CN111166317A - 基于造影图像计算造影血流储备分数和静息态压力比值的方法 - Google Patents

基于造影图像计算造影血流储备分数和静息态压力比值的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于造影图像计算造影血流储备分数的方法，包括：通过血压传感器测量心脏冠脉口的压力Pa；通过造影图像获取血管的二维管径及长度，并通过两个呈30°以上夹角的造影图像生成三维血管网格模型并获得血管的三维管径及长度；测量包含造影剂的血液从一段指定血管的起始点到结束点所用的时间，并根据该时间和血管三维长度计算血流速度V1；将血流速度V1作为冠脉入口流速，计算冠脉入口到冠脉狭窄远端的压力降ΔP1，狭窄远端冠状动脉内平均压Pd1=Pa‑ΔP1，通过公式cFFR=Pd1/Pa计算得到造影血流储备分数。无需使用血管扩张剂，通过常规造影图像即可得到cFFR和resting Pd/Pa。

Description

基于造影图像计算造影血流储备分数和静息态压力比值的 方法
技术领域
本发明涉及冠状动脉影像学评价领域，具体地涉及一种基于造影图像计算造影血流储备分数(cFFR)和静息态压力比值(resting Pd/Pa)的方法。
背景技术
血流储备分数(FFR)可表明冠脉狭窄病变对远端血流产生的影响，诊断心肌是否缺血，已经成为冠脉狭窄功能性评价的公认指标。FFR定义为狭窄冠状动脉提供给支配区域心肌的最大血流量与同一支冠状动脉正常时提供给心肌的最大血流量的比值。可以简化为心肌最大充血状态下的狭窄远端冠状动脉内平均压(Pd)与冠状动脉口部主动脉平均压(Pa)的比值，即 FFR＝Pd/Pa。
确定FFR时候，需要基于心肌最大充血状态下的血流速度和冠状动脉口部主动脉平均压，通过不同的手段获取狭窄远端冠状动脉内平均压来计算 FFR。但心肌最大充血需要通过冠脉内或静脉内注射腺苷或ATP，注射腺苷或ATP会造成主动脉压力下降并有一定的副作用比如房室传导阻滞、窦缓、窦停等，禁忌症包括2度或3度房室传到阻滞、窦房结疾病、气管或支气管哮喘、对腺苷过敏。
造影血流储备分数(cFFR)和静息态压力比值(resting Pd/Pa)两个参数被提出来替代或者补充FFR。造影血流储备分数(cFFR)是在造影状态下的狭窄远端冠状动脉内平均压与冠状动脉口部主动脉平均压的比值；静息态压力比值(resting Pd/Pa)是在正常生理态下的狭窄远端冠状动脉内平均压与冠状动脉口部主动脉平均压的比值。相对于静息态，造影可以导致一定程度的心肌充血，因此造影血流储备分数(cFFR)被认为更接近血流储备分数(FFR)。
目前，现有的计算造影血流储备分数(cFFR)和静息态压力比值(resting Pd/Pa)的方法主要为：压力导丝在造影状态和静息态下测量冠脉狭窄远端的压力Pd来确定FFR。需要依靠压力导丝进行测量，压力导丝测量时需要介入血管末端，增加手术难度和风险，同时压力导丝昂贵的价格也限制其大规模应用。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明目的是：提供了一种基于造影图像计算造影血流储备分数和静息态压力比值的方法，针对冠心病患者通过常规冠状动脉造影手术检测心肌缺血情况，即无需使用血管扩张剂(即无需心肌最大充血状态且不使用腺苷或ATP)。通过常规造影图像、主动脉压和血流，来计算造影血流储备分数(cFFR)和静息态压力比值(resting Pd/Pa)。
本发明的技术方案是：
一种基于造影图像计算造影血流储备分数的方法，包括以下步骤：
S01：通过血压传感器测量心脏冠脉口的压力Pa；
S02：通过造影图像获取血管的二维管径及长度，并通过两个呈30°以上夹角的造影图像生成三维血管网格模型并获得血管的三维管径及长度；
S03：测量包含造影剂的血液从一段指定血管的起始点到结束点所用的时间，并根据该时间和血管三维长度计算血流速度V1；
S04：将步骤S03计算得到的造影状态下的血流速度V1作为冠脉入口流速，计算冠脉入口到冠脉狭窄远端的压力降ΔP1，狭窄远端冠状动脉内平均压Pd1＝Pa-ΔP1，通过造影血流储备分数计算公式cFFR＝Pd1/Pa计算得到造影血流储备分数。
优选的技术方案中，所述步骤S01包括，使用血压传感器的压力管连接到多联三通，然后通过造影导管与心脏冠脉口部相连，在血压传感器的压力管内充满盐水，并保持血压传感器与心脏在同一水平位置，该血压传感器测量的压力值即为心脏冠脉口的压力Pa。
优选的技术方案中，所述步骤S02中生成三维血管网格模型的方法包括以下步骤：
