CN106650029A - 基于cfd仿真的分叉血管压力差及ffr的快速计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CFD仿真的分叉血管压力差的快速计算方法，包括：接收一段有分叉血管的几何参数和几何模型，该血管包括近端终点和远端终点，所述几何参数包括第一几何参数、第二几何参数、第三几何参数；接收该分叉血管段近端终点处的入口血流量及血流压力；基于所述第一几何参数、第二几何参数、第三几何参数以及第一位置的位置数据计算该血管第一位置处的参考管腔直径；基于所述几何模型和近端终点处入口血流量及血流压力，利用计算流体力学(CFD)仿真得到所述几何模型上的压力分布；基于所述第一几何参数和第三几何参数，利用压力校正公式对上述压力分布进行校正，计算获得所述血管近端终点处的第一血流压力和第一位置处的第二血流压力之间的压力差数值ΔP。

Description

基于CFD仿真的分叉血管压力差及FFR的快速计算方法及系统

技术领域

本发明应用于医疗领域，尤其涉及应用在基于影像修正计算机流体力学(CFD)仿真得到的血管压力差及FFR的快速计算方法及系统。

背景技术

常规心血管成像技术如冠状动脉X射线造影、冠状动脉CT造影，以及腔内成像技术等，可对冠状动脉解剖进行成像，显示血管的损伤部位与损伤范围，但对于确定损伤是否造成缺血以及定位犯罪血管存在一定的局限性。血流储备分数FFR可以弥补上述影像技术的不足，优化缺血性心脏病的诊断与犯罪血管的选择，减少不必要的支架植入，且提高患者的长期治疗疗效，已成为临床上评价缺血性心脏病的金标准。

FFR可以由心外膜冠状动脉狭窄存在的情况下最大心肌血流量除以血管正常时的最大血流量得到。在最大充血情况下，血流量的比值可以用压力值来代替，因此，利用一个对压力敏感的冠脉导管，在最大充血情况下，FFR可以通过冠脉远端狭窄处的压力(Pd)和血液动力学压力传感器得到的大动脉压力(Pa)相比计算得到。压力导丝引导的FFR是冠脉狭窄的血液动力学重要指标，但是存在一些局限性，比如有些病人在注入腺苷时反应不适，且压力导丝造价太高。在现有技术中，在如公开号为CN102905614A的专利文献，则采用了介入式的方式，通过采集压力及速度，以积分方式计算FFR值；又如公开号为CN 103829933A的专利文献中，通过将两个压力传感(压力传感器1和压力传感器2)介入人体血管中，分别测量两个压力传感器的数值，根据这两个压力传感器测量数值的压力差，来判断这两个压力传感器之间是否出现血管狭窄，并通过阈值设置，将测量结果报送医生诊断；在又如公开号为WO2010033971A1的专利文献中，同样采用了植入传感器的方式，计算FFR值。上述方式均通过介入式获取FFR值，适用范围有限，且给病人带来了较大的痛苦。

而在通过几何参数等方式的现有技术中，例如公开号为US20150268039A1的专利文献，通过设置不同位置处的直径等几何参数的方式，来计算某段血管近端和远端的FFR。此外，涂圣贤等人提出了一种新的计算血流储备分数(FFR)的计算机模型。首先利用三维定量冠脉造影(QCA)得到血管的几何模型，利用三维QCA和TIMI数帧法得到充血状态下的平均血流量，把充血状态下的平均血流量和导管测得的平均血流压力当做计算流体力学仿真的入口边界条件，求解流体力学方程得到FFR的计算值。另外，Taylor等人将计算机流体力学应用于计算机断层扫描冠状动脉造影(CTA)，得到计算FFR的非侵入式方法。利用CTA得到的冠脉解剖数据，包括血管供应心肌的体积与质量等，估计出最大冠脉血流量，模拟出血管下游微循环阻力，作为计算流体力学仿真的边界条件进行流体方程求解，获得FFR的计算值。

上述现有的技术尽管从不同角度、不同计算方法中给出了确定血管压降的方法，但其仍具有至少以下一种或多个技术缺陷：(1)采用压力导丝介入血管采集血管的有关几何参数，成本高昂，且给病人带来身体损害；(2)采用单一尺度计算方法，尽管可以获得常规血管狭窄情况下的压降情况，但却无法正确区分评估不同程度(如局限性和弥漫性病变并存的血管)狭窄下几何参数改变对血流压力的不同影响。(3)根据冠脉造影或CT重建的几何模型进行计算机流体力学(CFD)仿真，计算复杂度高，计算量大，耗时长。(4)依赖于人为评估病变的尺寸，如病变长度，具有很大的主观性和误差，尤其是弥漫性病变。(5)需要利用腺苷诱导冠脉最大充血来计算充血血流速度，操作复杂且加大病人的痛苦。(6)需要对病变血管的分支都进行三维重建，工作量大；(7)在血管具有分叉的情况下，由于参考管腔面积的变化，不能准确计算FFR。

