CN109259751A - 一种评估血流储备分数的方法及装置、设备、存储介质 - Google Patents

一种评估血流储备分数的方法及装置、设备、存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种评估血流储备分数的方法及装置、设备、存储介质，所述方法包括：确定待检测冠状动脉的龙骨节点分布；解析所述龙骨节点分布获取所述待检测冠状动脉的分支路径；以所述冠状动脉的龙骨节点为节点，将所述冠状动脉划分为多个管流元，其中，所述管流元的长度为相邻节点的距离；根据所述冠状动脉的分支路径流量，得到所述管流元的压力损失参数；根据所述管流元的压力损失参数及预设的等效计算策略，得到所述管流元的压力损失及所述龙骨节点的压力分布；根据所述龙骨节点的压力分布，得到所述冠状动脉的血流储备分数。

Description

一种评估血流储备分数的方法及装置、设备、存储介质
技术领域
本发明涉及生物医学工程技术，尤其涉及一种评估血流储备分数的方法及装置、设备、存储介质。
背景技术
心血管疾病是世界范围内造成致残和过早死亡的主要原因。冠状动脉疾病(CAD,coronary arterial disease)是最常见的一类心血管疾病，冠状动脉供血不足会引起心肌缺血，从而引起心绞痛甚至心肌梗塞。临床上经常使用冠脉CT造影(CTA)和冠状动脉造影(CAG,Coronary angiography)来诊断冠脉心脏病，两者均由造影确认冠脉的狭窄程度，从而推断心肌缺血性病变。事实证明狭窄和缺血性心脏病以及心肌梗塞之间没有必然联系。冠状动脉血流储备分数(FFR,Fractional Flow Reserve)已经成为目前评价缺血性冠心病的金标准，能弥补上述不足。FFR定义为最大充血状态下，存在狭窄病变时血管所能获得的最大血流量与正常状态下血管所能获得的最大血流量的比值。临床上通过注射腺苷使得心肌微循环最大程度充血，其阻力小到忽略不计。根据流体力学公式可知，心肌组织的血流量与灌注压呈正比，故FFR可以通过狭窄病变下游远端的压力与狭窄上游压力的比值计算得出。
一种方法是采用压力导丝等有创方式测量FFR。然而介入式测量法不但操作过程复杂，存在损伤血管的风险；而且需要注射腺苷使冠脉微循环充分扩张，常伴随着许多不良反应，引起身体不适。
另一种方法是无创FFR评估技术。该技术利用CTA重构得到冠状动脉的几何模型，结合计算流体力学(CFD,Computational Fluid Dynamic)对冠脉内血液运动进行流体力学模拟，求得入口到出口的压力分布，进而计算FFR。数值模拟需要的边界条件通过人为估计给出。虽然该方法基于CTA和无创的CFD多尺度数值模拟，其主要问题在于：(1)构建CFD计算所需的网格步骤繁琐，需要较强的专业CFD背景，难度较大；(2)由于计算模型复杂和网格数量巨大，该方法非常耗时，不适用于临床快速诊断；(3)该方法对电脑性能要求较高，一般需要在工作站或服务器上完成计算任务，导致计算成本较大。Schrauwen(2015)等人针对直线型变截面冠脉模型提出了基于一维Navier-Stokes方程的快速压力评估算法。该方法根据直线型冠脉的几何外形和流量计算出不同截面上的速度分布，然后将该速度分布带入简化的NS方程中求得压力分布，进而对压力积分可得到冠脉沿程的压力损失。这个方法计算速度快，但目前只适用于直线型冠脉模型，无法推广到真实情况。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例为解决现有技术中存在的至少一个问题而提供一种评估血流储备分数的方法及装置、设备、存储介质，完成完整冠状动脉的血流储备分数(FFR)的计算。将冠状动脉划分为多个管流元，根据管流元的压力损失参数计算冠状动脉的龙骨节点上的压力差，只涉及简单的代数运算，不涉及求解流体力学方程。计算过程中使用了导致压力损失的四个主要因素，所述四个主要因素包括沿程压力损失，由扩张或收缩导致的局部压力损失，由弯曲导致的局部压力损失，由于分叉导致的局部压力损失，可快速计算出整个冠状动脉的血流储备分数，如此，得到的冠状动脉的血流储备分数结果具有较高的准确度和可靠性。本发明实施例的技术方案是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供一种评估血流储备分数的方法，所述方法包括：
确定待检测冠状动脉的龙骨节点分布；
解析所述龙骨节点分布获取所述待检测冠状动脉的分支路径；
以所述冠状动脉的龙骨节点为节点，将所述冠状动脉划分为多个管流元，其中，所述管流元的长度为相邻节点的距离；
根据所述冠状动脉的分支路径流量，得到所述管流元的压力损失参数；
根据所述管流元的压力损失参数及预设的等效计算策略，得到所述管流元的压力损失及所述龙骨节点的压力分布；
根据所述龙骨节点的压力分布，得到所述冠状动脉的血流储备分数；
所述确定待检测冠状动脉的龙骨节点分布，包括：
建立所述冠状动脉的三维图像模型；
