CN109907772B - 获取冠脉血流量及血流速度的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种获取冠脉血流量的方法，包括：获取冠脉影像信息，得到冠脉几何特征数据；根据冠脉几何特征数据获得冠脉参考管腔的总体积V；根据以下公式计算冠脉开口处的血流量Q：
其中，Q的单位为mm3/s，V的单位为mm3时，K的取值范围为5～9.5。本发明还提供了一种获取冠脉血流速度的方法。在本发明中，通过冠脉的影像信息即可获得冠脉的血流量和血流速度，相较于现有技术中通过心肌大小估计冠脉血流量方法更简单，能够为基于影像的血流动力学计算提供更加准确的边界条件。
Description
技术领域
本发明涉及医疗技术领域，具体涉及一种获取冠脉血流量及血流速度的方法和装置。
背景技术
世界卫生组织报告表明，心血管疾病已经成为人类健康第一威胁。为了更好地了解心血管疾病的生理和病理行为，深入研究动脉血液流动就成为血流动力学的主要任务。
其中，冠脉血流量和血流速度是血流动力学计算的重要参数，目前计算冠脉血流量和血流速度的方法主要分为有创方法和无创方法。
有创方法包括冠状动脉造影的TIMI数帧法，由于冠脉造影可以看到血流随时间变化的信息，因此可以通过血管段的长度和血流流过该血管段的时间，来计算得到当前血管的血流速度；
无创方法包括利用CT图像分割出心肌的大小，并基于现有研究发现的生物体中器官大小和血流量之间的关系估计出冠脉开口处血流量的大小。基于无创的CT造影影像计算冠脉树的血流量，现有的方法需要先基于CT影像分割出心肌，再根据心肌大小来估计血流量，该方法步骤较为复杂。
因此，如何提供一种方法更简单、准确率更高的获取冠脉血流量及血流速度的方法和装置成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种更简单的获取冠脉血流量及血流速度的方法和装置。
为了解决上述问题，本发明提供了一种获取冠脉血流量的方法，包括：
获取冠脉影像信息，得到冠脉几何特征数据；
根据冠脉几何特征数据获得冠脉参考管腔的总体积V；
根据公式1计算冠脉开口处的血流量Q：
Q的单位为mm3/s,V的单位为mm3时，K的取值范围为5～9.5，优选为6.5～8，最优选为7。
进一步地，冠脉参考管腔的总体积V通过以下步骤获得：
冠脉几何特征数据包括冠脉血管长度和冠脉血管的参考管腔面积；
将冠脉血管沿血管中心线切分成多个垂直于血管中心线的片，定义片的底面积为相应处的参考管腔面积，结合冠脉血管长度，将多个片的体积求和得到冠脉的参考管腔的总体积V。
进一步地，冠脉参考管腔的总体积V通过以下步骤获得：
根据冠脉几何特征数据，识别冠脉的分叉核；
冠脉包括多个分叉核和由分叉核分割成的多段血管节段，将多个分叉核和多段血管节段的体积相加得出冠脉参考管腔的总体积V。
进一步地，将分叉核简化为圆台计算其体积，圆台的一个底面的面积为分叉核近端的参考管腔面积，圆台的另一个底面的面积为分叉核两个远端的参考管腔面积之和，圆台高为分叉核近端中心到分叉嵴的距离。
进一步地，将多段血管节段简化为圆台计算其体积，圆台的上下底面的面积分别为血管节段近端的参考管腔面积和远端的参考管腔面积，圆台的高为血管节段中心线的长度。
进一步地，多段血管节段包括最远端血管节段和除最远端血管节段以外的其他血管节段，其中：
将除最远端血管节段以外的其他血管节段简化为圆柱体计算其体积，每个圆柱体的底面积为该血管节段任一处的参考管腔面积，圆柱体的高为该血管节段中心线的长度；
进一步地，几何特征数据包括任一分叉核的近端主支血管和远端主支血管之间的分叉角度α1，远端主支血管的全长长度L1，近端主支血管和分支血管之间的分叉角度α2，分支血管的全长长度L2；
以及任一分叉核的近端主支血管的参考管腔面积S0，该分叉核的远端主支血管近端的参考管腔面积S1，该分叉核的分支血管的近端的参考管腔面积S2中的任意两个，
再通过下述公式2获得剩余一个参考管腔面积：
其中，e为自然常数；－∞≤r＜－0.6，优选－2≤r＜－0.75，更优选r＝－1。
进一步地，判断距离冠脉血管开口最近的第一分叉核的近端主支血管是否存在未病变的管腔；
若存在，则定义第一分叉核的近端主支血管的参考管腔面积为第一分叉核的近端主支血管任一未病变处的参考管腔面积；
并默认第一分叉核所在的主支血管上所有分支血管都未发生病变，根据影像信息直接获取第一分叉核所在的主支血管上的全部分叉的分支血管近端的参考管腔面积；
再根据第一分叉核所在的主支血管上任一分叉核距离冠脉血管开口的距离，从近到远逐个通过任一分叉核的近端主支血管的参考管腔面积和分支血管近端的参考管腔面积计算与任一分叉核相连的远端主支血管近端的参考管腔面积。
进一步地，若距离冠脉血管开口最近的第一分叉核的近端主支不存在未病变的管腔；
则判断最远端血管的近端是否病变；
若不存在病变，根据影像信息直接获取最远端血管近端的参考管腔面积；
根据分叉核距离冠脉血管开口的距离，从远到近逐个通过任一分叉核远端主支血管近端和分支血管近端的参考管腔计算与任一分叉核相连的近端主支血管的参考管腔面积。
进一步地，冠脉血管中感兴趣区域的参考管腔面积由以下方法获得：
冠脉几何特征数据包括冠脉血管中感兴趣区域的中膜内周面积S'，
相应区域的参考管腔面积S＝A*S'，其中，0.7≤A＜1。
进一步地，通过无创冠脉CT造影获取冠脉影像信息。
进一步地的，本发明还提供了一种获取冠脉血流速度的方法，根据前述任一方法获得的冠脉开口处的血流量除以该处的参考管腔面积，获得冠脉开口处的血流速度。
进一步地，在获得冠脉开口处的血流速度后，通过下述公式3或公式4逐级计算冠脉中除冠脉开口外任一血管节段的血流速度：