因此需要提供一种准确的血管压降快速计算方法，其能够克服上述部分或全部技术缺陷，快速准确地计算FFR数值。在血管重建过程中，对于评估分叉狭窄严重性是一个经常遇到的问题，主要是难以确定分叉中心的血管参考管腔，从而影响了从近端主血管到远端血管的狭窄的综合分析。涂圣贤等人提出了建立一种新的模型，利用大量弯曲椭圆平面来测量分叉中心，从而解决了确定分叉中心狭窄严重性的不明确问题，但是精确度仍然受到限制。一般在CFD仿真重建血管时需要考虑到所有分叉的情况，从而需要很繁重的工作量，难以达到快速计算FFR的作用，如果在CFD仿真时只考虑单支主血管的情况，忽略其他小分叉，计算得到的压力会不准确，从而影响到FFR的准确性。因此，需要通过单支稳态CFD仿真快速计算压力分布，利用参考管腔直径对压力分布进行校正，准确计算含有分叉的血管的血流储备分数。

发明内容

有鉴于此，在本发明的一个实施例中，提供了一种基于CFD仿真的分叉血管压力差的快速计算方法，包括：

接收一段有分叉血管的几何参数和几何模型，该血管包括近端终点和远端终点，所述几何参数包括第一几何参数，代表该血管段近端横截面的面积或直径；第二几何参数，代表该血管段远端横截面的面积或直径；第三几何参数，代表该血管段位于近端终点和远端终点之间的第一位置的横截面面积或直径；优选的，所述几何模型是基于冠脉影像对分叉血管的主支进行三维重建后血管解剖结构，该血管解剖结构为管腔面积或直径；

接收该分叉血管段近端终点处的入口血流量及血流压力；

基于所述第一几何参数、第二几何参数、第三几何参数以及第一位置的位置数据计算该血管第一位置处的参考管腔直径；所述第一位置的位置数据是第一位置到血管近端终点之间的距离；

基于所述几何模型和近端终点处入口血流量及血流压力，利用计算流体力学(CFD)仿真得到所述几何模型上的压力分布；

基于所述第一几何参数和第三几何参数，利用压力校正公式对上述压力分布进行校正，计算获得所述血管近端终点处的第一血流压力和第一位置处的第二血流压力之间的压力差数值ΔP。

优选的，所述方法进一步还包括：以近端终点为参考平面(记作第0平面)，根据冠脉影像的最大分辨率，对上述几何模型沿主支方向进行划分，分别记作第1平面，第2平面，...，远端终点为第n平面，所述n为大于1的自然数值。

优选的，所述方法进一步还包括：所述CFD仿真是稳态血流仿真，设置入口边界条件为近端终点处入口血流量及血流压力，出口边界条件为充分发展的流动；基于所述CFD稳态仿真，计算主支血管第i个平面上的平血血流压力值P_i。

优选的，所述方法进一步还包括：以近端终点为参考点，根据第一几何参数、第二几何参数，以及血管段上某点到参考点的距离x，计算出参考管腔直径函数；所述参考管腔直径函数用于代表该段血管不同位置上的参考管腔直径随着该位置到参考点的距离x变化的函数；

优选的，计算参考管腔直径函数包括对血管段的从血管段近端终点到远端终点范围内的位置参数进行线性归一化处理。

优选的，所述方法进一步还包括：基于上述参考管腔直径函数，计算第i个平面处主支的参考管腔直径，记作D_i。其中i＝0,1,...,n。

优选的，所述方法进一步还包括：根据第i个平面的参考管腔直径D_i、平均血流压力值P_i，血管段近端横截面的直径D₀以及近端终点处入口血流压力P₀，对第i个平面的平均血流压力P_i进行校正，得到校正后第i个平面的压力值P_i'；所述压力校正公式为：

i＝1,2,...,n。

优选的，所述方法进一步还包括：利用所述校正后的压力值P_i'，可计算获得第i平面位置的血流压力和和近端终点处入口血流压力P₀的压力差。

同时，本发明还提供了一种基于CFD仿真的分叉血管FFR的快速计算方法，包括：

接收一段有分叉血管的几何参数和几何模型，该血管包括近端终点和远端终点，所述几何参数包括第一几何参数，代表该血管段近端横截面的面积或直径；第二几何参数，代表该血管段远端横截面的面积或直径；第三几何参数，代表该血管段位于近端终点和远端终点之间的第一位置的横截面面积或直径；优选的，所述几何模型是基于冠脉影像对分叉血管的主支进行三维重建后的结果；

接收该分叉血管段近端终点处的入口充血血流量及血流压力；所述入口充血血流量是该分叉血管在最大充血状态下的血流量；

基于所述第一几何参数、第二几何参数、第三几何参数以及第一位置的位置数据计算该血管第一位置处的参考管腔直径；所述第一位置的位置数据是第一位置到血管近端终点之间的距离；

基于所述几何模型和近端终点处入口充血血流量及血流压力，利用稳态计算流体力学(CFD)仿真得到所述几何模型上的压力分布；

基于所述第一几何参数和第三几何参数，利用压力校正公式对上述压力分布进行校正，计算获得所述血管近端终点处的第一血流压力和第一位置处的第二血流压力之间的比值，即为血流储备分数。

