CN109686450A - 一种基于超声和ct成像技术的冠脉血流储备分数计算方法 - Google Patents

一种基于超声和ct成像技术的冠脉血流储备分数计算方法 Download PDF

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乔爱科
夏骏
张宏辉
柳思聪
杨印龙
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Abstract

一种基于超声和CT成像技术的冠脉血流储备分数计算方法涉及生物医学工程、生物力学领域。本发明主要解决的技术问题是用冠脉超声技术获得冠脉血流量并分配冠脉各分支的血流量，为无创计算FFRCT提供数值模拟的个性化边界条件，保证数值模拟计算FFRCT的准确性。本发明能够通过患者的冠脉超声血流数据，得到患者冠脉各个分支血管个性化的血流量信息，为FFRCT计算提供了准确的边界条件，从而也提高了FFRCT计算的准确性。

Description

一种基于超声和CT成像技术的冠脉血流储备分数计算方法
技术领域
本发明涉及生物医学工程、生物力学领域，用到了医学图像处理技术、血流动力学数值模拟技术以及临床医学的冠脉多普勒超声心动图和CT成像技术。
背景技术
冠脉血流储备分数(FFR)是目前临床上用于诊断冠脉狭窄的一项“金标准”，但因其有创性而受到临床应用限制。基于CT影像和计算流体力学方法的冠脉血流储备分数(即FFRCT)计算方法因其测量的无创性而受到了研究人员的高度关注。但是目前冠脉FFRCT计算过程中的血流量等边界条件没有考虑患者的个性化情况，而是通过患者的生理参数如血压、心率、心肌质量估算而得，这对FFRCT计算的针对性和准确性影响较为显著。
冠脉超声技术是目前临床上用于获取血管内血流信息状态的一种无创检测手段。技术熟练的超声科医生可以清晰准确地获得冠脉血流量数据。基于冠脉分支血流量分配模型，就可以为FFRCT数值模拟提供稳定可靠的患者个性化血流边界条件，提高FFRCT测量的准确性。
关于冠脉分支血流量分配方法的建立，运用血管标度律的方法：血管内的流量与血管的体积之间存在幂率关系：
Q＝αMβ＝kVβ (1)
其中Q为冠脉分支血管内的血流量，M为心肌质量，V为冠脉分支血管体积，α、β和k为常数。将冠脉总血流量按照分支血管体积比例关系分配到各个分支血管中。该方法考虑到了血管整体的结构——功能关系，能更好地反映患者的个性化血流灌注情况。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是用冠脉超声技术获得冠脉血流量并分配冠脉各分支的血流量，为无创计算FFRCT提供数值模拟的个性化边界条件，保证数值模拟计算FFRCT的准确性。
为解决该技术问题，本发明需要测量的超声数据包括：冠状动脉三个主干血管LAD/LCX/RCA的血流速度；构建冠脉分支血流量分配模型；基于CT图像构建冠状动脉血管的三维立体模型(图1)；将冠脉血流量分配到冠脉三维模型中的各个分支血管中，从而设置数值模拟的个性化边界条件。
在血流量分配过程中，先通过超声的方法获取冠状动脉主干血管的血流速度V，再计算出该主干的总血流量Q0：
Q0＝πr2V (2)
其中r为冠状动脉主干血管的半径，可以在CT图像和超声图像中获得该参数的值。
接着根据患者冠脉CT图像进行三维建模。在建模过程中，尽量保留每个分支血管的清晰结构。这样得到的三维模型，一方面用于分支血管体积的计算，另一方面用于整个冠脉树的血流动力学有限元分析。
然后利用体积分配方法将冠脉主干血流量以血管分支体积的幂率(公式1)比值分配到各个分支血管。即：
Q1：Q2＝V1 β：V2 β (3)
其中Q1、Q2是分支血流量，V1、V2是分支血管总体积。根据以往的研究，本发明可以取β＝0.75。在实际操作中，我们将多中心、全方位记录更多的患者数据，获得具有代表性的系数β的值。
血流量Q0、Q1、Q2应满足下面关系：
Q0＝Q1+Q2 (4)
这样，逐层分配各级分支的血流量，就可以将冠脉总血流量分配到各个分支的端口，并对有限元分析施加流量边界条件。下面举例说明(图2)。
设Q0为RCA的血流量。在其一级分支里有两个分支血管，它们的体积分别是V1和V2。则这两个分支的血流量可以按照公式(3)和(4)进行分配，结果如下：
Q2再继续往下一级分支分配血流量Q21和Q22的话，就仿照公式(5)和(6)的方法进行分配，即：
其他分支血流量的分配方法如此类推。这样就可以将冠脉总血流量分配到各个分支的端口，得到各个端口的流量Qij。接下来就是把每个端口的流量Qij付给各自的端口ij作为有限元分析的边界条件，对冠状动脉根部施加压力边界条件，再利用Ansys、CFS、Fluent、Adina等软件进行血流动力学数值模拟(图3)。
数值模拟得到的结果中包含了狭窄近端压力Pa和远端压力Pd。据此即可计算FFRCT：
本发明的有益效果是：能够通过患者的超声血流数据，得到患者个性化的血流量信息，为FFRCT计算提供了准确的边界条件，从而也提高了FFRCT计算的准确性。
附图说明
图1人体冠状动脉三维结构示意图。
图2本发明的冠脉分支分配示意图。
图3本发明的FFRCT计算流程图。
图4基于冠脉CT图像的三维模型重建
图5冠脉各个出入口条件设定
图6狭窄近端压力Pa和远端压力Pd
具体实施方式
下面举例说明上述过程的具体实现。
(1)根据冠脉CT图像进行三维模型重建(图4)。三维重建需要利用Mimics等软件工具。至少保留直径〉1mm的血管。
(2)根据超声测得的冠状动脉三个主干血管LAD/LCX/RCA的血流速度数据，根据公式(2)计算三个主干血管的血流量，如：QLAD、QLCX和QRCA。
(3)计算图4中各级分支血管的体积。利用Mimics等软件工具可以获得各个分支血管段的体积Vij。
仿照下面公式逐层求出冠脉各个分支血管的流量。
(4)设定血管壁为刚性壁；血液为不可压缩牛顿流体，密度1050kg/m3，动力粘度0.0035Pa·s。血管壁面满足无滑移条件，即速度为0。冠脉各个出入口条件设定为：主动脉根部入口赋予心输出量；主动脉根部出口设定为平均动脉压；冠脉各个分支出口设定为该分支血流量Qi(图5)。
(5)对模型进行网格划分，构建有限元分析模型。然后利用计算流体力学方法求解血流控制方程，比如可以利用Ansys、CFS、Fluent、Adina等软件进行血流动力学数值模拟，得到冠脉血管内的压力场、速度场等计算结果。其中包含了狭窄近端压力Pa和远端压力Pd(图6)。据此即可根据公式(9)计算FFRCT。