ν0为分叉核近端主支血管的血流速度；ν1为分叉核远端主支血管的血流速度；
ν2为分叉核的分支血管的血流速度。
进一步地，本发明还提供了一种获取冠脉血流量的装置，包括：
冠脉几何特征分析模块，用于获取冠脉影像信息，得到冠脉的几何特征数据；
体积计算模块，用于根据所述冠脉几何特征数据获得冠脉参考管腔的总体积V；以及，
血流量计算模块，用于根据公式1计算冠脉开口处的血流量Q：
Q的单位为mm3/s，V的单位为mm3时，K的取值范围为5～9.5，优选为6.5～8，最优选为7。
进一步地，所述冠脉几何特征分析模块用于获取冠脉血管长度和冠脉血管的参考管腔面积；
所述体积计算模块用于，将冠脉血管沿血管中心线切分成多个垂直于血管中心线的片，定义所述片的底面积为相应处的参考管腔面积，结合所述冠脉血管长度，将多个所述片的体积求和得到所述冠脉参考管腔的总体积V。
进一步地，所述体积计算模块用于，
根据所述冠脉几何特征数据，识别冠脉的分叉核；
所述冠脉包括多个分叉核和由分叉核分割成的多段血管节段，将所述多个分叉核和所述多段血管节段的体积相加得出冠脉参考管腔的总体积V。
进一步地，所述体积计算模块用于，将所述分叉核简化为圆台计算其体积，圆台的一个底面的面积为所述分叉核近端的参考管腔面积，圆台的另一个底面的面积为所述分叉核两个远端的参考管腔面积之和，圆台高为分叉核近端中心到分叉嵴的距离。
进一步地，所述体积计算模块用于，将所述多段血管节段简化为圆台计算其体积，圆台的上下底面的面积分别为所述血管节段近端的参考管腔面积和远端的参考管腔面积，圆台的高为所述血管节段中心线的长度。
进一步地，所述多段血管节段包括最远端血管节段和除最远端血管节段以外的其他血管节段，其中：
所述体积计算模块用于，将所述除最远端血管节段以外的其他血管节段简化为圆柱体计算其体积，每个圆柱体的底面积为该血管节段任一处的参考管腔面积，圆柱体的高为该血管节段中心线的长度；
进一步地，所述冠脉几何特征分析模块用于，
获取任一分叉核的近端主支血管和远端主支血管之间的分叉角度α1，远端主支血管的全长长度L1，近端主支血管和分支血管之间的分叉角度α2，分支血管的全长长度L2；
以及所述任一分叉核的近端主支血管的参考管腔面积S0，该分叉核的远端主支血管近端的参考管腔面积S1，该分叉核的分支血管的近端的参考管腔面积S2中的任意两个，
再通过下述公式2获得剩余一个参考管腔面积：
其中，e为自然常数；－∞≤r＜－0.6；优选地，－2≤r＜－0.75；最优选地，r＝－1。
进一步地，所述冠脉几何特征分析模块用于，
判断距离冠脉血管开口最近的第一分叉核的近端主支血管是否存在未病变的管腔；
若存在，则定义所述第一分叉核的近端主支血管的参考管腔面积为所述第一分叉核的近端主支血管任一未病变处的参考管腔面积；
并默认所述第一分叉核所在的主支血管上所有分支血管都未发生病变，根据所述影像信息直接获取所述第一分叉核所在的主支血管上的全部分叉的分支血管近端的参考管腔面积；
再根据所述第一分叉核所在的主支血管上任一分叉核距离冠脉血管开口的距离，从近到远逐个通过任一分叉核的近端主支血管的参考管腔面积和分支血管近端的参考管腔面积计算与任一分叉核相连的远端主支血管近端的参考管腔面积，以及，
若距离冠脉血管开口最近的第一分叉核的近端主支不存在未病变的管腔；
则判断最远端血管的近端是否病变；
若不存在病变，根据影像信息直接获取最远端血管近端的参考管腔面积；
根据分叉核距离冠脉血管开口的距离，从远到近逐个通过任一分叉核远端主支血管近端和分支血管近端的参考管腔计算与任一分叉核相连的近端主支血管的参考管腔面积。
进一步地，所述冠脉几何特征分析模块用于获取冠脉血管中感兴趣区域的参考管腔面积，包括：
获取所述冠脉血管中感兴趣区域的中膜内周面积S'，
相应区域的参考管腔面积S＝A*S'，其中，0.7≤A＜1。
进一步地，所述冠脉几何特征分析模块通过无创冠脉CT造影获取冠脉影像信息。
进一步地，本发明提供了一种获取冠脉血流速度的装置，包括：
前述任一种获取冠脉血流量的装置，用于获取冠脉开口处血流量；以及，
血流速度计算模块，用于根据冠脉开口处的血流量除以该处的参考管腔面积，获得冠脉开口处的血流速度。
进一步地，所述血流速度计算模块用于，在获得冠脉开口处的血流速度后，通过下述公式3或公式4逐级计算所述冠脉中除冠脉开口外任一血管节段的血流速度：
所述ν0为分叉核近端主支血管的血流速度；ν1为分叉核远端主支血管的血流速度；
ν2为分叉核的分支血管的血流速度。
进一步地，本发明提供还提供了另一种用于获取冠脉血流量的装置，包括：
处理器、储存器及储存在储存器中的计算机可执行指令，处理器执行计算机可执行指令时，实现前述任一种获取冠脉血流量的方法。
进一步地，本发明提供了一种获取冠脉血流速度的装置，包括：
处理器、储存器及储存在储存器中的计算机可执行指令，处理器执行计算机可执行指令时，实现前述任一种获取冠脉血流速度的方法。
综上，本发明提供一种新的获取冠脉血流量、血流速度的方法，通过冠脉的影像信息，即可获得冠脉的血流量和血流速度。相较于现有技术中通过病人的心肌大小估计冠脉血流量方法更简单，相比于没有使用病人的个性化血流来进行血流动力学计算，可以提高血流动力学结果的准确度，能够为基于影像的血流动力学计算提供更加准确的边界条件。并且本发明中的影像信息可以直接是通过无创方法获得的，无需对人体造成创伤。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明：
图1是本发明中获取冠脉血流量的方法流程示意图；
图2是本发明中分叉核的结构示意图；