另外，本发明还提供了一种基于CFD仿真的分叉血管压力差的快速计算系统，该系统包括：

几何数据获取模块，用于获得血管的几何参数和几何模型，该血管包括近端终点和远端终点，所述几何参数包括第一几何参数，代表该血管段近端横截面的面积或直径；第二几何参数，代表该血管段远端横截面的面积或直径；第三几何参数，代表该血管段位于近端终点和远端终点之间的第一位置的横截面面积或直径；优选的，所述几何模型是基于冠脉影像对分叉血管的主支进行三维重建后的血管解剖结构，该血管解剖结构为管腔面积或直径；

参考管腔直径计算模块，基于所述第一几何参数、第二几何参数、第三几何参数以及第一位置的位置数据计算该血管第一位置处的参考管腔直径；

主支血管段平面划分模块，以近端终点为参考平面(记作第0平面)，根据冠脉影像的最大分辨率，对上述几何模型沿主支方向进行划分，分别记作第1平面，第2平面，...，远端终点为第n平面，所述n为大于1的自然数值。

CFD压力仿真模块，基于所述几何模型和近端终点处入口血流量及血流压力，利用稳态CFD仿真得到所述几何模型上的压力分布，即主支血管段上每一个平面的平均血流压力；

压力校正模块，基于参考管腔直径利用压力校正公式对上述压力分布进行校正，并计算出所述血管近端终点处的第一血流压力和第i平面处的第二血流压力之间的压力差数值ΔP_i。

优选的，所述参考管腔直径计算模块，以近端终点为参考点，根据第一几何参数、第二几何参数，以及血管段上某点到参考点的距离x，计算出参考管腔直径函数；所述参考管腔直径函数用于代表该段血管不同位置上的参考管腔直径随着该位置到参考点的距离x变化的函数；

优选的，该系统还包括归一化模块，用于在计算参考管腔直径函数过程中，对血管段的从血管段近端终点到远端终点范围内的位置参数进行线性归一化处理。

优选的，所述压力校正模块，是根据第i个平面的参考管腔直径D_i、平均血流压力值P_i，血管段近端横截面的直径D₀以及近端终点处入口血流压力P₀，对第i个平面的平均血流压力P_i进行校正，得到校正后第i个平面的压力值P_i'；所述压力校正公式为：

i＝1,2,...,n。

另外，本发明还提供了一种基于CFD的分叉血管血流储备分数FFR快速计算系统，该系统包括：

几何数据获取模块，用于获得血管的几何参数和几何模型，该血管包括近端终点和远端终点，所述几何参数包括第一几何参数，代表该血管段近端横截面的面积或直径；第二几何参数，代表该血管段远端横截面的面积或直径；第三几何参数，代表该血管段位于近端终点和远端终点之间的第一位置的横截面面积或直径；

优选的，所述几何模型是基于冠脉影像对分叉血管的主支进行三维重建后的血管解剖结构，该血管解剖结构为管腔面积或直径；

参考管腔直径计算模块，基于所述第一几何参数、第二几何参数、第三几何参数以及第一位置的位置数据计算该血管的第一位置处的参考管腔直径；

主支血管段平面划分模块，以近端终点为参考平面(记作第0平面)，根据冠脉影像的最大分辨率，对上述几何模型沿主支方向进行划分，分别记作第1平面，第2平面，…，远端终点为第n平面，所述n为大于1的自然数值；

CFD压力仿真模块，基于所述几何模型和近端终点处入口血流量及血流压力，利用稳态CFD仿真得到所述几何模型上的压力分布，即主支血管段上每一个平面的平均血流压力；

压力校正模块，基于参考管腔直径利用压力校正公式对上述压力分布进行校正，并计算出所述血管近端终点处的第一血流压力和第i平面处的第二血流压力之间的压力差数值ΔP_i。

优选地，第i个平面位置与近端终点处的校正压力差，利用CFD仿真后得到的第i个平面的平均血流压力和几何参数获得，所述公式为

其中，i＝1,2,…,n。P_i'为校正后的第i个平面的平均血流压力值，D_i为第i个平面的参考管腔直径，P_i第i个平面的平均血流压力值，D₀为血管段近端横截面的直径，P₀为近端终点入口处入口血流压力。

优选地，所述CFD压力仿真模块，基于所述几何模型和近端终点处入口血流量及血流压力，利用稳态CFD仿真得到所述几何模型上的压力分布，即主支血管段上每一个平面的平均血流压力。

优选地，所述第i个平面的血流储备分数的计算公式为

其中，ΔP_i是第i个平面位置的压力差，P₀为近端终点入口处入口血流压力。

当i的值为n时，即远端终点时，远端终点处的血流储备分数的计算公式为

其中，ΔP_n是远端终点处到近端终点的压力差，P₀为近端终点入口处入口血流压力，n为大于1的自然数。

优选地，所述参考管腔直径计算模块，以近端终点为参考点，根据第一几何参数、第二几何参数，以及血管段上某点到参考点的距离x，计算出参考管腔直径函数；所述参考管腔直径函数用于代表该段血管不同位置上的参考管腔直径随着该位置到参考点的距离x变化的函数；第一几何参数代表该血管段近端横截面的面积或直径，第二几何参数代表该血管段远端横截面的面积或直径。