根据所述冠状动脉的三维图像模型，重构所述冠状动脉的一维龙骨节点的分布。
所述解析所述龙骨节点分布获取所述待检测冠状动脉的分支路径，包括：
根据所述冠状动脉的一维龙骨节点的分布，确定父节点和子节点的空间关系，其中，所述龙骨节点在血流反方向上距离所述龙骨节点最近的点作为父节点，所述龙骨节点作为子节点；
根据所述父节点与子节点的空间关系，得到所述冠状动脉的入口到出口的分支路径。
所述根据所述冠状动脉的分支路径流量，得到所述管流元的压力损失参数之前，所述方法还包括：
根据预设的预估策略，确定所述冠状动脉的入口总流量；
根据所述冠状动脉的入口到出口的分支路径、所述冠状动脉的入口总流量及预设的分配策略，确定所述冠状动脉的分支路径流量。
所述根据所述管流元的压力损失参数及预设的等效计算策略，得到所述管流元的压力损失及龙骨节点的压力分布，包括：
根据所述管流元的压力损失参数，得到所述龙骨节点的压力损失，其中，所述龙骨节点的压力损失包括沿程压力损失、由扩张或收缩导致的局部压力损失、由弯曲导致的局部压力损失、由分叉导致的局部压力损失；
将所述龙骨节点的压力损失进行求和，得到所述管流元的压力损失；
将所述龙骨节点的父节点的压力和所述管流元的压力损失进行求差，得到所述龙骨节点的压力。
根据所述龙骨节点的压力，得到所述龙骨节点的压力分布。
所述建立冠状动脉的三维图像模型，包括：
根据充血状态下的冠状动脉CTA图像数据，建立所述冠状动脉的三维图像模型。
所述根据预设的预估策略，确定所述冠状动脉的入口总流量，包括以下至少一项：
根据主动脉流量按预设比例分配，确定所述冠状动脉的入口总流量；
根据磁共振实际测量冠状动脉左右分支的血液体积流量，确定所述冠状动脉的入口总流量；
根据基于心肌模型的流量评估，确定所述冠状动脉的入口总流量；
根据冠脉入口总流量的平均值，确定所述冠状动脉的入口总流量。
所述根据所述龙骨节点的压力分布，得到所述冠状动脉的血流储备分数之后，所述方法还包括：
根据所述冠状动脉的血流储备分数和预设阈值，检测所述冠状动脉；
将所述龙骨节点的压力分布和所述分支路径流量作为初始条件或边界条件，对所述冠状动脉内血液流动进行整体或局部的三维CFD精细数值模拟，得到所述冠状动脉内血液的流场。
第二方面，本发明实施例提供一种评估血流储备分数的装置，所述装置包括：第一处理单元、第二处理单元、第三处理单元、第一计算单元、第二计算单元和第三计算单元，其中：
所述第一处理单元，用于确定待检测冠状动脉的龙骨节点分布；
所述第二处理单元，用于解析所述龙骨节点分布获取所述待检测冠状动脉的分支路径；
所述第三处理单元，用于以所述冠状动脉的龙骨节点为节点，将所述冠状动脉划分为多个管流元，其中，所述管流元的长度为相邻节点的距离；
所述第一计算单元，用于根据所述冠状动脉的分支路径流量，得到所述管流元的压力损失参数；
所述第二计算单元，用于根据所述管流元的压力损失参数及预设的等效计算策略，得到所述管流元的压力损失及所述龙骨节点的压力分布；
所述第三计算单元，用于根据所述龙骨节点的压力分布，得到所述冠状动脉的血流储备分数。
第三方面，本发明实施例提供一种设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的评估血流储备分数的的方法中的步骤。
第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述的评估血流储备分数的的方法中的步骤。
本发明实施例中，确定待检测冠状动脉的龙骨节点分布；解析所述龙骨节点分布获取所述待检测冠状动脉的分支路径；以所述冠状动脉的龙骨节点为节点，将所述冠状动脉划分为多个管流元，其中，所述管流元的长度为相邻节点的距离；根据所述冠状动脉的分支路径流量，得到所述管流元的压力损失参数；根据所述管流元的压力损失参数及预设的等效计算策略，得到所述管流元的压力损失及所述龙骨节点的压力分布；根据所述龙骨节点的压力分布，得到所述冠状动脉的血流储备分数；如此，得到的血流储备分数(FFR)结果具有较高的准确度和可靠性。另外，以所述龙骨节点的压力分布和所述分支路径流量为初始条件，结合冠状动脉的三维计算网格，对冠状动脉内血液流动进行整体或局部的三维CFD精细数值模拟。
附图说明
图1为本发明实施例评估血流储备分数的方法的实现流程示意图；
图2为本发明实施例评估血流储备分数的方法的实现流程示意图；
图3为本发明实施例评估血流储备分数的方法的实现流程示意图；
图4为本发明实施例重构好的冠状动脉三维模型示意图；
图5为本发明实施例冠状动脉的龙骨节点示意图；
图6为本发明实施例冠状动脉的龙骨节点的压力分布示意图；
图7为本发明实施例评估冠状动脉的血流储备分数的结果示意图；
图8为本发明实施例评估血流储备分数的装置的组成结构示意图；
图9为本发明实施例评估血流储备分数的装置的组成结构示意图；
图10为本发明实施例评估血流储备分数的装置的组成结构示意图；
图11为本发明实施例评估血流储备分数的装置的组成结构示意图；