图3是本发明中实施例中获取整个冠脉参考管腔面积的方法流程示意图；
图4是本发明中部分冠脉血管简化结构示意图。
具体实施方式
现在结合附图，详细介绍本发明的较佳实施方式。虽然本发明的描述将结合各个实施方式一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该几种实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。
本发明的发明人基于“异速生长定律”，发现了冠脉体积和冠脉开口处血流量的关系。以此为基础，选取了大量冠脉样本，根据大量样本的实验数据，确定了冠脉开口处血流量和冠脉总体积之间的具体关系，最终提供了一种获取冠脉血流量的方法，如图1所示，包括：
ST1：获取冠脉影像信息，得到冠脉几何特征数据。其中，冠脉的几何特征数据可以包括通过冠脉影像信息直接获得的冠脉的原始几何特征数据，还可以包括通过冠脉原始几何特征数据重建冠脉无病变状态，得到的冠脉参考管腔的几何特征数据；
ST2：根据冠脉几何特征数据获得冠脉参考管腔的总体积V；
ST3：根据公式1计算冠脉开口处的血流量Q：
Q的单位为mm3/s，V的单位为mm3时，K为通过大量样本实验后确定的系数，K的取值范围为5～9.5，优选为6.5～8，最优选为7。
需要注意的是，如果冠脉开口处的血流量Q和冠脉参考管腔的总体积V的单位发生变化，K的取值范围也应当相应的发生数量级的变化。
现有技术中，有人采用冠脉实际管腔的体积来估计血流量的方法。相比于实际管腔的体积，本发明中采用的参考管腔更能反应充血状态下的血流量，因为灌注心肌所需的血流量并不会因为冠脉狭窄而减少，用实际管腔的体积则会造成血流量的低估。
本发明中采用冠脉参考管腔体积计算流速，可以为血流动力学计算提供更加准确的边界条件。
需要注意的是，本发明中的近端是指更靠近冠脉开口处的一端，远端对应为更远离冠脉开口的一端；
近端主支血管、远端主支血管及分支血管是相对的概念，对于任意一个分叉，距离冠脉开口更近的一端的主支血管即为近端主支血管，距离冠脉开口更远的一端的主支血管为远端主支血管，另一个为分支血管；当前述分支血管进行二级分叉，分出二级分支时，对于这个二级分叉，该分支血管即为主支血管，该二级分支即为分支血管。
本发明中的冠脉参考管腔的总体积V可以通过现有技术中任何已知的方法获得。
在本发明的一个实施例中，冠脉参考管腔体积V可以通过以下步骤获得：
ST1'：获取冠脉影像信息，得到冠脉的几何特征数据，包括冠脉血管长度和冠脉血管的参考管腔面积；
ST2'：将冠脉血管沿血管中心线切分成多个垂直于血管中心线的片，定义片的底面积为相应处的参考管腔面积，结合冠脉血管长度，将多个片的体积求和得到冠脉参考管腔的总体积V。即是通过将冠脉参考管腔简化为N个很薄的片的叠加，即可通过冠脉横截面积与血管长度的求和公式得到冠脉参考管腔的总体积V，如下式所述：
其中，Si和△hi代表冠脉参考管腔的第i个薄片的面积和厚度，N为简化薄片的总数量。可以理解的是，N的数量越大，所得到的冠脉参考管腔的体积V就越准确，计算中可以根据情况的需要选择合适的N的数量。
在本发明的另一个实施例中，为了便于计算，冠脉参考管腔体积V可以通过以下步骤获得：
ST1”：获取冠脉影像信息，得到冠脉几何特征数据，包括冠脉的长度，参考管腔面积；
ST21”：根据冠脉几何特征数据，识别冠脉的分叉核；
其中，分叉核可以通过本领域中任意的认定分叉核的方法所确定，只要计算误差在可以接受的范围内。
在本发明的一个优选实施例中，如图2所示，分叉核是由该分叉的近端主支血管20开始变大处的第一截面D0，远端主支血管30在分叉嵴50处的第二截面D1，分支血管40在分叉嵴50处的第三截面D2，和血管壁共同围成的区域；其中，主支血管与分支血管的远端分界点为分叉嵴。
ST22'：通过分叉核可以将冠脉分割成多段血管节段，即冠脉包括多个分叉核和由分叉核分割成的多段血管节段，将多个分叉核和多段血管节段的体积相加得出冠脉参考管腔的总体积V。
其中，将分叉核简化为圆台计算其体积，圆台的一个底面的面积为分叉核近端的参考管腔面积，即第一截面D0的面积，圆台的另一个底面的面积为分叉核两个远端的参考管腔面积之和，即第二截面D1和第三截面D2的面积之和，圆台的高为分叉核近端中心到分叉嵴的距离，这里的分叉核近端中心指第一截面D0的中心。
将多段血管节段简化为圆台计算其体积，圆台的上下底面的面积分别为血管节段近端的参考管腔面积和远端的参考管腔面积，圆台的高为血管节段中心线的长度。
进一步地，根据冠脉血管的结构特征，多段血管节段又分为最远端血管节段和除最远端血管节段以外的其他血管节段。在冠脉血管中，最远端血管节段的参考管腔面积会随着血管长度延伸的方向逐渐减少，而除最远端血管节段外的任一其他血管节段，在同一血管节段内，参考管腔面积相同。
因此，将除最远端血管节段以外的其他血管节段简化为圆柱体计算其体积，每个圆柱体的底面积为该血管节段任一处的参考管腔面积，圆柱体的高为该血管节段中心线的长度；最远端血管节段简化为圆台，圆台的上下底面的面积分别为最远端血管节段近端的参考管腔面积和远端的参考管腔面积，圆台的高为血管节段中心线的长度。
进一步地，在ST1中，根据冠脉影像信息可以直接得到冠脉原始几何特征数据，包括冠脉血管长度、分叉角度以及原始的管腔面积。对于病变的管腔，需要对管腔面积进行修正，得到正常状态时的管腔面积，即参考管腔面积；对于未发生病变的管腔，该处实际的管腔面积即为参考管腔面积。
在现有冠脉评估的方法中，参考管腔面积的计算大多是选取病变前后的正常管腔位置，并取其面积的均值作为病变位置的参考管腔大小。但在冠脉发生弥漫病变的情况下，冠脉中病变分布区域较长，病变血管段附近较难找到正常管腔，因此传统的方法在具有整段弥漫病变的患者中并不适用，容易低估参考管腔的大小。