优选地，该系统还包括归一化模块，计算参考管腔直径函数包括对血管段的从血管段近端终点到远端终点范围内的位置参数进行线性归一化处理。通过归一化后的参数，形成参考管腔直径与实际管腔直径之间的函数关系。

与现有技术相比，本技术将利用血管的参考管腔直径，对CFD仿真的结果进行校正的算法思想融合进了血管血流储备分数的计算中来，通过单支稳态CFD仿真快速计算压力分布，利用参考管腔直径进行压力校正，准确计算含有分叉的血管的血流储备分数，很好地解决了在对CFD仿真过程中，带有血管分支的情况下，对血管主支中某一特定平面的血流储备分数计算中的快速准确重建问题，大大提高了血管数据重建速度，并且有效校正了在具有血管分支的情况下，CFD仿真的单支血管压力分布存在误差的情况，利用参考管腔直径对压力分布进行了精确的校正，从而使得血流储备分数更加接近实际值，对现有的血流储备分数的计算进行了改进。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明的实际分叉血管管腔与参考血管管腔结构对比示意图；

图2为本发明的沿主支方向血管段平面划分示意图；

图3为本发明的分叉血管压力差计算系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域技术人员应当知晓，下述具体实施例或具体实施方式，是本发明为进一步解释具体的发明内容而列举的一系列优化的设置方式，而该些设置方式之间均是可以相互结合或者相互关联使用的，除非在本发明明确提出了某中某些或某一具体实施例或实施方式无法与其他的实施例或实施方式进行关联设置或共同使用。同时，下述的具体实施例或者实施方式仅作为最优化的设置方式，而不作为限定本发明的保护范围的理解。

实施例1：压力差计算

在本发明的一个具体实施例中，提供了一种基于CFD仿真的分叉血管压力差的快速计算方法，包括：

接收一段有分叉血管的几何参数和几何模型，该血管包括近端终点和远端终点，所述几何参数包括第一几何参数，代表该血管段近端横截面的面积或直径；第二几何参数，代表该血管段远端横截面的面积或直径；第三几何参数，代表该血管段位于近端终点和远端终点之间的第一位置的横截面面积或直径；优选的，所述几何模型是基于冠脉影像对分叉血管的主支进行三维重建后的血管解剖结构，该血管解剖结构为管腔面积或直径；

接收该分叉血管段近端终点处的入口血流量及血流压力；

基于所述第一几何参数、第二几何参数、第三几何参数以及第一位置的位置数据计算该血管第一位置处的参考管腔直径；所述第一位置的位置数据是第一位置到血管近端终点之间的距离；

基于所述几何模型和近端终点处入口血流量及血流压力，利用计算流体力学(CFD)仿真得到所述几何模型上的压力分布；

基于所述第一几何参数和第三几何参数，利用压力校正公式对上述压力分布进行校正，计算获得所述血管近端终点处的第一血流压力和第一位置处的第二血流压力之间的压力差数值ΔP。

参考图1，示例出本发明中涉及到的血管参考管腔直径的获取方式。

在血管基于冠脉影像对分叉血管的主支进行三维重建中，在获取到管腔的实际直径的不同点处的参数后，可以通过构建参考管腔直径函数的方式，模拟出血管的参考管腔直径变化，从而求得在任意距离处的血管参考管腔直径，为压力差的校正及血流储备分数的计算提供依据。

在一个具体的实施方式中，该参考管腔直径计算函数可通过如下方式获得，以近端终点为参考点，根据第一几何参数、第二几何参数以及血管段上某点到参考点的距离x，计算出参考管腔直径函数；所述参考管腔直径函数用于代表该段血管不同位置上的参考管腔直径随着该位置到参考点的距离x变化的函数；

第一几何参数代表该血管段近端横截面的面积或直径，第二几何参数代表该血管段远端横截面的面积或直径。

优选地，计算参考管腔直径函数包括对血管段的从血管段近端终点到远端终点范围内的位置参数进行线性归一化处理。通过归一化后的参数，形成参考管腔直径与实际管腔直径之间的函数关系。

参考图2，对CFD仿真得到所述几何模型上的压力分布为例进行说明。

目前，在CFD仿真重建血管时需要考虑到所有分叉的情况，重建出所有的分叉血管，需要很繁重的工作量，难以达到快速计算FFR的作用，如果在CFD仿真时只考虑单支主血管的情况，忽略其他小分叉，计算得到的压力会不准确，从而影响FFR的准确性。本发明的技术方案，是利用参考管腔直径对单支稳态CFD仿真得到的压力分布进行校正，从而能准确计算含有分叉的血管的血流储备分数。

如图2所示，考虑一段有分叉的血管，以近端终点所在的平面为参考平面(记作第0平面)，根据冠脉影像的最大分辨率，对上述几何模型沿主支方向进行划分，分别记作第1平面，第2平面，…，远端终点所在的平面是第n平面，所述n为大于1的自然数值。

设置入口边界条件为近端终点处入口血流量及血流压力，出口边界条件为充分发展的流动，基于CFD稳态仿真，计算主支血管第i个平面上的平血血流压力值Pi。

因为在CFD仿真时，仅考虑了主支血管的情况，而忽略了分叉的情况，从而仿真时高估了主支血管远端终点的血流量，导致最终得到的血流储备分数比真实值大，因此需要校正CFD稳态仿真得到的压力差。