图12为本发明实施例设备的组成结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。
实施例一
图1为本发明实施例评估血流储备分数的方法的实现流程示意图，如图1所示，该方法包括：
步骤S101：确定待检测冠状动脉的龙骨节点分布。
步骤S102：解析所述龙骨节点分布获取所述待检测冠状动脉的分支路径。
步骤S103：以所述冠状动脉的龙骨节点为节点，将所述冠状动脉划分为多个管流元，其中，所述管流元的长度为相邻节点的距离。
步骤S104：根据所述冠状动脉的分支路径流量，得到所述管流元的压力损失参数。
步骤S105：根据所述管流元的压力损失参数及预设的等效计算策略，得到所述管流元的压力损失及所述龙骨节点的压力分布。
步骤S106：根据所述龙骨节点的压力分布，得到所述冠状动脉的血流储备分数。
对于图1所示的技术方案，需要说明的是，冠状动脉简称为冠脉，首先由CT造影重构出冠脉的三维模型，得到冠脉龙骨点的空间分布、各龙骨点上冠脉的等效直径、各龙骨点上冠脉的曲率半径等几何信息。所谓冠脉龙骨，指冠脉血管的中心线，龙骨点为龙骨离散的空间分布点。其次，估计冠脉入口的最大流量，可采用磁共振成像无创测量方法，也可采用射血分数(EF)流量评估方法，或者基于心肌模型的流量评估方法等可能的冠脉流量评估方法。再次，以冠脉龙骨点为节点，将冠脉等效划分为多个管流元，每个管流元的长度为相邻节点的距离，根据所述冠状动脉的分支路径流量，得到所述管流元的压力损失参数；根据所述管流元的压力损失参数及预设的等效计算策略，得到所述管流元的压力损失及所述龙骨节点的压力分布。最后，根据所述龙骨节点的压力分布，得到所述冠状动脉的血流储备分数。上述技术方案可完成完整冠状动脉的血流储备分数(FFR)的计算，只涉及简单的代数运算，不涉及求解流体力学方程；将冠状动脉划分为多个管流元，根据管流元的压力损失参数计算冠状动脉的龙骨节点上的压力差；计算过程中使用了导致压力损失的四个主要因素，所述四个主要因素包括沿程压力损失，由扩张或收缩导致的局部压力损失，由弯曲导致的局部压力损失，由于分叉导致的局部压力损失，可快速计算出整个冠状动脉的血流储备分数，如此，得到的冠状动脉的血流储备分数结果具有较高的准确度和可靠性。另外，得到所述冠脉龙骨节点的的压力分布和所述分支路径流量后，结合冠状动脉的三维计算网格，对冠状动脉内血液流动进行整体或局部的三维CFD精细数值模拟，其中，CFD(ComputationalFluid Dynamics)，即计算流体动力学。
对于图1所示的技术方案，在一种可能的实现方案中，所述确定待检测冠状动脉的龙骨节点分布，包括：
建立所述冠状动脉的三维图像模型；
根据所述冠状动脉的三维图像模型，重构所述冠状动脉的一维龙骨节点的分布。
需要说明的是，在本发明实施例的技术方案中，涉及基于CT造影(CTA，CTangiography)和核磁共振成像(MRI，Magnetic Resonance Imaging)的评估冠状动脉血流储备分数(FFR，Fractional Flow Reserve)的方法。
那么，优选来说，所述建立冠状动脉的三维图像模型，包括：
根据充血状态下的冠状动脉CTA图像数据，建立所述冠状动脉的三维图像模型。
对于图1所示的技术方案，在一种可能的实现方案中，所述解析所述龙骨节点分布获取所述待检测冠状动脉的分支路径，包括：
根据所述冠状动脉的一维龙骨节点的分布，确定父节点和子节点的空间关系，其中，所述龙骨节点在血流反方向上距离所述龙骨节点最近的点作为父节点，所述龙骨节点作为子节点；
根据所述父节点与子节点的空间关系，得到所述冠状动脉的入口到出口的分支路径。
需要说明的是，在本发明实施例的技术方案中，根据所述冠状动脉的分支路径流量，得到所述管流元的压力损失参数。
那么，优选来说，所述根据所述冠状动脉的分支路径流量，得到所述管流元的压力损失参数之前，所述方法还包括：
根据预设的预估策略，确定所述冠状动脉的入口总流量；
根据所述冠状动脉的入口到出口的分支路径、所述冠状动脉的入口总流量及预设的分配策略，确定所述冠状动脉的分支路径流量。
对于该优选示例，所述根据预设的预估策略，确定所述冠状动脉的入口总流量，包括以下至少一项：
根据主动脉流量按预设比例分配，确定所述冠状动脉的入口总流量；
根据磁共振实际测量冠状动脉左右分支的血液体积流量，确定所述冠状动脉的入口总流量；
根据基于心肌模型的流量评估，确定所述冠状动脉的入口总流量；
根据冠脉入口总流量的平均值，确定所述冠状动脉的入口总流量。
对于图1所示的技术方案，在一种可能的实现方案中，所述根据所述管流元的压力损失参数及预设的等效计算策略，得到所述管流元的压力损失及龙骨节点的压力分布，包括：
根据所述管流元的压力损失参数，得到所述龙骨节点的压力损失，其中，所述龙骨节点的压力损失包括沿程压力损失、由扩张或收缩导致的局部压力损失、由弯曲导致的局部压力损失、由分叉导致的局部压力损失；
将所述龙骨节点的压力损失进行求和，得到所述管流元的压力损失；