本申请发明人在研究中发现，如图2所示冠脉分叉结构，任一个分叉核的近端主支血管的血流速度、远端主支血管近端的血流速度和分支血管近端的血流速度具有以下关系：
ν0为分叉核近端主支血管的血流速度；ν1为分叉核远端主支血管的血流速度；
ν2为分叉核的分支血管的血流速度。
其中，e为自然常数；r为通过大量样本实验后确定的e的指数的系数，－∞≤r＜－0.6，为了使计算结果更精确，优选－2≤r＜－0.75，更优选r＝－1；
α1为近端主支血管和远端主支血管之间的分叉角度；L1为远端主支血管的全长长度；α2为近端主支血管和分支血管之间的分叉角度；L2为分支血管的全长长度；
需要理解的是，在本领域的一般定义中，如图2所示，分叉角度α1是近端主支血管在血管开始变大处截面D0的法线R0和远端主支血管在分叉嵴处截面D1的法线R1的夹角；分叉角度α2为R0和分支血管在分叉嵴处截面D2的法线R2的夹角；远端主支血管的全长长度L1是从分叉中心到该远端主支血管最远端血管节段的远端的全长长度(并不是该远端主支血管这一血管节段的长度)，分支血管的全长长度L2是从分叉中心到分支血管最远端血管段的远端的全长长度(并不是该分支血管这一血管节段的长度)。分叉中心一般来说都是分叉核的重心，但是在本发明中选择分叉核内任意一点做为分叉中心计算血管长度所造成的误差都在可以接受的范围内。
进一步地，对于任意一个分叉核，基于流量守恒的原理，该分叉核近端的参考管腔面积S0、该分叉核与远端主支血管相邻处的参考管腔面积S1和该分叉核与分支血管相邻处的参考管腔面积S2，存在以下关系ν0*S0＝ν1*S1+ν2*S2，由此，可以得到任一个分叉核上存在下述公式2的关系：
其中，S0为该分叉核的近端的参考管腔面积，同时，由于一个分叉核的近端主支血管不可能是最远端的血管节段，近端主支血管上任一处的参考管腔面积都应当相同，即S0同时也为该分叉核近端主支血管的参考管腔面积；
S1为分叉核与远端主支血管相邻处的参考管腔面积，S1同时也为该分叉核远端主支血管近端的参考管腔面积，当该远端主支血管是除最远端血管节段以外的其他血管节段，那么该远端主支血管上任一处的参考管腔面积都等于该远端主支血管近端的参考管腔面积；
S2为分叉核与分支血管相邻处的参考管腔面积，S2同时也为该分叉核分支血管近端的参考管腔面积，当该分支血管是除最远端血管节段以外的其他血管节段，那么该分支血管上任一处的参考管腔面积都等于该分支血管近端的参考管腔面积。
在此基础上，本发明提出了一种可以根据冠脉分叉的解剖结构来计算参考管腔的方法，能够为冠脉患有弥漫病变的病人提供更加准确的参考管腔计算方法，进而能够为血流动力学计算提供更加准确的边界条件。
通过冠脉影像信息获得冠脉几何特征数据，所述几何特征数据包括任一分叉核的近端主支血管和远端主支血管之间的分叉角度α1，远端主支血管的全长长度L1，近端主支血管和分支血管之间的分叉角度α2，分支血管的全长长度L2；以及任一分叉核的近端主支血管的参考管腔面积S0，该分叉核的远端主支血管的近端的参考管腔面积S1，该分叉核的分支血管的近端的参考管腔面积S2中的任意两个后，通过公式2获得剩余一个参考管腔面积。
在实际计算血流量的过程中，可以根据冠脉实际病变情况，逐个计算病变血管的参考管腔。
进一步地，为了便于自动化计算整个冠脉血管的参考管腔，如图3所示，本发明还提供了从远到近以及从近到远逐个计算冠脉参考管腔面积的方法。
在本发明的一个实施例中，结合图4所示，通过从近到远的方法计算整个冠脉血管的参考管腔面积，具体步骤如下：
ST11：获取冠脉影像信息，得到冠脉原始几何特征数据；
ST12：识别冠脉分叉核；
ST13：判断距离冠脉血管开口最近的第一分叉核的近端主支血管是否存在未病变的管腔，只要所述第一分叉核的近端主支血管上有任一处具有正常的管腔面积，即认为存在未病变的管腔；
ST14：若存在，则定义第一分叉核的近端主支血管的参考管腔面积为第一分叉核的近端主支血管任一未病变处的参考管腔面积；
并默认第一分叉核所在的主支血管上所有分支血管都未发生病变，根据冠脉影像信息直接获取第一分叉核所在的主支血管上的全部分叉核的分支血管近端的参考管腔面积；
ST15：再根据第一分叉核所在的主支血管上任一分叉核距离冠脉血管开口的距离，从近到远逐个通过任一分叉核的近端主支血管的参考管腔面积和分支血管近端的参考管腔面积计算与任一分叉核相连的远端主支血管近端的参考管腔面积。
具体来说，结合附图4，整个冠脉从近到远的计算方法如下：
ST141：首选通过第一分叉核11的近端主支血管21的参考管腔面积和第一分支血管41近端的参考管腔面积计算得到第一分叉核11的远端主支血管31近端的参考管腔面积；
进一步地，第一分叉核11的远端主支血管31即为第二分叉核12的近端主支血管22，第一分叉核11的远端主支血管31的近端的参考管腔面积即为第二分叉12的近端主支血管22的参考管腔面积；
ST142：再通过第二分叉核12的近端主支血管22的参考管腔面积和第二分支血管42的近端的参考管腔面积计算得到第二分叉核12的远端主支血管32近端的参考管腔面积；
ST143：以此类推，从近到远逐个计算第三个分叉核13至最远端分叉核的远端主支血管的参考管腔面积，最终得到这一个主支上所有血管节段的参考管腔面积。
在本发明的另一个实施例中，还可以采用从远到近的方式逐级计算所有血管节段的参考管腔面积。例如，
ST11：获取冠脉影像信息，得到冠脉原始几何特征数据；
ST12：识别冠脉分叉核；
ST13：判断距离冠脉血管开口最近的第一分叉核的近端主支血管是否存在未病变的管腔；