根据参考管腔直径函数，对第i个平面处与近端终点的压力差进行校正，可以利用压力校正公式得到。压力校正公式为：

其中，i＝1,2,…,n。Pi'为校正后的第i个平面的平均血流压力值，D_i为第i个平面的参考管腔直径，P_i第i个平面的平均血流压力值，D₀为血管段近端横截面的直径，P₀为近端终点入口处入口血流压力。

根据校正后的压力值，获得第i个平面位置的血流压力和近端终点处入口血流压力的压力差，因此，第i个平面位置的压力差ΔP_i的计算公式为

ΔP_i＝P′_i-P₀

其中，P_i'为校正后的第i个平面的平均血流压力值，P₀为近端终点入口处入口血流压力。

远端终点为第n平面，即当i的值为n时，远端终点处的血流压力和近端终点入口血流压力的压力差为：

ΔP_n＝P′_n-P₀

当计算血流储备分数时，压力差应该为根据血管的几何参数修正后的压力差，不能直接使用CFD仿真单支血管后的压力值，否则该压力值会比真实情况大，导致最终血流储备分数的计算值比实际值偏小。

由上述例子可见，需要对CFD稳态仿真后得到的压力分布进行校正，才能得到比较准确的压力差值，从而得到比较准确的血流储备分数。

实施例2:FFR计算

在又一个具体的实施例中，本发明还提供了一种基于CFD的血流储备分数快速计算方法，该方法包括：

接收一段有分叉血管的几何参数和几何模型，该血管包括近端终点和远端终点，所述几何参数包括第一几何参数，代表该血管段近端横截面的面积或直径；第二几何参数，代表该血管段远端横截面的面积或直径；第三几何参数，代表该血管段位于近端终点和远端终点之间的第一位置的横截面面积或直径；

接收该分叉血管段近端终点处的入口充血血流量及血流压力；所述入口充血血流量是该分叉血管在最大充血状态下的血流量；

基于所述第一几何参数、第二几何参数、第三几何参数以及第一位置的位置数据计算该血管第一位置处的参考管腔直径；所述第一位置的位置数据是第一位置到血管近端终点之间的距离；

基于所述几何模型和近端终点处入口充血血流量及血流压力，利用稳态计算流体力学(CFD)仿真得到所述几何模型上的压力分布；

基于所述第一几何参数和第三几何参数，利用压力校正公式对上述压力分布进行校正，计算获得所述血管近端终点处的第一血流压力和第一位置处的第二血流压力之间的比值，即为血流储备分数。

优选地，所述血管的几何模型是基于冠脉影像对分叉血管的主支进行三维重建后的血管解剖结构，该血管解剖结构为管腔面积或直径。

优选地，所述CFD仿真是稳态血流仿真，入口边界条件为近端终点处入口血流量及血流压力，出口边界条件是充分发展的流动。

在一个具体的实施方式中，所述的血管的参考直径的获取方式可以采用以下方式，以近端终点为参考点，根据第一几何参数、第二几何参数，以及血管段上某点到参考点的距离x，计算出参考管腔直径函数；所述参考管腔直径函数用于代表该段血管不同位置上的参考管腔直径随着该位置到参考点的距离x变化的函数；第一几何参数代表该血管段近端横截面的面积或直径，第二几何参数代表该血管段远端横截面的面积或直径。

在一个具体的实施方式中，计算参考管腔直径函数包括对血管段的从血管段近端终点到远端终点范围内的位置参数进行线性归一化处理。通过归一化后的参数，形成参考管腔直径与实际管腔直径之间的函数关系。

在一个具体的实施方式中，主支血管段上每一个平面的平均血流压力，可以利用稳态CFD仿真得到，所述CFD仿真的入口边界条件为近端终点处入口血流量及血流压力，出口边界条件是充分发展的流动，以近端终点为参考平面(记作第0平面)，根据冠脉影像的最大分辨率，对所述几何模型沿主支方向进行划分，分别记作第1平面，第2平面，…，远端终点为第n平面，所述n为大于1的自然数值。

基于所述CFD仿真，确定主支血管第i个平面上的平血血流压力值P_i。而在CFD仿真时考虑的是单支血管的情况，需要对血管的压力分布进行校正。因此，我们根据参考管腔直径函数，获得第i个平面处主支的参考管腔直径D_i，第i个平面处与近端终点的校正压力差，利用压力校正公式得到。压力校正公式为

其中，i＝1,2,…,n。P_i'为校正后的第i个平面的平均血流压力值，D_i为第i个平面的参考管腔直径，P_i第i个平面的平均血流压力值，D₀为血管段近端横截面的直径，P₀为近端终点入口处入口血流压力。