将所述龙骨节点的父节点的压力和所述管流元的压力损失进行求差，得到所述龙骨节点的压力。
根据所述龙骨节点的压力，得到所述龙骨节点的压力分布。
对于图1所示的技术方案，在一种可能的实现方案中，所述根据所述龙骨节点的压力分布，得到所述冠状动脉的血流储备分数之后，所述方法还包括：
根据所述冠状动脉的血流储备分数和预设阈值，检测所述冠状动脉；
将所述龙骨节点的压力分布和所述分支路径流量作为初始条件或边界条件，对所述冠状动脉内血液流动进行整体或局部的三维CFD精细数值模拟，得到所述冠状动脉内血液的流场。
需要说明的是，以所述龙骨节点的压力分布和所述分支路径流量作为初始条件或边界条件，结合冠状动脉的三维计算网格，进行CFD三维流场模拟。由于已经通过快速算法得到冠脉任何位置的流量和压力，数值模拟可进行整体冠脉精细模拟和局部冠脉精细模拟。整体冠脉精细模拟可以获得冠脉的全尺寸流场分布；局部冠脉精细模拟主要针对分叉处流动，用以准确确定分叉导致的压力损失。
需要说明的是，FFR定义为最大充血状态下，存在狭窄病变时血管所能获得的最大血流量与正常状态下血管所能获得的最大血流量的比值。根据FFR的定义，其实质是计算冠脉中压力的损失。为了实现真实冠脉情况下快速计算FFR的目的，将冠脉血液流动等效成有限个微小圆管流动的组合，以管流的沿程压力损失和局部压力损失为基础计算整体压力损失。管流的压力损失是由流体在等截面直管内的摩擦阻力所引起的沿程压力损失hl和由于流道形状改变、流速受到扰动、流动方向变化等引起的局部压力损失hm组合而成。通常认为每种损失都能充分的体现出来而且独立地不受其他损失的影响，因此压力损失可以叠加。沿程压力损失hl与管长l、管径d、平均流速U的关系式为：
其中△p、λ、g分别为压力损失、沿程阻力系数和重力加速度。对于层流λ＝64/Re，雷诺数Re等于ρUd/μ，ρ和μ分别为血液的密度和动力粘性系数。局部压力损失一般通过实验确定，通常将局部压力损失表示为：
式中为局部压力损失系数。对于冠脉，一般考虑线性渐缩、线性渐扩、弯曲和分叉导致的压力损失。表1列出了不同类型管道的局部压力损失系数的计算公式，其中，Ai为冠脉的等效面积、di为等效直径，需要说明的是，表1中分叉导致的局部阻力系数为经验值。以沿程压力损失和局部压力损失为基础，对冠脉压力进行逐段积分，进而快速求得整个冠脉的FFR。
表1不同类型管道的局部压力损失系数
表1
实施例二
基于前述实施例相同的发明构思，本实施例通过具体示例对上述实施例的技术方案进行说明。
参见图2，图2为本发明实施例评估血流储备分数的方法的实现流程示意图，如图2所示，具体包括：
步骤S201：根据充血状态下的冠状动脉CTA图像数据建立冠状动脉的三维图像模型。
需要说明的是，在实际实施时，在患者冠状动脉的心肌微循环完全充血状态下，使用计算机断层扫描CT设备对患者的心脏血管部位进行血管造影，获得冠状动脉的CTA图像数据；再根据冠状动脉的CTA图像数据，通过设置阈值、选取一定数量的等值面、建立连通域等方法，建立冠状动脉的三维图像模型。
步骤S202：根据冠状动脉的三维图像模型，重构冠状动脉的一维龙骨点分布。
需要说明的是，龙骨节点的总个数为N，第i个节点的空间位置用pi＝(xi,yi,zi)表示。每个节点上算出冠脉的等效面积Ai、等效直径di、曲率半径ri、血流方向vi，其中通过空间位置pi＝(xi,yi,zi)的一阶导数得到血流方向vi。等效面积指冠脉血管的垂直截面所包围的面积；等效直径的计算公式为曲率半径和血流方向按各自的数学定义计算即可。
步骤S203：查找每个节点的父节点。查找节点i在血流反方向(-vi)上距离该节点最近的点，并作为父节点，当前节点称为子节点，说明血流方向是从父节点流向子节点。
需要说明的是，入口点没有父节点，出口点没有子节点，分叉点是多个子节点的父节点。为了便于说明，节点i的父节点的索引用ip表示。
步骤S204：根据子节点与父节点的空间关系搜索入口到出口的分支路径；同时根据预设方式确定冠状动脉入口总流量Q。
需要说明的是，即从出口开始查找每一个节点的父节点，直到冠脉的入口节点。若冠脉有M个出口，则对应有M条分支，每条分支Lj都是部分龙骨点的集合，j最大为M。
需要说明的是，所述冠脉入口总流量Q可通过主动脉流量按预设比例分配得到，也可通过磁共振实际测量患者冠状动脉左右分支的血液体积流量得到，也可采用基于心肌模型的流量评估方法得到，也可设定为冠脉入口总流量Q的平均值。
步骤S205：对每条冠状动脉分支进行流量分配。
需要说明的是，采用分支流量Qj与分支处根部直径dj的三次方成正比的方式分配流量，也就是下标j为分支的索引。将每个分支的流量相加，可得龙骨上每个节点的流量qi，下标i为龙骨节点的索引。
步骤S206：计算得到管流元的压力损失及龙骨节点的压力分布。
需要说明的是，将冠脉龙骨简化成有限个管流元，根据管流的沿程压力损失和局部压力损失公式计算每个节点上的压力差。从入口开始对每个节点的压力差进行积分，得到每个龙骨点上的压力值pi。