ST14'：若距离冠脉血管开口最近的第一分叉核的近端主支不存在未病变的管腔，则进一步判断最远端血管的近端是否病变；
ST15'：若不存在病变，根据影像信息直接获取最远端血管近端的参考管腔面积；
ST16'：根据分叉核距离冠脉血管开口的距离，从远到近逐个通过任一分叉核远端主支血管近端和分支血管近端的参考管腔面积计算与任一分叉核相连的近端主支血管的参考管腔面积。
除了前述通过同一分叉核上的近端主支血管、远端主支血管和分支血管参考管腔面积之间的关系计算整个冠脉的参考管腔外，本发明还提供了另一种计算冠脉参考管腔的方法。由于血管壁从管腔面向外一般依次为内膜、中膜和外膜。内膜是管壁的最内层，为病变斑块生长的区域，内膜内周面积即为实际管腔面积；中膜位于内膜和外膜之间，与内膜外侧紧密贴合，中膜内周面积即为内膜外周面积，因此还可以通过以下方法计算冠脉血管中感兴趣区域的参考管腔面积：
根据冠脉影像信息获取冠脉几何特征参数，冠脉几何特征数据包括冠脉血管中感兴趣区域的中膜内周面积S'，
相应区域的参考管腔面积S＝A*S'，其中，0.7≤A＜1。
进一步地，本发明中可以是通过无创冠脉CT造影获取冠脉影像信息。不需要增加额外的创伤即可得到冠脉的血流信息，极大的减轻了病患的痛苦。
进一步地的，本发明还提供了一种获取冠脉血流速度的方法，根据前述任一方法获得的冠脉开口处的血流量除以该处的参考管腔面积，获得冠脉开口处的血流速度。
进一步地，在获得冠脉开口处的血流速度后，通过下述公式3或公式4逐级计算冠脉中除冠脉开口外任一血管节段的血流速度：
ν0为分叉近端主支血管的血流速度；ν1为分叉远端主支血管的血流速度；
ν2为分叉的分支血管的血流速度。
其中，α1、α1、L1、L2和r与在先的定义相同。
现有计算分叉血流速度的方法大多是基于分支开口的管腔大小来计算血流速度比例，本方法提出的分叉模型中加入了分叉角度和分支长度的信息，进一步提高了计算分叉血流速度比例的准确度。
进一步地，本发明还提供了一种获取冠脉血流量的装置，包括：
冠脉几何特征分析模块，用于获取冠脉影像信息，得到冠脉的几何特征数据；
体积计算模块，用于根据所述冠脉几何特征数据获得冠脉参考管腔的总体积V；以及，
血流量计算模块，用于根据公式1计算冠脉开口处的血流量Q：
Q的单位为mm3/s，V的单位为mm3时，K的取值范围为5～9.5，优选为6.5～8，最优选为7。
进一步地，所述冠脉几何特征分析模块用于获取冠脉血管长度和冠脉血管的参考管腔面积；
所述体积计算模块用于，将冠脉血管沿血管中心线切分成多个垂直于血管中心线的片，定义所述片的底面积为相应处的参考管腔面积，结合所述冠脉血管长度，将多个所述片的体积求和得到所述冠脉参考管腔的总体积V。
进一步地，所述体积计算模块用于，
根据所述冠脉几何特征数据，识别冠脉的分叉核；
所述冠脉包括多个分叉核和由分叉核分割成的多段血管节段，将所述多个分叉核和所述多段血管节段的体积相加得出冠脉参考管腔的总体积V。
进一步地，所述体积计算模块用于，将所述分叉核简化为圆台计算其体积，圆台的一个底面的面积为所述分叉核近端的参考管腔面积，圆台的另一个底面的面积为所述分叉核两个远端的参考管腔面积之和，圆台高为分叉核近端中心到分叉嵴的距离。
进一步地，所述体积计算模块用于，将所述多段血管节段简化为圆台计算其体积，圆台的上下底面的面积分别为所述血管节段近端的参考管腔面积和远端的参考管腔面积，圆台的高为所述血管节段中心线的长度。
进一步地，所述多段血管节段包括最远端血管节段和除最远端血管节段以外的其他血管节段，其中：
所述体积计算模块用于，将所述除最远端血管节段以外的其他血管节段简化为圆柱体计算其体积，每个圆柱体的底面积为该血管节段任一处的参考管腔面积，圆柱体的高为该血管节段中心线的长度；
进一步地，所述冠脉几何特征分析模块用于，
获取任一分叉核的近端主支血管和远端主支血管之间的分叉角度α1，远端主支血管的全长长度L1，近端主支血管和分支血管之间的分叉角度α2，分支血管的全长长度L2；
以及所述任一分叉核的近端主支血管的参考管腔面积S0，该分叉核的远端主支血管近端的参考管腔面积S1，该分叉核的分支血管的近端的参考管腔面积S2中的任意两个，
再通过下述公式2获得剩余一个参考管腔面积：
其中，e为自然常数；－∞≤r＜－0.6；优选地，－2≤r＜－0.75；最优选地，r＝－1。
进一步地，所述冠脉几何特征分析模块用于，
判断距离冠脉血管开口最近的第一分叉核的近端主支血管是否存在未病变的管腔；
若存在，则定义所述第一分叉核的近端主支血管的参考管腔面积为所述第一分叉核的近端主支血管任一未病变处的参考管腔面积；
并默认所述第一分叉核所在的主支血管上所有分支血管都未发生病变，根据所述影像信息直接获取所述第一分叉核所在的主支血管上的全部分叉的分支血管近端的参考管腔面积；
再根据所述第一分叉核所在的主支血管上任一分叉核距离冠脉血管开口的距离，从近到远逐个通过任一分叉核的近端主支血管的参考管腔面积和分支血管近端的参考管腔面积计算与任一分叉核相连的远端主支血管近端的参考管腔面积，以及，
若距离冠脉血管开口最近的第一分叉核的近端主支不存在未病变的管腔；
则判断最远端血管的近端是否病变；
若不存在病变，根据影像信息直接获取最远端血管近端的参考管腔面积；
根据分叉核距离冠脉血管开口的距离，从远到近逐个通过任一分叉核远端主支血管近端和分支血管近端的参考管腔计算与任一分叉核相连的近端主支血管的参考管腔面积。
进一步地，所述冠脉几何特征分析模块用于获取冠脉血管中感兴趣区域的参考管腔面积，包括：
获取所述冠脉血管中感兴趣区域的中膜内周面积S'，
相应区域的参考管腔面积S＝A*S'，其中，0.7≤A＜1。