S21：将两个呈30°以上夹角的X射线冠脉造影图像上，具有映射关系的两分段血管的2D结构数据进行三维重建，得到该分段血管的3D结构数据；
S22：重复步骤S21，直到所有分段血管三维重建完成，再将重建后的分段血管合并，得到完整的三维血管网格模型。
优选的技术方案中，步骤S03中计算血流速度V1的具体方法包括以下步骤：
S31：获取指定的病人心率为H次/分钟，从造影图像信息中获取图像频率为S帧/秒，其帧数X的计算公式如下：X＝(1÷(H÷60))×S；
S32：通过一个心动周期内图像所走过的帧数，在二维起始帧和结束帧对应的图像上分别取得一个心动周期的起始点和结束点，然后通过起始点和结束点在三维血管网格模型中截取一个心动周期的血管长度；
S33：通过公式V1＝L÷P，计算得到血液流动速度V1，L为血管长度，P 为一个心动周期所用的时间，P＝X÷S。
优选的技术方案中，所述步骤S04中计算冠脉入口到冠脉狭窄远端的压力降ΔP1的具体方法如下：
S41：基于血流速度与三维血管网格模型，求解不可压缩流的基本公式，对三维血管网格模型进行求解，用数值法求解连续性和Navier-Stokes方程：
Figure RE-GDA0001961274340000031
Figure RE-GDA0001961274340000032
其中
Figure RE-GDA0001961274340000033
P，ρ，μ分别为流速、压力、血流密度、血流粘性；
入口边界条件为血流速度，出口边界条件为out-flow边界条件；
S42：计算沿着血管中心线从入口到下游各点的压力降ΔP1。
本发明还公开了一种基于造影图像计算静息态压力比值的方法，包括以下步骤：
S11：通过血压传感器测量心脏冠脉口的压力Pa；
S12：通过造影图像获取血管的二维管径及长度，并通过两个呈30°以上夹角的造影图像生成三维血管网格模型并获得血管的三维管径及长度；
S13：测量包含造影剂的血液从一段指定血管的起始点到结束点所用的时间，并根据该时间和血管三维长度计算血流速度V1；
S14：根据以下计算公式，计算得到静息态下的血流速度V2，计算公式为：
当V1≤100mm/s时，V2＝0.53*V1+20；
当100mm/s<V1≤200mm/s时，V2＝0.43*V1+35；
当V1>200mm/s时，V2＝0.35*V1+55；
S15：将步骤S14计算得到的静息态下的血流速度V2作为冠脉入口流速，计算冠脉入口到冠脉狭窄远端的压力降ΔP2，狭窄远端冠状动脉内平均压 Pd2＝Pa-ΔP2，通过公式resting Pd/Pa＝Pd2/Pa计算得到静息态压力比值。
优选的技术方案中，所述步骤S11包括，使用血压传感器的压力管连接到多联三通，然后通过造影导管与心脏冠脉口部相连，在血压传感器的压力管内充满盐水，并保持血压传感器与心脏在同一水平位置，该血压传感器测量的压力值即为心脏冠脉口的压力Pa。
优选的技术方案中，所述步骤S12中生成三维血管网格模型的方法包括以下步骤：
S21：将两个呈30°以上夹角的X射线冠脉造影图像上，具有映射关系的两分段血管的2D结构数据进行三维重建，得到该分段血管的3D结构数据；
S22：重复步骤S21，直到所有分段血管三维重建完成，再将重建后的分段血管合并，得到完整的三维血管网格模型。
优选的技术方案中，步骤S13中计算血流速度V1的具体方法包括以下步骤：
S31：获取指定的病人心率为H次/分钟，从造影图像信息中获取图像频率为S帧/秒，其帧数X的计算公式如下：X＝(1÷(H÷60))×S；
S32：通过一个心动周期内图像所走过的帧数，在二维起始帧和结束帧对应的图像上分别取得一个心动周期的起始点和结束点，然后通过起始点和结束点在三维血管网格模型中截取一个心动周期的血管长度；
S33：通过公式V1＝L÷P，计算得到血液流动速度V1，L为血管长度，P 为一个心动周期所用的时间，P＝X÷S。
优选的技术方案中，所述步骤S15中计算冠脉入口到冠脉狭窄远端的压力降ΔP2的具体方法如下：
S41：基于血流速度与三维血管网格模型，求解不可压缩流的基本公式，对三维血管网格模型进行求解，用数值法求解连续性和Navier-Stokes方程：
Figure RE-GDA0001961274340000041
Figure RE-GDA0001961274340000042
其中
Figure RE-GDA0001961274340000051
P，ρ，μ分别为流速、压力、血流密度、血流粘性；
入口边界条件为血流速度，出口边界条件为out-flow边界条件；
S42：计算沿着血管中心线从入口到下游各点的压力降ΔP2。
与现有技术相比，本发明的优点是：
