CN110612063B - 标准化冠状动脉疾病度量 - Google Patents
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Abstract
一种计算系统(118)包括：具有计算机可执行指令(124)和参考位置(128)的计算机可读存储介质(122)，所述计算机可执行指令包括生物物理模拟器(126)；以及处理器(120)，所述处理器针对所述生物物理模拟器而被配置并且在由所述参考位置指示的沿着分割的冠状动脉的预定位置处的模拟参考FFR值。一种编码有计算机可读指令的计算机可读存储介质，所述计算机可读指令在计算系统的处理器执行时，使处理器模拟在沿着由预定参考指示的分割冠状血管的预定位置处的参考FFR值。一种方法包括模拟在沿着由预定参考位置指示的分割冠状血管的预定位置处的参考FFR值。
Description
技术领域
以下总体涉及确定冠状动脉疾病度量，并且更具体而言涉及针对沿着冠状动脉的预定参考或公共位置将冠状动脉疾病度量标准化，并且在血流储备分数-计算机断层摄影(FFR-CT)的应用中进行了具体描述，但是也适用于X射线FFR(xFFR)、瞬时无波比(iFR)等。
背景技术
血流储备分数(FFR)是心脏导管实验室(Cath Lab)中的一项侵入性测量，通过FFR指数来量化由于钙化或软斑块引起的冠状动脉病变的血流动力学显著性。该指标指示冠状狭窄的功能严重性，其根据在冠状血管造影术期间进行的压力测量被计算并且被定义为在充血条件下远端血压(狭窄后面)相比于近端血压(靠近心门)。这样，FFR指标表达在存在狭窄时沿血管向下的最大流量相比于假设没有狭窄时的最大流量。FFR值是介于0与1之间的数字，其中，值0.50指示给定的狭窄会导致血压下降50％。针对功能显著性的所建立的临床阈值为0.8，即，具有更小的FFR值病变应该被处置。
侵入性FFR流程需要将导管插入股动脉或桡动脉，并使导管前进至狭窄处，在影响脉管的几何形状、顺应性和阻力和/或其他特征的各种药剂促成的状况期间，导管尖端的传感器感测跨狭窄的压力、温度和流量。非侵入性FFR-CT方法于通过计算流体动力学(CFD)模拟根据心脏的CT图像数据(例如，根据造影增强冠状计算机断层摄影血管造影术，CCTA)来估算FFR指数，其中，模拟通过冠状动脉的血流和压力。这包括使用CCTA图像数据来导出冠状动脉树的几何模型，并从其确定边界条件以用于仿真。
通常，狭窄后面的血压(远端血压)随着距狭窄末端距离的增加而下降。例如，由于摩擦定律，与在较不远端位置处的压力测量相比，在较远位置处的压力测量将产生更小的值，并且与较大的血管相比，对于较小的血管，这种影响更为严重。结果，FFR值将取决于沿着FFR值被计算的沿着冠状动脉的位置。这样，例如由于在临床医师为执行FFR测量而选择的位置方面的差异/不一致，FFR值在患者、临床医师、医学机构等之间不容易比较。
发明内容
本文中描述的各方面解决以上提及的问题和其他问题。
在一个方面中，一种计算系统包括：具有计算机可执行指令和参考位置的计算机可读存储介质，所述计算机可执行指令包括生物物理模拟器；以及处理器，所述处理器针对所述生物物理模拟器而被配置并且模拟在由所述参考位置指示的沿着分割的冠状动脉的预定位置处的参考FFR值。在在另一方面中，一种编码有计算机可读指令的计算机可读存储介质，所述计算机可读指令在由计算系统的处理器执行时，使所述处理器模拟在由预定参考指示的沿着分割冠状血管的预定位置处的参考FFR值。在另一方面中，一种方法包括模拟在由预定参考位置指示的沿着分割冠状血管的预定位置处的参考FFR值。
本领域技术人员在阅读和理解所附说明书后将认识到本申请的其他方面。
附图说明
本发明可以采取各种部件和各部件的布置以及各种步骤和各步骤的安排的形式。附图仅出于图示优选的实施例的目的并且不应被解释为对本发明的限制。
图1示意性地示出了示例系统，其包括具有生物物理模拟器和参考位置的计算系统以及成像系统。
图2示意性地图示了生物物理模拟器的范例。
图3示意性地示出了分割的冠状血管的示例，其示出了狭窄的位置、用户指定的针对FFR值的位置以及针对FFR值的参考位置。