进一步地，所述冠脉几何特征分析模块通过无创冠脉CT造影获取冠脉影像信息。
进一步地，本发明提供了一种获取冠脉血流速度的装置，包括：
前述任一种获取冠脉血流量的装置，用于获取冠脉开口处血流量；以及，
血流速度计算模块，用于根据冠脉开口处的血流量除以该处的参考管腔面积，获得冠脉开口处的血流速度。
进一步地，所述血流速度计算模块用于，在获得冠脉开口处的血流速度后，通过下述公式3或公式4逐级计算所述冠脉中除冠脉开口外任一血管节段的血流速度：
所述ν0为分叉核近端主支血管的血流速度；ν1为分叉核远端主支血管的血流速度；
ν2为分叉核的分支血管的血流速度。进一步地，本发明还提供了另一种用于获取冠脉血流量的装置，包括：
处理器、储存器及储存在储存器中的计算机可执行指令，处理器执行计算机可执行指令时，实现前述任一种用于获取冠脉血流量的方法。
进一步地，本发明提供了一种获取冠脉血流速度的装置，包括：
处理器、储存器及储存在储存器中的计算机可执行指令，处理器执行计算机可执行指令时，实现前述任一种获取冠脉血流速度的方法。
综上所述，我们提出了一种计算血流量的新方法，在没有额外创伤的条件下，首先基于冠脉分叉模型计算出冠脉没有狭窄时的正常参考管腔，其次，基于冠脉参考管腔的尺寸计算得到冠脉开口处的总血流量，最后基于分叉模型的血流分配比例计算得到整个冠脉树的血流分布。直接从冠脉的结构尺寸估计出血流量，得到的是整个冠脉树中各个血管段的血流分布，能够为基于影像的血流动力学计算提供更加准确的边界条件。
具体实施例
实施例1-7及对比例1-2
选取冠脉开口处未发生病变的冠脉样本；
根据CT冠脉造影影像分割出左侧的冠脉树，得到冠脉原始几何特征数据，通过从近到远的方法重建得到无病变状态下的冠脉参考管腔几何特征数据，其中r＝－1；
计算得到左冠脉树的参考管腔体积为1100mm3；
根据公式1：
计算冠脉开口处血流量，K的取值见表2。
测量所得左冠脉开口处的面积为11.5mm2，根据公式：血流速度＝血流量/管腔面积，计算得到血流速度。
表1
*误差为(各实施例或对比例所得到的血流速度ν-对比例3中得到的血流速度ν)/对比例3中得到的血流速度ν。
对比例3(基于冠脉造影的TIMI数帧法计算.血流速度)
在冠脉造影图像中选取目标血管段，测量其长度为80.26mm；
根据造影TIMI数帧法，造影剂从血管段的近端到远端需要10帧，冠脉造影拍摄帧频为15帧/秒，可计算出时间为0.67秒；
因此，通过冠脉造影计算得到得血流速度为：80.26mm/0.67s＝119.8mm/s＝0.12m/s。
从表1中可以看出，采用本发明提供的方法得到的冠脉血流量和血流速，与对比例3中TIMI数帧法(行业内的金标准)计算得到的血流速度相比较，结果接近，误差较小；特别是在实施例4中，当K＝7时，根据无创CT冠脉造影计算得到的冠脉血流速度与冠脉造影TIMI数帧法测量得到的结果一致。在对比例1或2中，当K值大于9.5或小于5时，误差较大。
由此可见，本发明提供的获得冠脉血流量的方法，直接从冠脉的结构尺寸来估计血流，不需要先根据CT图像分割出心肌，由于在现有基于影像学血流动力学计算中，冠脉的分割是必须条件，所以通过冠脉尺寸来估计血流不会增加图像处理的工作量，相较于现有技术中通过病人的心肌大小估计冠脉血流量更简单、精确。
综上所述，本发明提供的上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (35)
1.一种获取冠脉血流量的方法，其特征在于，包括：
获取冠脉影像信息，得到冠脉的几何特征数据；
根据所述冠脉几何特征数据获得冠脉参考管腔的总体积V；
根据公式1计算冠脉开口处的血流量Q：
其中，Q的单位为mm3/s，V的单位为mm3时，K的取值范围为5～9.5，所述冠脉影像信息为具有狭窄的冠脉的影像信息，所述参考管腔为重建冠脉无病变状态的管腔，
所述几何特征数据包括任一分叉核的近端主支血管和远端主支血管之间的分叉角度α1，远端主支血管的全长长度L1，近端主支血管和分支血管之间的分叉角度α2，分支血管的全长长度L2；
以及所述任一分叉核的近端主支血管的参考管腔面积S0，该分叉核的远端主支血管近端的参考管腔面积S1，该分叉核的分支血管的近端的参考管腔面积S2中的任意两个，
再通过下述公式2获得剩余一个参考管腔面积：
其中，e为自然常数；－∞≤r＜－0.6。
2.根据权利要求1所述的获取冠脉血流量的方法，其特征在于，
所述冠脉参考管腔的总体积V通过以下步骤获得：
所述冠脉几何特征数据包括冠脉血管长度和冠脉血管的参考管腔面积；
将冠脉血管沿血管中心线切分成多个垂直于血管中心线的片，定义所述片的底面积为相应处的参考管腔面积，结合所述冠脉血管长度，将多个所述片的体积求和得到所述冠脉参考管腔的总体积V。
3.根据权利要求1所述的获取冠脉血流量的方法，其特征在于，
所述冠脉参考管腔的总体积V通过以下步骤获得：
根据所述冠脉几何特征数据，识别冠脉的分叉核；
所述冠脉包括多个分叉核和由分叉核分割成的多段血管节段，将所述多个分叉核和所述多段血管节段的体积相加得出冠脉参考管腔的总体积V。
4.根据权利要求3所述的获取冠脉血流量的方法，其特征在于，
将所述分叉核简化为圆台计算其体积，圆台的一个底面的面积为所述分叉核近端的参考管腔面积，圆台的另一个底面的面积为所述分叉核两个远端的参考管腔面积之和，圆台高为分叉核近端中心到分叉嵴的距离。
5.根据权利要求3所述的获取冠脉血流量的方法，其特征在于，将所述多段血管节段简化为圆台计算其体积，圆台的上下底面的面积分别为所述血管节段近端的参考管腔面积和远端的参考管腔面积，圆台的高为所述血管节段中心线的长度。