Claims (1)

1.一种基于超声和CT成像技术的冠脉血流储备分数计算方法，其特征在于：
需要测量的超声数据包括：冠状动脉三个主干血管LAD/LCX/RCA的血流速度；构建冠脉分支血流量分配模型；基于CT图像构建冠状动脉血管的三维立体模型；将冠脉血流量分配到冠脉三维模型中的各个分支血管中，从而设置数值模拟的个性化边界条件；
在血流量分配过程中，先通过超声的方法获取冠状动脉主干血管的血流速度V，再计算出该主干的总血流量Q0：
Q0＝πr2V (2)
其中r为冠状动脉主干血管的半径，在CT图像和超声图像中获得该参数的值；
接着根据患者冠脉CT图像进行三维建模；然后利用体积分配方法将冠脉主干血流量以血管分支体积的幂率比值分配到各个分支血管；即：
Q1：Q2＝V1 β：V2 β (3)
其中Q1、Q2是分支血流量，V1、V2是分支血管总体积；β＝0.75；；
血流量Q0、Q1、Q2应满足下面关系：
Q0＝Q1+Q2 (4)
这样，逐层分配各级分支的血流量，将冠脉总血流量分配到各个分支的端口，并对有限元分析施加流量边界条件；设Q0为RCA的血流量；在其一级分支里有两个分支血管，它们的体积分别是V1和V2；则这两个分支的血流量按照公式(3)和(4)进行分配，结果如下：
Q2再继续往下一级分支分配血流量Q21和Q22的话，就仿照公式(5)和(6)的方法进行分配，即：
其他分支血流量的分配方法如此类推；将冠脉总血流量分配到各个分支的端口，得到各个端口的流量Qij；接下来就是把每个端口的流量Qij付给各自的端口ij作为有限元分析的边界条件，对冠状动脉根部施加压力边界条件，再进行血流动力学数值模拟；
数值模拟得到的结果中包含了狭窄近端压力Pa和远端压力Pd；据此计算FFRCT：
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