根据校正后的压力值，获得第i个平面位置的血流压力和近端终点处入口血流压力的压力差，所述压力差ΔP_i的计算公式为

ΔP_i＝P′_i-P₀

其中，P_i'为校正后的第i个平面的平均血流压力值，P₀为近端终点入口处入口血流压力。

由此可得，第i个平面的血流储备分数的计算公式为：

其中，ΔP_i是第i个平面位置的压力差，P₀为近端终点入口处入口血流压力。

考虑到远端终点为第n个平面，即当i的值为n时，远端终点处的血流储备分数的计算公式为

其中，ΔP_n是远端终点处到近端终点的压力差，P₀为近端终点入口处入口血流压力。

所述血管有n个平面，n是大于1的自然数。

当计算血流储备分数时，压力差应该为根据血管的几何参数修正后的压力差，不能直接使用CFD仿真单支血管后的压力值，否则将会造成FFR计算值比实际值偏小。

实施例3：压力差计算系统

在又一个具体的实施例中，本发明还提供了一种基于CFD的分叉血管压力差计算系统，该系统可以执行或采用例如实施例1和2中所介绍的具体的方法，结合图3所示，该系统包括：

几何数据获取模块，用于获得血管的几何参数和几何模型，该血管包括近端终点和远端终点，所述几何参数包括第一几何参数，代表该血管段近端横截面的面积或直径；第二几何参数，代表该血管段远端横截面的面积或直径；第三几何参数，代表该血管段位于近端终点和远端终点之间的第一位置的横截面面积或直径；所述几何模型是基于冠脉影像对分叉血管的主支进行三维重建后的结果；

参考管腔直径计算模块，基于所述第一几何参数、第二几何参数、第三几何参数以及第一位置的位置数据计算该血管的第一位置处的参考管腔直径；

主支血管段平面划分模块，以近端终点为参考平面(记作第0平面)，根据冠脉影像的最大分辨率，对上述几何模型沿主支方向进行划分，分别记作第1平面，第2平面，…，远端终点为第n平面，所述n为大于1的自然数值。

CFD压力仿真模块，基于所述几何模型和近端终点处入口血流量及血流压力，利用稳态CFD仿真得到所述几何模型上的压力分布，即主支血管段上每一个平面的平均血流压力。

压力校正模块，基于参考管腔直径利用压力校正公式对上述压力分布进行校正，并计算出所述血管近端终点处的第一血流压力和第i平面处的第二血流压力之间的压力差数值ΔP_i。

在一个具体的实施方式中，所述系统还包含血流储备分数计算模块，基于所述近端终点的压力，以及第i个平面与所述近端终点处的校正压力差，确定血流储备分数。

在一个具体的实施方式中，第i个平面位置与近端终点处的校正压力差，利用CFD仿真后得到的第i个平面的平均血流压力和几何参数获得，所述公式为

其中，i＝1,2,…,n。P_i'为校正后的第i个平面的平均血流压力值，D_i为第i个平面的参考管腔直径，P_i第i个平面的平均血流压力值，D₀为血管段近端横截面的直径，P₀为近端终点入口处入口血流压力。

实施例4：FFR快速计算系统

在又一个具体的实施例中，本发明还提供了一种基于CFD的分叉血管FFR快速计算系统，该系统可以执行或采用例如实施例1和2中所介绍的具体的方法，结合图3所示，该系统包括：

几何数据获取模块，用于获得血管的几何参数和几何模型，该血管包括近端终点和远端终点，所述几何参数包括第一几何参数，代表该血管段近端横截面的面积或直径；第二几何参数，代表该血管段远端横截面的面积或直径；第三几何参数，代表该血管段位于近端终点和远端终点之间的第一位置的横截面面积或直径；所述几何模型是基于冠脉影像对分叉血管的主支进行三维重建后的结果；

参考管腔直径计算模块，基于所述第一几何参数、第二几何参数、第三几何参数以及第一位置的位置数据计算该血管的第一位置处的参考管腔直径；

主支血管段平面划分模块，以近端终点为参考平面(记作第0平面)，根据冠脉影像的最大分辨率，对上述几何模型沿主支方向进行划分，分别记作第1平面，第2平面，…，远端终点为第n平面，所述n为大于1的自然数值。

CFD压力仿真模块，基于所述几何模型和近端终点处入口充血血流量及血流压力，利用稳态CFD仿真得到所述几何模型上的压力分布，即主支血管段上每一个平面的平均血流压力。

压力校正模块，基于参考管腔直径利用压力校正公式对上述压力分布进行校正，并计算出所述血管近端终点处的第一血流压力和第i平面处的第二血流压力之间的压力差数值ΔP_i。

在一个具体的实施方式中，所述系统还包含血流储备分数计算模块，基于所述近端终点的压力，以及第i个平面与所述近端终点处的校正压力差，确定血流储备分数。

在一个具体的实施方式中，第i个平面位置与近端终点处的校正压力差，利用CFD仿真后得到的第i个平面的平均血流压力和几何参数获得，所述公式为

其中，i＝1,2,…,n。P_i'为校正后的第i个平面的平均血流压力值，D_i为第i个平面的参考管腔直径，P_i第i个平面的平均血流压力值，D₀为血管段近端横截面的直径，P₀为近端终点入口处入口血流压力。