图4示意性地示出了示例计算系统，其具有生物物理模拟器和参考位置，被配置为处理侵入性FFR测量结果和血管造影图。
图5示意性地示出了示例计算系统，其具有生物物理模拟器和参考位置，被配置为处理模拟FFR测量结果和CT图像。
图6图示根据本文中的实施例的范例方法。
图7图示根据本文中的实施例的另一方法。
图8图示根据本文中的实施例的另一方法。
具体实施方式
图1示意性地示出了包括诸如CT扫描器的成像系统102的系统100。在变型中，成像系统102包括X射线装置。成像系统102包括体固定机架104和旋转机架106，旋转机架104由固定机架104可旋转地支撑并且围绕检查区域108关于z轴旋转。对象支撑件110，例如卧榻，在检查区域108中支撑目标或对象。
辐射源112，例如X-射线管，由旋转机架106可旋转地支撑，随旋转机架106旋转，并且发出穿过检查区域108的辐射。辐射敏感探测器阵列114对向一角度弧，跨检查区域1088与辐射源112相对。辐射敏感探测器阵列114探测穿过检查区域108的辐射并生成指示其的(一个或多个)电信号(投影数据)。重建器116重建投影数据，生成指示定位于检查区域108中的对象或目标的被扫描部分的体积图像数据。
系统100还包括计算系统118，在该示例中，计算系统118用作操作者控制台。控制台118包括处理器120(例如，微处理器、中央处理单元等)和计算机可读存储介质122，其排除瞬态介质，并且包括诸如物理存储设备之类的瞬态介质，等等。控制台118还包括(一个或多个)人类可读输出设备130(例如显示监视器)和(一个或多个)输入设备132(例如鼠标、键盘等)。
计算机可读存储介质122包括至少用于生物物理模拟器126的指令124，并且包括预定参考位置128。参考位置128可以是静态的或可编程的。处理器120被配置为执行指令124和/或允许操作者经由图形用户界面(GUI)或其他方式与扫描器102交互和/或操作扫描器102的软件。处理器120可以额外地或备选地执行由载波、信号和/或其他瞬态介质承载的(一条或多条)计算机可读指令。
在一个变体中，所述生物物理模拟器126和所述预定参考位置128是另一计算系统的一部分，所述另一计算系统与控制台118和系统100分开。在这种情况下，另一计算系统与控制台118的相似之处在于它包括处理器、计算机可读存储介质、输入设备和输出设备，但是它不包括允许操作者与扫描器102交互和/或操作扫描器102的软件。
生物物理模拟器126被配置为根据心脏图像数据来确定FFR值。这包括沿脉管的标准位置(例如，由参考位置128指示的位置)的FFR值。如下面更详细描述的，至少可以如下地确定标准位置的FFR值：1)利用心脏CT图像数据(例如，来自成像系统102和/或其他系统的数据)以及沿血管的用户指定点处的FFR，2)根据血管造影图和侵入性FFR测量结果，和/或3)心脏CT图像数据和从其确定的先前模拟FFR值。标准化FFR允许独立于临床医师、医学机构等在患者之间比较FFR值，例如，无论临床医师指定的位置如何。
图2示意性地图示了生物物理模拟器126的范例。在该示例中，生物物理模拟器126包括分割器202、边界条件确定器204和流量模拟器206。生物物理模拟器126从成像系统102、数据库(例如，放射信息系统(RIS)，图片存档通信系统(PACS)等)和/或其他装置接收图像数据作为输入，并且输出FFR值，包括参考位置128处的FFR值。
分割器202采用分割算法来从图像数据分割冠状动脉树。可以自动(例如，机器学习等)或半自动(例如，在用户协助下)地执行分割。在一种情况下，分割包括从其识别和/或提取冠状动脉中心线和/或管腔几何结构(例如，直径，周长，横截面积等)。分割可以基于体素强度、对象形状和/或其他特征。图3示意性地示出了冠状动脉树的一部分300的分割。