图3为步骤S206的实现流程示意图，执行步骤S2061～步骤S2066，具体如下：
步骤S2061：计算得到管流元的压力损失参数。
需要说明的是，计算节点i与其父节点ip之间的距离li、节点i与其父节点ip之间平均直径节点i与其父节点ip之间平均速度节点i与其父节点ip之间平均曲率半径节点i与其父节点ip之间弯曲角度θi、节点i与其父节点ip之间扩张或收缩角αi、节点i与其父节点ip之间扩张或收缩的面积比Ari、当前节点对应的雷诺数Rei以及当前节点的沿程阻力系数λi。这里，当前节点为子节点。计算管流元的压力损失参数的具体计算公式，如表2所示。
表2管流元的压力损失参数的计算公式
表2
步骤S2062：计算得到龙骨节点的沿程压力损失△p1i，计算公式如下：
步骤S2063：计算得到龙骨节点的由扩张或收缩导致的局部压力损失△p2i。
这里需要说明的是，计算之前需通过父节点和子节点的等效直径判断当前节点是线性渐扩管还是渐缩管。计算公式如下：
线性渐扩：
线性渐缩：
步骤S2064：计算得到龙骨节点的由弯曲导致的局部压力损失△p3i，计算公式如下：
步骤S2065：计算得到龙骨节点的由分叉导致的局部压力损失△p4i。
需要说明的是，判断当前子节点是否是分叉点，若是分叉点，计算由于血流分叉导致的局部压力损失△p4i，计算公式如下：
需要说明的是，该压力损失只存在于分叉点，损失系数可以为0.5或其他值。
步骤S2066：计算得到管流元的压力损失及龙骨节点的压力分布。
需要说明的是，沿冠脉入口对压力损失进行逐点积分，遍历所有点后得到龙骨节点上的压力分布。
计算公式如下：
式中pi代表当前子节点上的压力，代表父节点上的压力，给定入口处压力为p0。将所述龙骨节点的压力损失△p1i，△p2i，△p3i，△p4i进行求和，得到所述管流元的压力损失；将所述龙骨节点的父节点的压力和所述管流元的压力损失进行求差，得到所述龙骨节点pi的压力。
步骤S207：计算得到所述冠状动脉的血流储备分数。
需要说明的是，FFR定义为最大充血状态下，存在狭窄病变时血管所能获得的最大血流量与正常状态下血管所能获得的最大血流量的比值。根据FFR的定义，计算每个龙骨节点上的FFRi，计算公式如下：
式中p0为入口节点的压力，pi为龙骨节点的压力。这样可以得到所述冠状动脉的血流储备分数。
步骤S208：以所述龙骨节点的压力分布和所述分支路径流量为初始条件(或边界条件)，结合冠状动脉的三维计算网格，对冠状动脉内血液流动进行整体或局部的三维CFD精细数值模拟，得到所述冠状动脉内血液的流场。
需要说明的是，所述流场包括速度流场、压力流场。
需要说明的是，本实施例可完成完整冠脉模型上FFR的计算，上述实现方案只涉及简单的代数运算，不涉及求解流体力学方程，可快速计算出整个冠脉的FFR；计算的过程中考虑了导致压力损失的四个主要因素，所述四个主要因素包括沿程压力损失，由扩张或收缩导致的局部压力损失，由弯曲导致的局部压力损失，由于分叉导致的局部压力损失，因此得到冠状动脉的血流储备分数(FFR)结果具有较高的准确度和可靠性。得到所述龙骨节点的压力分布和所述分支路径流量后，可对冠状动脉内血液流动进行整体或局部的三维CFD精细数值模拟，得到所述冠状动脉内血液的流场。
实施例三
基于前述实施例相同的发明构思，本实施例通过具体示例对上述实施例的技术方案进行说明，具体包括：
患者需要在冠状动脉的心肌微循环完全充血状态下，使用计算机断层扫描CT设备对患者的心脏血管部位进行血管造影，获得冠状动脉的CTA图像数据；再根据冠状动脉的CTA图像数据，建立冠状动脉的三维图像模型。示例性地，
图4为本发明实施例重构好的冠状动脉三维模型示意图。冠状动脉的三维图像模型包含了多条冠状动脉主要分支以及部分升主动脉，其中，多条冠状动脉主要分支包括：左前降支(LAD，left anterior descending artery)动脉、左旋支(LCX，left circumflexartery)动脉、右冠状动脉(RCA，Right Coronary Artery)和左冠状动脉(LCA，LeftCoronary Artery)等。本实施例将主要计算左冠状动脉的FFR，这里左冠状动脉简称左冠脉。
步骤S401：给定左冠脉入口，从入口开始计算左冠脉龙骨，即冠脉的中心线。
需要说明的是，本实施例采用了基于图像形态学的细化算法；得到龙骨节点后，计算冠脉在垂直截面上的等效面积和等效半径；最后对龙骨节点进行三维空间曲线拟合计算曲率半径和曲线切向方向。图5为本发明实施例冠状动脉的龙骨节点示意图，图5中冠状动脉截取一段进行放大，多个黑色的圆点表示为龙骨节点，所述龙骨节点用大小为等效直径的三维球表示，每个龙骨节点包含以下几何信息：龙骨点索引i、空间位置pi＝(xi,yi,zi)、冠脉等效直径di、曲率半径ri、血流方向vi、龙骨点的总个数为N。
步骤S402：查找节点i在血流反方向(-vi)上距离该节点最近的点作为父节点，当前节点称为子节点。
