；高振荡剪切系数OSI区域易导致动脉内膜增生和动脉粥样硬化；

(3)评价竞争流程度；

计算竞争流评价指标R_c，公式如下：

$R_c=(1-\frac{F_M}{F_M^{\&prime;}})\&times;100\%$

其中，R_c为竞争流程度，F_M代表夹闭前的移植管流量，F＇_M代表夹闭后的移植管流量，F_M和F＇_M均可由集中参数模型的数据计算得出；R_c为无量纲数，它的取值范围为0.0～1.0，当R_c数值为0.0时表示没有竞争流现象；R_c数值为1.0时表示搭桥管不通，冠脉总灌注量全部由主干流量供应；R_c越大代表竞争流程度越大；较高的竞争流程度容易导致搭桥管的失效；

(4)预测移植管远期通透性；

根据壁面切应力、避免切应力震荡剪切指数以及竞争流程度，来预测移植管远期通透性；评价移植管远期通透性的公式为：

$\mathrm{pat}=\frac{\min (10,|5-\max (5,|\mathrm{TAWSS}\left|\right)\left|\right)}{10}+2\mathrm{ORI}+R_c$

其中，pat为移植管远期通透性优良的指标；pat为无量纲数，它的取值范围为0.0～3.0；

当0≤pat＜1时，移植管远期通透性通常较好；

当1≤pat＜2时，移植管远期通透性通常一般；

当2≤pat≤3时，移植管远期通透性通常较差。