在以下文献中讨论了从图像数据中提取冠状动脉树和心腔的合适方法的示例：Zheng等人的“Robust and accurate coronary artery centerline extraction in CTAby combining model-driven and data-driven approaches”Med Image Comput AssistInterv.2013；16(Pt 3):74-81；Ecabert等人的“Segmentation of the heart and greatvessels in CT images using a model-based adaptation framework”Med ImageAnal.2011 Dec；15(6):863-76；以及Freiman等人的“Improving CCTA-based lesions’hemodynamic significance assessment by accounting for partial volume modelingin automatic coronary lumen segmentation”Med Phys.2017 Mar；44(3):1040-1049。本文中也预期其它方法。
边界条件确定器204根据冠状动脉树分割来确定用于模拟血管中的血流的边界条件。在一种方案中，采用参数集总模型。该模型包括使用非线性阻力的中心线表示，其具有指示流入和流出边界条件的元件，以及表示树段传递函数的元件，其中包括一系列反映脉管几何形状(例如，直径、周长、横截面等)和/或水力效应的线性和非线性阻力元件。
Nickisch等人在Medical Image Computing and Computer-AssistedIntervention--MICCAI 2015:18th International Conference,LNCS,Vol.9350,2015,vol.9350,第433–441页中的“Learning Patient-Specific Lumped Models forInteractive Coronary Blood Flow Simulations”中讨论了集总模型的示例。在2014年6月30日提交的题为“Enhanced Patient's Specific Modeling For FFR-CT”的EP14174891.3中描述了导出边界条件的示例，其全部内容通过引用并入本文。本文中也预期其它方法。
流动模拟器206利用边界条件来执行流动模拟并沿着分割的冠状动脉树生成FFR值。输出的FFR值包括沿着脉管的用户指定位置处的FFR值和在通过参考位置128所识别的位置处的FFR值。例如，在图3中，经分割的血管302包括狭窄304。可以在分割的冠状动脉树中识别狭窄304，例如通过对应于血管内壁的最大狭窄的位置(例如，减小的血管半径或直径)，例如使用边缘检测算法、评估体素强度值等。
位置306表示用户为FFR值选择的位置。用户可以例如经由输入设备132，例如通过用鼠标等在分割的冠状动脉树上的特定位置上“点击”来指定位置。参考位置308指示由预定参考位置128指定的位置。在一个实例中，预定参考位置128指示参考位置308在狭窄末端的下游特定距离310。可以从图像数据的半径或直径测量结果来确定终点。在一个实例中，距离310是恒定的(例如，10mm)。在另一实例中，距离310是血管几何结构的函数(例如，3x狭窄304之前的血管(健康血管)的部分的半径)。也预期其他距离。
可以例如使用CFD和/或其他方法来完成流动模拟。FFR值的计算示例在2013年5月10日提交的题为“Determination of a fractional flow reserve(FFR)value for astenosis of a vessel”的US 2015/0092999A1中进行了描述，在2013年10月24日提交的题为“Fractional flow reserve(FFR)index”的US 2015/0282765 A1中进行了描述，在此通过引用将其整体并入。生物物理模拟器126的输出包括用户指定位置306处的FFR值和位置308处的FFR值。这些值可以通过输出设备130与指示每个位置的标记一起显示。在一个实例中，这包括将值叠加在冠状树的图形表示上，例如，如图3所示。
图4示意性地示出了示例，其中计算系统118与系统100分离，而不与成像系统102的控制台分离。在该示例中，计算系统118接收在进行相应压力测量时使用的侵入性FFR测量结果和血管造影图作为输入。如本文和/或其他描述，分割血管造影术以提取冠状动脉树。还分析血管造影图以确定支撑用于进行压力测量的压力传感器的导线尖端的位置。在一种情况下，这是通过评估血管造影图中的体素强度值来实现的。