需要说明的是，血流方向是从父节点流向子节点。除入口节点外，每个节点都有对应的父节点。节点i的父节点的索引用ip表示。
步骤S403：根据血流方向搜索入口到出口的分支路径。
需要说明的是，在实际操作中，首先找到各个分支的出口节点，然后从出口节点开始依次查找父节点，直到入口节点。本实施例中共有14个分支出口，对应14条分支，记录这14条分支路径的龙骨点索引。
步骤S404：根据每条分支的流量分配直径dj，为左冠脉各分支分配流量，下标j代表分支的索引。
需要说明的是，流量分配直径dj采用分支根部的直径；流量分配方式采用的方式；冠脉入口总流量Q通过病人磁共振数据得到，设定为5.7808×10-6m3/s。各分支流量的计算公式为：
将每个分支上的流量相加，可得龙骨上每个节点的流量qi。下标i代表龙骨点的索引。
步骤S405：根据表2中的公式，计算各个节点上的距离、平均直径、平均速度、平均曲率半径、弯曲角度、扩张或收缩角、扩张或收缩的面积比、当前节点对应的雷诺数以及当前节点的沿程阻力系数。
步骤S406：计算每个节点上的压力损失。
需要说明的是，根据公式(3)计算沿程压力损失△p1i；根据公式(4)或公式(5)计算线性渐扩或线性渐缩导致的压力损失△p2i；根据公式(6)计算冠脉弯曲导致的压力损失△p3i；根据公式(7)计算分叉导致的压力损失△p4i。
步骤S407：根据公式(8)对压力损失进行逐点积分，遍历所有点后得到龙骨节点上的压力分布。
需要说明的是，本实施例中入口压力p0设为90mmHg＝11970Pa。图6为本发明实施例冠状动脉的龙骨节点的压力分布示意图，颜色越深代表压力越小，图6中压力范围在90mmHg至60mmHg。
步骤S408：根据公式(9)计算每个龙骨点上的FFR，得到冠状动脉的FFR,图7为本发明实施例评估冠状动脉的血流储备分数的结果示意图，图7中FFR取值范围在1至0.7。
需要说明的是，根据所述冠状动脉的血流储备分数和预设阈值，检测所述冠状动脉，这里阈值为0.7，如果得到的FFR取值小于0.7，则所述冠状动脉需要动手术。另外，以所述龙骨节点的压力分布和所述分支路径流量为初始条件(或边界条件)，结合冠状动脉的三维计算网格，可对冠状动脉内血液流动进行整体或局部的三维CFD精细数值模拟。
实施例四
基于前述实施例相同的发明构思，图8为本发明实施例评估血流储备分数的装置的组成结构示意图，如图8所示，所述评估血流储备分数的装置800，包括：
第一处理单元801、第二处理单元802、第三处理单元803、第一计算单元804、第二计算单元805和第三计算单元806，其中：
所述第一处理单元801，用于确定待检测冠状动脉的龙骨节点分布；
所述第二处理单元802，用于解析所述龙骨节点分布获取所述待检测冠状动脉的分支路径；
所述第三处理单元803，用于以所述冠状动脉的龙骨节点为节点，将所述冠状动脉划分为多个管流元，其中，所述管流元的长度为相邻节点的距离；
所述第一计算单元804，用于根据所述冠状动脉的分支路径流量，得到所述管流元的压力损失参数；
所述第二计算单元805，用于根据所述管流元的压力损失参数及预设的等效计算策略，得到所述管流元的压力损失及所述龙骨节点的压力分布；
所述第三计算单元806，用于根据所述龙骨节点的压力分布，得到所述冠状动脉的血流储备分数。
优选地，参见图9所述，第一处理单元801，包括：建模模块8011和重构模块8012，其中：
所述建模模块8011，用于建立所述冠状动脉的三维图像模型；
所述重构模块8012，用于根据所述冠状动脉的三维图像模型，重构所述冠状动脉的一维龙骨节点的分布。
优选地，所述建模模块8011，用于根据充血状态下的冠状动脉CTA图像数据，建立所述冠状动脉的三维图像模型。
优选地，所述第二处理单元802，用于根据所述冠状动脉的一维龙骨节点的分布，确定父节点和子节点的空间关系，其中，所述龙骨节点在血流反方向上距离所述龙骨节点最近的点作为父节点，所述龙骨节点作为子节点；根据所述父节点与子节点的空间关系，得到所述冠状动脉的入口到出口的分支路径。
优选地，所述第二计算单元805，用于根据所述管流元的压力损失参数，得到所述龙骨节点的压力损失，其中，所述龙骨节点的压力损失包括沿程压力损失、由扩张或收缩导致的局部压力损失、由弯曲导致的局部压力损失、由分叉导致的局部压力损失；将所述龙骨节点的压力损失进行求和，得到所述管流元的压力损失；将所述龙骨节点的父节点的压力和所述管流元的压力损失进行求差，得到所述龙骨节点的压力；根据所述龙骨节点的压力，进而得到所述全部龙骨节点的压力分布。
在上述方案中，参见图10所述，装置800还包括：预估流量单元807，其中：
所述预估流量单元807，用于根据预设的预估策略，确定所述冠状动脉的入口总流量；根据所述冠状动脉的入口到出口的分支路径、所述冠状动脉的入口总流量及预设的分配策略，确定所述冠状动脉的分支路径流量。