6.根据权利要求3所述的获取冠脉血流量的方法，其特征在于，所述多段血管节段包括最远端血管节段和除最远端血管节段以外的其他血管节段，其中：
将所述除最远端血管节段以外的其他血管节段简化为圆柱体计算其体积，每个圆柱体的底面积为该血管节段任一处的参考管腔面积，圆柱体的高为该血管节段中心线的长度。
7.根据权利要求1所述的获取冠脉血流量的方法，其特征在于，－2≤r＜－0.75。
8.根据权利要求1所述的获取冠脉血流量的方法，其特征在于，r＝－1。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的获取冠脉血流量的方法，其特征在于，K的取值范围为6.5～8。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的获取冠脉血流量的方法，其特征在于，K的取值范围为7。
11.根据权利要求2-8中任一项所述的获取冠脉血流量的方法，其特征在于，
冠脉血管中感兴趣区域的参考管腔面积由以下方法获得：
所述冠脉几何特征数据包括所述冠脉血管中感兴趣区域的中膜内周面积S'，
相应区域的参考管腔面积S＝A*S'，其中，0.7≤A＜1。
12.根据权利要求9所述的获取冠脉血流量的方法，其特征在于，
冠脉血管中感兴趣区域的参考管腔面积由以下方法获得：
所述冠脉几何特征数据包括所述冠脉血管中感兴趣区域的中膜内周面积S'，
相应区域的参考管腔面积S＝A*S'，其中，0.7≤A＜1。
13.根据权利要求10所述的获取冠脉血流量的方法，其特征在于，
冠脉血管中感兴趣区域的参考管腔面积由以下方法获得：
所述冠脉几何特征数据包括所述冠脉血管中感兴趣区域的中膜内周面积S'，
相应区域的参考管腔面积S＝A*S'，其中，0.7≤A＜1。
14.根据权利要求1-8中任一项所述的获取冠脉血流量的方法，其特征在于，通过无创冠脉CT造影获取冠脉影像信息。
15.一种获取冠脉血流速度的方法，其特征在于，根据权利要求1-14中任一项获得的冠脉开口处的血流量除以该处的参考管腔面积，获得冠脉开口处的血流速度。
16.根据权利要求15所述的获取冠脉血流速度的方法，其特征在于，在获得冠脉开口处的血流速度后，通过下述公式3或公式4逐级计算所述冠脉中除冠脉开口外任一血管节段的血流速度：
所述ν0为分叉核近端主支血管的血流速度；ν1为分叉核远端主支血管的血流速度；
ν2为分叉核的分支血管的血流速度。
17.一种获取冠脉血流量的装置，其特征在于，包括：
冠脉几何特征分析模块，用于获取冠脉影像信息，得到冠脉的几何特征数据；
体积计算模块，用于根据所述冠脉几何特征数据获得冠脉参考管腔的总体积V；以及，
血流量计算模块，用于根据公式1计算冠脉开口处的血流量Q：
Q的单位为mm3/s，V的单位为mm3时，K的取值范围为5～9.5，所述冠脉影像信息为具有狭窄的冠脉的影像信息，所述参考管腔为重建冠脉无病变状态的管腔，
所述冠脉几何特征分析模块用于，
获取任一分叉核的近端主支血管和远端主支血管之间的分叉角度α1，远端主支血管的全长长度L1，近端主支血管和分支血管之间的分叉角度α2，分支血管的全长长度L2；
以及所述任一分叉核的近端主支血管的参考管腔面积S0，该分叉核的远端主支血管近端的参考管腔面积S1，该分叉核的分支血管的近端的参考管腔面积S2中的任意两个，
再通过下述公式2获得剩余一个参考管腔面积：
其中，e为自然常数；－∞≤r＜－0.6。
18.根据权利要求17所述的获取冠脉血流量的装置，其特征在于，
所述冠脉几何特征分析模块用于获取冠脉血管长度和冠脉血管的参考管腔面积；
所述体积计算模块用于，将冠脉血管沿血管中心线切分成多个垂直于血管中心线的片，定义所述片的底面积为相应处的参考管腔面积，结合所述冠脉血管长度，将多个所述片的体积求和得到所述冠脉参考管腔的总体积V。
19.根据权利要求17所述的获取冠脉血流量的装置，其特征在于，
所述体积计算模块用于，
根据所述冠脉几何特征数据，识别冠脉的分叉核；
所述冠脉包括多个分叉核和由分叉核分割成的多段血管节段，将所述多个分叉核和所述多段血管节段的体积相加得出冠脉参考管腔的总体积V。
20.根据权利要求19所述的获取冠脉血流量的装置，其特征在于，
所述体积计算模块用于，将所述分叉核简化为圆台计算其体积，圆台的一个底面的面积为所述分叉核近端的参考管腔面积，圆台的另一个底面的面积为所述分叉核两个远端的参考管腔面积之和，圆台高为分叉核近端中心到分叉嵴的距离。
21.根据权利要求19所述的获取冠脉血流量的装置，其特征在于，所述体积计算模块用于，将所述多段血管节段简化为圆台计算其体积，圆台的上下底面的面积分别为所述血管节段近端的参考管腔面积和远端的参考管腔面积，圆台的高为所述血管节段中心线的长度。
22.根据权利要求19所述的获取冠脉血流量的装置，其特征在于，所述多段血管节段包括最远端血管节段和除最远端血管节段以外的其他血管节段，其中：
所述体积计算模块用于，将所述除最远端血管节段以外的其他血管节段简化为圆柱体计算其体积，每个圆柱体的底面积为该血管节段任一处的参考管腔面积，圆柱体的高为该血管节段中心线的长度。
23.根据权利要求17所述的获取冠脉血流量的装置，其特征在于，－2≤r＜－0.75。
24.根据权利要求17所述的获取冠脉血流量的装置，其特征在于，r＝－1。
25.根据权利要求17所述的获取冠脉血流量的装置，其特征在于，
所述冠脉几何特征分析模块用于，
判断距离冠脉血管开口最近的第一分叉核的近端主支血管是否存在未病变的管腔；
若存在，则定义所述第一分叉核的近端主支血管的参考管腔面积为所述第一分叉核的近端主支血管任一未病变处的参考管腔面积；