生物物理模拟器126使用分割的冠状动脉树、所确定的位置和侵入性FFR测量来确定模型边界条件，所述模型边界条件将导致模拟，所述模拟将在所确定的位置处产生与侵入性FFR测量结果相同的FFR值。为此，可以使用用于确定FFR值的相同模拟流水线，除了使用特定位置的FFR值来确定边界条件。然后可以在这些边界条件下执行模拟，以模拟沿整个血管的FFR值，并且可以确定参考位置128指定的位置处的FFR值。可以如本文所讨论的那样显示FFR，其中数字和/或图形标记指示经分割的冠状动脉树上的相应位置。
图5示意性地示出了另一示例，其中计算系统118与系统100分离，而不与成像系统102的控制台分离。在该示例中，计算系统118接收先前模拟FFR值和用于模拟FFR值的图像数据作为输入。生物物理模拟器126从图像数据中分割冠状动脉树，确定模型边界条件，并沿冠状动脉树模拟FFR值。基于沿冠状树的模拟FFR值，将先前模拟FFR值映射到冠状树上的位置，并转化到参考位置。可以如本文所讨论的那样显示FFR，其中数字和/或图形标记指示经分割的冠状动脉树上的相应位置。
图1-5描述了使用FFR作为冠状动脉疾病的功能显著性的量度的示例。在一个变型中，本文描述的方法也可以应用于瞬时无波比(iFR)和/或其他量度。通常，与FRF不同，iFR是使用压力线在静止状态下执行的，所述压力线被传送冠状动脉狭窄的远端并且隔离舒张期中的特定时期(称为无波动时期)，并计算在此时段中在主动脉中观察到远端冠状动脉压力与压力的比值。
图6图示根据本文中描述的实施例的范例方法。
在602，从心脏CT图像数据分割冠状动脉树。
在604处，从其确定边界条件以用于流动模拟。
在606处，利用所述边界条件来执行流动模拟以模拟沿着冠状动脉树的FFR值。
在608，根据模拟FFR值在沿着冠状树的用户指定位置确定模拟FFR值。
在610，根据模拟FFR值在沿着冠状树的参考位置128处确定另一个模拟FFR值。
如本文所述，模拟的FFR可以与数字和/或图形标记一起显示，所述数字和/或图形标记指示分割的冠状动脉树上的相应位置。
图7图示根据本文中描述的实施例的另一示例方法。
在702，从血管造影图中分割冠状动脉树。
在704，根据血管造影图确定沿着分割的冠状动脉树的侵入性FFR测量的位置。
在706，根据分割的冠状动脉树、侵入性FFR测量和所确定的位置确定边界条件。
在708处，利用所述边界条件来执行流动模拟以模拟沿着冠状动脉树的FFR值。
在710，根据沿着冠状树的模拟FFR值在沿着冠状树的参考位置128处确定另一个模拟FFR值。
如本文所述，所模拟的和侵入性的FFR可以与数字和/或图形标记一起显示，所述数字和/或图形标记指示分割的冠状动脉树上的相应位置。
图8图示根据本文中描述的实施例的另一示例方法。
在802，从CT图像数据分割冠状动脉树。
在804，根据分割的冠状动脉树确定边界条件。
在806处，利用所述边界条件来执行流动模拟以模拟沿着冠状动脉树的FFR值。
在808，根据模拟的沿着冠状动脉树的FFR值确定先前输入的模拟FFR值的位置。
在810，根据沿着冠状树的模拟FFR值在沿着冠状树的预定参考位置128处确定模拟FFR值。
如本文所述，所模拟和先前模拟的FFR可以与数字和/或图形标记一起显示，所述数字和/或图形标记指示分割的冠状动脉树上的相应位置。
可以通过计算机可读指令实现以上内容，所述计算机可读指令嵌入或编码到计算机可读存储介质上，当被(一个或多个)计算机处理器执行时，所述计算机可读指令使(一个或多个)处理器执行所述动作。额外地或替代地，计算机可读指令中的至少一个由不是计算机可读存储介质的信号、载波或其他瞬时介质来承载。此外，动作的顺序不是限制性的。这样，本文中预期其他顺序。另外，可以省略一个或多个动作和/或可以包括一个或多个额外的动作。
尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示范性的，而非限制性的。本发明不限于公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求书，在实践请求保护的本发明时能够理解并且实现对所公开的实施例的其他变型。
在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或者其它单元可以实现权利要求书中记载的若干项的功能。尽管特定措施是在互不相同的从属权利要求中记载的，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
可以将计算机程序存储/分布在与其它硬件一起提供或者作为其它硬件的一部分提供的诸如光存储介质或者固态介质的合适介质上，但是还可以以诸如经因特网或者其它有线或无线电信系统的其它形式分布。权利要求书中的任何附图标记不应被解释为对范围的限制。
Claims (8)
1.一种计算系统(118)，包括：
具有计算机可执行指令(124)的计算机可读存储介质(122)，所述计算机可执行指令包括生物物理模拟器(126)，所述生物物理模拟器从血管造影图中分割冠状血管，识别经分割的冠状血管中的狭窄和所述狭窄的远端，测量所述狭窄附近的所述经分割的冠状血管的直径，并且确定参考位置(308)和所述经分割的冠状血管上获取侵入性血流储备分数(FFR)测量结果的测量位置，所述参考位置是在距所述远端的所测量的直径的倍数的距离(310)处的位置，其中，所述生物物理模拟器还被配置为确定边界条件，使得所述测量位置处的模拟FFR值等于所测量的侵入性FFR值；以及
处理器(120)，其被配置为执行所述生物物理模拟器，以利用所述边界条件执行血流模拟，产生沿着所述经分割的冠状血管的模拟FFR值，确定所述模拟FFR值中的与沿着所述经分割的冠状血管的用户指定位置相对应的选定FFR值，并根据所述模拟FFR值来确定所述参考位置(308)处的FFR值。
2.根据权利要求1所述的计算系统，其中，所述生物物理模拟器分别用指示所述参考位置和所述用户指定位置的标记在视觉上呈现参考FFR值和所述选定FFR值。
3.根据权利要求2所述的计算系统，其中，所述生物物理模拟器在视觉上呈现所述经分割的冠状血管以及叠加在其上的所述参考FFR值和选定模拟FFR值，以及指示所述参考位置和所述用户指定位置的所述标记。
4.根据权利要求1所述的计算系统，其中，所述生物物理模拟器使用所确定的边界条件来执行模拟，以模拟沿着所述经分割的冠状血管的FFR值，并且将所述侵入性FFR测量结果转化到参考位置，以确定参考FFR值。
5.根据权利要求4所述的计算系统，其中，所述生物物理模拟器在视觉上呈现所述参考FFR值和所述侵入性FFR测量结果以及指示所述参考位置和侵入性FFR测量位置的标记。
6.根据权利要求5所述的计算系统，其中，所述生物物理模拟器在视觉上呈现所述经分割的冠状血管以及叠加在其上的所述参考FFR值和所述侵入性FFR测量结果，以及指示所述参考位置和所述侵入性FFR测量位置的标记。
7.根据权利要求4至6中的任一项所述的计算系统，其中，所述生物物理模拟器将沿冠状血管的用户指定位置的FFR值转化为由所述参考位置指示的位置处的参考FFR值。
8.一种编码有计算机可读指令的计算机可读存储介质，所述计算机可读指令在由计算系统的处理器运行时，令所述处理器：
执行生物物理模拟器(126)，所述生物物理模拟器从血管造影图中分割冠状血管，识别经分割的冠状血管中的狭窄和所述狭窄的远端，测量所述狭窄附近的所述经分割的冠状血管的直径，并且确定参考位置(308)和所述经分割的冠状血管上获取侵入性血流储备分数(FFR)测量结果的测量位置，所述参考位置是在距所述远端的所测量的直径的倍数的距离(310)处的位置，其中，所述生物物理模拟器还被配置为确定边界条件，使得所述测量位置处的模拟FFR值等于所测量的侵入性FFR值；并且
利用所述边界条件执行血流模拟，产生沿着所述经分割的冠状血管的模拟FFR值，确定所述模拟FFR值中的与沿着所述经分割的冠状血管的用户指定位置相对应的选定FFR值，并根据所述模拟FFR值来确定所述参考位置(308)处的FFR值。
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