优选地，所述预估流量单元807，用于根据主动脉流量按预设比例分配，确定所述冠状动脉的入口总流量；根据磁共振实际测量冠状动脉左右分支的血液体积流量，确定所述冠状动脉的入口总流量；根据基于心肌模型的流量评估，确定所述冠状动脉的入口总流量；根据冠脉入口总流量的平均值，确定所述冠状动脉的入口总流量。
在上述方案中，参见图11所述，装置800还包括：检测单元808，其中：
所述检测单元808，用于根据所述冠状动脉的血流储备分数和预设阈值，检测所述冠状动脉；
将所述龙骨节点的压力分布和所述分支路径流量作为初始条件或边界条件，对所述冠状动脉内血液流动进行整体或局部的三维CFD精细数值模拟，得到所述冠状动脉内血液的流场。
以上装置实施例的描述，与上述方法实施例的描述是类似的，具有同方法实施例相似的有益效果。对于本发明装置实施例中未披露的技术细节，请参照本发明方法实施例的描述而理解。
需要说明的是，本发明实施例中，如果以软件功能模块的形式实现上述的评估血流储备分数的方法，并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台设备执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。
对应地，本发明实施例提供一种设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的评估血流储备分数的方法中的步骤。
一般来说，设备在实施的过程中可以为各种类型的具有信息处理能力的设备，例如所述设备可以包括服务器等。
对应地，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述的评估血流储备分数的方法中的步骤。
这里需要指出的是：以上存储介质和设备实施例的描述，与上述方法实施例的描述是类似的，具有同方法实施例相似的有益效果。对于本发明存储介质和设备实施例中未披露的技术细节，请参照本发明方法实施例的描述而理解。
基于上述评估血流储备分数的装置800以及计算机可读存储介质，本发明实施例提供一种设备，图12为本发明实施例设备的组成结构示意图，如图12所示，所述设备1200至少包括一个处理器1201、至少一个通信总线1202、用户接口1203、至少一个外部通信接口1204和存储器1205。其中，通信总线1202配置为实现这些组件之间的连接通信。其中，用户接口1203可以包括显示屏，外部通信接口1204可以包括标准的有线接口和无线接口。存储器1205配置为存储由处理器1201可执行的指令和应用，还可以缓存待处理器1201以及设备1200中各模块待处理或已经处理的数据，可以通过闪存(FLASH)或随机访问存储器(RandomAccess Memory，RAM)实现。
其中所述处理器1201，配置为在运行所述计算机程序时，执行：
确定待检测冠状动脉的龙骨节点分布；
解析所述龙骨节点分布获取所述待检测冠状动脉的分支路径；
以所述冠状动脉的龙骨节点为节点，将所述冠状动脉划分为多个管流元，其中，所述管流元的长度为相邻节点的距离；
根据所述冠状动脉的分支路径流量，得到所述管流元的压力损失参数；
根据所述管流元的压力损失参数及预设的等效计算策略，得到所述管流元的压力损失及所述龙骨节点的压力分布；
根据所述龙骨节点的压力分布，得到所述冠状动脉的血流储备分数。
应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。应理解，在本发明的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。
上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元；既可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
或者，本发明上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台设备执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种评估血流储备分数的方法，其特征在于，所述方法包括：
确定待检测冠状动脉的龙骨节点分布；
解析所述龙骨节点分布获取所述待检测冠状动脉的分支路径；
以所述冠状动脉的龙骨节点为节点，将所述冠状动脉划分为多个管流元，其中，所述管流元的长度为相邻节点的距离；
根据所述冠状动脉的分支路径流量，得到所述管流元的压力损失参数；
根据所述管流元的压力损失参数及预设的等效计算策略，得到所述管流元的压力损失及所述龙骨节点的压力分布；
根据所述龙骨节点的压力分布，得到所述冠状动脉的血流储备分数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定待检测冠状动脉的龙骨节点分布，包括：
建立所述冠状动脉的三维图像模型；
根据所述冠状动脉的三维图像模型，重构所述冠状动脉的一维龙骨节点的分布。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述解析所述龙骨节点分布获取所述待检测冠状动脉的分支路径，包括：