在一个具体的实施方式中，所述第i个平面的血流储备分数的计算公式为

其中，ΔP_i是第i个平面位置的压力差，P₀为近端终点入口处入口血流压力。

当i的值为n时，即远端终点时，远端终点处的血流储备分数的计算公式为

其中，ΔP_n是远端终点处到近端终点的压力差，P₀为近端终点入口处入口血流压力，n为大于1的自然数。

所述的血管的参考直径的获取方式可以采用以下方式，以近端终点为参考点，根据第一几何参数、第二几何参数，以及血管段上某点到参考点的距离x，计算出参考管腔直径函数；所述参考管腔直径函数用于代表该段血管不同位置上的参考管腔直径随着该位置到参考点的距离x变化的函数；第一几何参数代表该血管段近端横截面的面积或直径，第二几何参数代表该血管段远端横截面的面积或直径。

在一个具体的实施方式中，计算参考管腔直径函数包括对血管段的从血管段近端终点到远端终点范围内的位置参数进行线性归一化处理。通过归一化后的参数，形成参考管腔直径与实际管腔直径之间的函数关系。

Claims (15)

1.一种基于CFD仿真的分叉血管压力差的快速计算方法，包括：

接收一段有分叉血管的几何参数和几何模型，该血管包括近端终点和远端终点，所述几何参数包括第一几何参数，代表该血管段近端横截面的面积或直径；第二几何参数，代表该血管段远端横截面的面积或直径；第三几何参数，代表该血管段位于近端终点和远端终点之间的第一位置的横截面面积或直径；优选的，所述几何模型是基于冠脉影像对分叉血管的主支进行三维重建后的血管解剖结构，该血管解剖结构为官腔面积或者直径；

接收该分叉血管段近端终点处的入口血流量及血流压力；

基于所述第一几何参数、第二几何参数、第三几何参数以及第一位置的位置数据计算该血管第一位置处的参考管腔直径；所述第一位置的位置数据是第一位置到血管近端终点之间的距离；

基于所述几何模型和近端终点处入口血流量及血流压力，利用计算流体力学(CFD)仿真得到所述几何模型上的压力分布；

基于所述第一几何参数和第三几何参数，利用压力校正公式对上述压力分布进行校正，计算获得所述血管近端终点处的第一血流压力和第一位置处的第二血流压力之间的压力差数值ΔP。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步还包括：

以近端终点为参考平面(记作第0平面)，根据冠脉影像的最大分辨率，对上述几何模型沿主支方向进行划分，分别记作第1平面，第2平面，...，远端终点为第n平面，所述n为大于1的自然数值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法进一步还包括：

所述CFD仿真是稳态血流仿真，设置入口边界条件为近端终点处入口血流量及血流压力，出口边界条件为充分发展的流动；基于所述CFD稳态仿真，计算主支血管第i个平面上的平均血流压力值P_i。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法进一步还包括：

以近端终点为参考点，根据第一几何参数、第二几何参数，以及血管段上某点到参考点的距离x，计算出参考管腔直径函数；所述参考管腔直径函数用于代表该段血管不同位置上的参考管腔直径随着该位置到参考点的距离x变化的函数；

优选的，计算参考管腔直径函数包括对血管段的从血管段近端终点到远端终点范围内的位置参数进行线性归一化处理。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法进一步还包括：

基于上述参考管腔直径函数，计算第i个平面处主支的参考管腔直径，记作D_i。其中i＝0,1,...,n。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法进一步还包括：

根据第i个平面的参考管腔直径D_i、平均血流压力值P_i，血管段近端横截面的直径D₀以及近端终点处入口血流压力P₀，对第i个平面的平均血流压力P_i进行校正，得到校正后第i个平面的压力值P_i'；所述压力校正公式为：

$P_i^{\′}-P_0=(P_i-P_0)*{\left(\frac{D_i}{D_0}\right)}^2$

i＝1,2,...,n。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法进一步还包括：

利用所述校正后的压力值P_i'，可计算获得第i平面位置的血流压力和和近端终点处入口血流压力P₀的压力差。

8.一种基于CFD仿真的分叉血管FFR的快速计算方法，包括：

接收一段有分叉血管的几何参数和几何模型，该血管包括近端终点和远端终点，所述几何参数包括第一几何参数，代表该血管段近端横截面的面积或直径；第二几何参数，代表该血管段远端横截面的面积或直径；第三几何参数，代表该血管段位于近端终点和远端终点之间的第一位置的横截面面积或直径；优选的，所述几何模型是基于冠脉影像对分叉血管的主支进行三维重建后的血管解剖结构，所述血管解剖结构为管腔面积或直径；

接收该分叉血管段近端终点处的入口充血血流量及血流压力；所述入口充血血流量是该分叉血管在最大充血状态下的血流量；

基于所述第一几何参数、第二几何参数、第三几何参数以及第一位置的位置数据计算该血管第一位置处的参考管腔直径；所述第一位置的位置数据是第一位置到血管近端终点之间的距离；

基于所述几何模型和近端终点处入口充血血流量及血流压力，利用稳态计算流体力学(CFD)仿真得到所述几何模型上的压力分布；

基于所述第一几何参数和第三几何参数，利用压力校正公式对上述压力分布进行校正，计算获得所述血管近端终点处的第一血流压力和第一位置处的第二血流压力之间的比值，即为血流储备分数。