并默认所述第一分叉核所在的主支血管上所有分支血管都未发生病变，根据所述影像信息直接获取所述第一分叉核所在的主支血管上的全部分叉的分支血管近端的参考管腔面积；
再根据所述第一分叉核所在的主支血管上任一分叉核距离冠脉血管开口的距离，从近到远逐个通过任一分叉核的近端主支血管的参考管腔面积和分支血管近端的参考管腔面积计算与任一分叉核相连的远端主支血管近端的参考管腔面积，以及，
若距离冠脉血管开口最近的第一分叉核的近端主支不存在未病变的管腔；
则判断最远端血管的近端是否病变；
若不存在病变，根据影像信息直接获取最远端血管近端的参考管腔面积；
根据分叉核距离冠脉血管开口的距离，从远到近逐个通过任一分叉核远端主支血管近端和分支血管近端的参考管腔计算与任一分叉核相连的近端主支血管的参考管腔面积。
26.根据权利要求17-25中任一项所述的获取冠脉血流量的装置，其特征在于，K的取值范围为6.5～8。
27.根据权利要求17-25中任一项所述的获取冠脉血流量的装置，其特征在于，K的取值范围为7。
28.根据权利要求18-25中任一项所述的获取冠脉血流量的装置，其特征在于，
所述冠脉几何特征分析模块用于获取冠脉血管中感兴趣区域的参考管腔面积，包括：
获取所述冠脉血管中感兴趣区域的中膜内周面积S'，
相应区域的参考管腔面积S＝A*S'，其中，0.7≤A＜1。
29.根据权利要求26所述的获取冠脉血流量的装置，其特征在于，
所述冠脉几何特征分析模块用于获取冠脉血管中感兴趣区域的参考管腔面积，包括：
获取所述冠脉血管中感兴趣区域的中膜内周面积S'，
相应区域的参考管腔面积S＝A*S'，其中，0.7≤A＜1。
30.根据权利要求27所述的获取冠脉血流量的装置，其特征在于，
所述冠脉几何特征分析模块用于获取冠脉血管中感兴趣区域的参考管腔面积，包括：
获取所述冠脉血管中感兴趣区域的中膜内周面积S'，
相应区域的参考管腔面积S＝A*S'，其中，0.7≤A＜1。
31.根据权利要求17-25中任一项所述的获取冠脉血流量的装置，其特征在于，所述冠脉几何特征分析模块通过无创冠脉CT造影获取冠脉影像信息。
32.一种获取冠脉血流速度的装置，其特征在于，包括：
权利要求17-31中任一项所述的获取冠脉血流量的装置，用于获取冠脉开口处血流量；以及，
血流速度计算模块，用于根据冠脉开口处的血流量除以该处的参考管腔面积，获得冠脉开口处的血流速度。
33.根据权利要求32所述的获取冠脉血流速度的装置，其特征在于，所述血流速度计算模块用于，在获得冠脉开口处的血流速度后，通过下述公式3或公式4逐级计算所述冠脉中除冠脉开口外任一血管节段的血流速度：
所述ν0为分叉核近端主支血管的血流速度；ν1为分叉核远端主支血管的血流速度；
ν2为分叉核的分支血管的血流速度。
34.一种用于获取冠脉血流量的装置，其特征在于，包括：
处理器、储存器及储存在所述储存器中的计算机可执行指令，所述处理器执行所述计算机可执行指令时，实现权利要求1-14中任一项所述的获取冠脉血流量的方法。
35.一种用于获取冠脉血流速度的装置，其特征在于，包括：
处理器、储存器及储存在所述储存器中的计算机可执行指令，所述处理器执行所述计算机可执行指令时，实现权利要求15或16中所述的获取冠脉血流速度的方法。
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Legal Events
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Address after: 200233 16th floor, building 82, No. 1198, Qinzhou North Road, Xuhui District, Shanghai Patentee after: Shanghai Bodong Medical Technology Co.,Ltd. Address before: Room 402, building 2, 481 Guiping Road, Xuhui District, Shanghai 200233 Patentee before: PULSE MEDICAL IMAGING TECHNOLOGY (SHANGHAI) Co.,Ltd. |
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| CP03 | Change of name, title or address | ||
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Application publication date: 20190621 Assignee: Shanghai Guanhe Medical Equipment Co.,Ltd. Assignor: Shanghai Bodong Medical Technology Co.,Ltd. Contract record no.: X2023310000077 Denomination of invention: Method and device for obtaining coronary blood flow and blood flow velocity Granted publication date: 20201110 License type: Common License Record date: 20230607 |
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