根据所述冠状动脉的一维龙骨节点的分布，确定父节点和子节点的空间关系，其中，所述龙骨节点在血流反方向上距离所述龙骨节点最近的点作为父节点，所述龙骨节点作为子节点；
根据所述父节点与子节点的空间关系，得到所述冠状动脉的入口到出口的分支路径。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述冠状动脉的分支路径流量，得到所述管流元的压力损失参数之前，所述方法还包括：
根据预设的预估策略，确定所述冠状动脉的入口总流量；
根据所述冠状动脉的入口到出口的分支路径、所述冠状动脉的入口总流量及预设的分配策略，确定所述冠状动脉的分支路径流量。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述管流元的压力损失参数及预设的等效计算策略，得到所述管流元的压力损失及龙骨节点的压力分布，包括：
根据所述管流元的压力损失参数，得到所述龙骨节点的压力损失，其中，所述龙骨节点的压力损失包括沿程压力损失、由扩张或收缩导致的局部压力损失、由弯曲导致的局部压力损失、由分叉导致的局部压力损失；
将所述龙骨节点的压力损失进行求和，得到所述管流元的压力损失；
将所述龙骨节点的父节点的压力和所述管流元的压力损失进行求差，得到所述龙骨节点的压力；
根据所述龙骨节点的压力，得到所述龙骨节点的压力分布。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述建立冠状动脉的三维图像模型，包括：
根据充血状态下的冠状动脉CTA图像数据，建立所述冠状动脉的三维图像模型。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据预设的预估策略，确定所述冠状动脉的入口总流量，包括以下至少一项：
根据主动脉流量按预设比例分配，确定所述冠状动脉的入口总流量；
根据磁共振实际测量冠状动脉左右分支的血液体积流量，确定所述冠状动脉的入口总流量；
根据基于心肌模型的流量评估，确定所述冠状动脉的入口总流量；
根据冠脉入口总流量的平均值，确定所述冠状动脉的入口总流量。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述管流元的压力损失参数，得到所述龙骨节点的压力损失，包括：
计算所述龙骨节点的沿程压力损失的公式为
其中，△p1i表示沿程压力损失，ρ表示血液的密度，λi表示沿程阻力系数，li表示所述龙骨节点i与所述龙骨节点i的父节点ip之间的距离，表示所述龙骨节点i与所述龙骨节点i的父节点ip之间平均直径，表示所述龙骨节点i与所述龙骨节点i的父节点ip之间平均速度。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述管流元的压力损失参数，得到所述龙骨节点的压力损失，包括：
计算所述龙骨节点的由分叉导致的局部压力损失的公式为
其中，表示局部阻力系数，△p4i表示由分叉导致的局部压力损失，ρ表示血液的密度，表示所述龙骨节点i与所述龙骨节点i的父节点ip之间平均速度。
10.根据权利要求1或7所述的方法，其特征在于，所述根据所述龙骨节点的压力分布，得到所述冠状动脉的血流储备分数之后，所述方法还包括：
根据所述冠状动脉的血流储备分数和预设阈值，检测所述冠状动脉；
将所述龙骨节点的压力分布和所述分支路径流量作为初始条件或边界条件，对所述冠状动脉内血液流动进行整体或局部的三维CFD精细数值模拟，得到所述冠状动脉内血液的流场。
11.一种评估血流储备分数的装置，其特征在于，所述装置包括：第一处理单元、第二处理单元、第三处理单元、第一计算单元、第二计算单元和第三计算单元，其中：
所述第一处理单元，用于确定待检测冠状动脉的龙骨节点分布；
所述第二处理单元，用于解析所述龙骨节点分布获取所述待检测冠状动脉的分支路径；
所述第三处理单元，用于以所述冠状动脉的龙骨节点为节点，将所述冠状动脉划分为多个管流元，其中，所述管流元的长度为相邻节点的距离；
所述第一计算单元，用于根据所述冠状动脉的分支路径流量，得到所述管流元的压力损失参数；
所述第二计算单元，用于根据所述管流元的压力损失参数及预设的等效计算策略，得到所述管流元的压力损失及所述龙骨节点的压力分布；
所述第三计算单元，用于根据所述龙骨节点的压力分布，得到所述冠状动脉的血流储备分数。
12.一种设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至10任一项所述的评估血流储备分数的方法中的步骤。
13.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至10任一项所述的评估血流储备分数的方法中的步骤。
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