9.一种基于CFD仿真的分叉血管压力差的快速计算系统，该系统包括：

几何数据获取模块，用于获得血管的几何参数和几何模型，该血管包括近端终点和远端终点，所述几何参数包括第一几何参数，代表该血管段近端横截面的面积或直径；第二几何参数，代表该血管段远端横截面的面积或直径；第三几何参数，代表该血管段位于近端终点和远端终点之间的第一位置的横截面面积或直径；优选的，所述几何模型是基于冠脉影像对分叉血管的主支进行三维重建后的血管解剖结构，该血管解剖结构为管腔面积或直径；

参考管腔直径计算模块，基于所述第一几何参数、第二几何参数、第三几何参数以及第一位置的位置数据计算该血管第一位置处的参考管腔直径；

主支血管段平面划分模块，以近端终点为参考平面(记作第0平面)，根据冠脉影像的最大分辨率，对上述几何模型沿主支方向进行划分，分别记作第1平面，第2平面，...，远端终点为第n平面，所述n为大于1的自然数值。

CFD压力仿真模块，基于所述几何模型和近端终点处入口血流量及血流压力，利用稳态CFD仿真得到所述几何模型上的压力分布，即主支血管段上每一个平面的平均血流压力；

压力校正模块，基于参考管腔直径利用压力校正公式对上述压力分布进行校正，并计算出所述血管近端终点处的第一血流压力和第i平面处的第二血流压力之间的压力差数值ΔP_i。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述参考管腔直径计算模块，以近端终点为参考点，根据第一几何参数、第二几何参数，以及血管段上某点到参考点的距离x，计算出参考管腔直径函数；所述参考管腔直径函数用于代表该段血管不同位置上的参考管腔直径随着该位置到参考点的距离x变化的函数；

优选的，该系统还包括归一化模块，用于在计算参考管腔直径函数过程中，对血管段的从血管段近端终点到远端终点范围内的位置参数进行线性归一化处理。

11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述压力校正模块，是根据第i个平面的参考管腔直径D_i、平均血流压力值P_i，血管段近端横截面的直径D₀以及近端终点处入口血流压力P₀，对第i个平面的平均血流压力P_i进行校正，得到校正后第i个平面的压力值P_i'；所述压力校正公式为：

${\mathrm{\ΔP}}_i=P_i^{\′}-P_0=(P_i-P_0)*{\left(\frac{D_i}{D_0}\right)}^2$

i＝1,2,...,n。

12.一种基于CFD仿真的分叉血管血流储备分数的快速计算系统，该系统包括：

几何数据获取模块，用于获得血管的几何参数和几何模型，该血管包括近端终点和远端终点，所述几何参数包括第一几何参数，代表该血管段近端横截面的面积或直径；第二几何参数，代表该血管段远端横截面的面积或直径；第三几何参数，代表该血管段位于近端终点和远端终点之间的第一位置的横截面面积或直径；优选的，所述几何模型是基于冠脉影像对分叉血管的主支进行三维重建后的血管解剖结构，该血管解剖结构为管腔面积或直径；

参考管腔直径计算模块，基于所述第一几何参数、第二几何参数、第三几何参数以及第一位置的位置数据计算该血管第一位置处的参考管腔直径；

主支血管段平面划分模块，以近端终点为参考平面(记作第0平面)，根据冠脉影像的最大分辨率，对上述几何模型沿主支方向进行划分，分别记作第1平面，第2平面，...，远端终点为第n平面，所述n为大于1的自然数值。

CFD压力仿真模块，基于所述几何模型和近端终点处入口充血血流量及血流压力，利用稳态CFD仿真得到所述几何模型上的压力分布，即主支血管段上每一个平面的平均血流压力；

压力校正模块，基于参考管腔直径利用压力校正公式对上述压力分布进行校正，并计算出所述血管近端终点处的第一血流压力和第i平面处的第二血流压力之间的压力差数值ΔP_i及第i个平面处的血流储备分数FFR。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述参考管腔直径计算模块，以近端终点为参考点，根据第一几何参数、第二几何参数，以及血管段上某点到参考点的距离x，计算出参考管腔直径函数；所述参考管腔直径函数用于代表该段血管不同位置上的参考管腔直径随着该位置到参考点的距离x变化的函数；

优选的，该系统还包括归一化模块，用于在计算参考管腔直径函数过程中，对血管段的从血管段近端终点到远端终点范围内的位置参数进行线性归一化处理。

14.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述压力校正模块，是根据第i个平面的参考管腔直径D_i、平均血流压力值P_i，血管段近端横截面的直径D₀以及近端终点处入口血流压力P₀，对第i个平面的平均血流压力P_i进行校正，得到校正后第i个平面的压力值P_i'；所述压力校正公式为：

${\mathrm{\ΔP}}_i=P_i^{\′}-P_0=(P_i-P_0)*{\left(\frac{D_i}{D_0}\right)}^2$

i＝1,2,...,n。

15.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述第i个平面的血流储备分数的计算公式为

$FFR=\frac{P_0-{\mathrm{\ΔP}}_i}{P_0}$

其中，ΔP_i是第i个平面位置的压力差，P₀为近端终点入口处入口血流压力。