针对冠心病患者通过常规冠状动脉造影手术检测心肌缺血情况，即无需使用血管扩张剂(即无需心肌最大充血状态且不使用腺苷或ATP)。通过常规造影图像、主动脉压和血流，来计算造影血流储备分数(cFFR)和静息态压力比值(resting Pd/Pa)。不需要额外插入压力导丝进行测量，操作简便，大大降低手术难度和风险，可在临床上大规模推广应用。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的方法流程图；
图2为参考图像；
图3.1为体位一造影剂流到导管口的图像；
图3.2为体位一造影剂流到血管远端的图像；
图3.3为体位二造影剂流到导管口的图像；
图3.4为体位二造影剂流到血管远端的图像；
图4为网格横切面截图；
图5为网格纵切面截图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1所示，本发明的基于造影图像计算造影血流储备分数和静息态压力比值的方法，包括以下步骤。
步骤S1：通过血压传感器测量心脏冠脉口的压力Pa，其具体方法如下：
使用血压传感器的压力管连接到多联三通，然后通过造影导管与心脏冠脉口部相连，在血压传感器的压力管内充满盐水，并保持血压传感器与心脏在同一水平位置，该血压传感器测量的压力值即为心脏冠脉口的压力Pa。
步骤S2：通过造影图像获取血管的二维管径及长度，并通过两个呈30°以上夹角的造影图像生成三维血管网格模型并获得血管的三维管径及长度，如图2所示；
其中三维血管网格模型的具体方法如下：
将两个不同角度的X射线冠脉造影图像上、且呈映射关系的两分段血管的2D结构数据进行三维重建，并得到该分段血管的3D结构数据；
重复上述步骤直到所有分段血管三维重建完成，再将重建后的分段血管合并，即得到完整的三维血管，如图4、5所示。
步骤S3：如图3.1-3.4所示，测量血液(包含造影剂)从一段指定血管 (包括可能的犯罪血管)的起始点(3.1、3.3)到结束点(3.2、3.4)所用的时间，并根据该时间和血管三维长度计算血流速度V1，其具体方法如下：
获取指定的病人心率为H次/分钟，从造影图像信息中获取图像频率为 S帧/秒，其帧数X的计算公式如下：X＝(1÷(H÷60))×S；
通过一个心动周期内图像所走过的帧数，在二维起始帧和结束帧对应的图像，如图3.1和图3.2或者图3.3和图3.4，上分别取得一个心动周期的起始点和结束点，然后通过起始点和结束点在三维合成数据中截取一个心动周期的血管长度；
假设截取的血管长度为L，一个周期所用时间为P，通过公式1： P＝X÷S；公式2：V1＝L÷P，得到血液流动速度V1。
步骤S4：计算静息态下的血流速度V2；
其静息态下的血流速度V2的计算公式如下：
当V1≤100毫米每秒(mm/s)时，V2＝0.53*V1+20；
当100mm/s<V1≤200mm/s时，V2＝0.43*V1+35；
当V1>200mm/s时，V2＝0.35*V1+55；
步骤S5：将步骤S3计算得到的造影状态下的血流速度V1作为冠脉入口流速，计算冠脉入口到冠脉狭窄远端的压力降ΔP1，狭窄远端冠状动脉内平均压Pd1＝Pa-ΔP1，再通过公式cFFR＝Pd1/Pa计算得到造影血流储备分数 (cFFR)。
步骤S6：将步骤S4计算得到的静息态下的血流速度V2作为冠脉入口流速，计算冠脉入口到冠脉狭窄远端的压力降ΔP2，狭窄远端冠状动脉内平均压Pd2＝Pa-ΔP2，再通过公式resting Pd/Pa＝Pd2/Pa计算得到静息态压力比值 (resting Pd/Pa)。
步骤S5和S6中计算冠脉入口到冠脉狭窄远端的压力降ΔP的具体方法如下：
基于血流速度与三维血管网格模型，求解不可压缩流的基本公式，对三维血管网格模型进行求解，用数值法求解连续性和Navier-Stokes方程：
Figure RE-GDA0001961274340000071
Figure RE-GDA0001961274340000072
其中
Figure RE-GDA0001961274340000073
P，ρ，μ分别为流速、压力、血流密度、血流粘性；
入口边界条件为血流速度，出口边界条件为out-flow边界条件；
计算沿着血管中心线从入口到下游各点的压力降ΔP。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种基于造影图像计算造影血流储备分数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：通过血压传感器测量心脏冠脉口的压力Pa；
S02：通过造影图像获取血管的二维管径及长度，并通过两个呈30°以上夹角的造影图像生成三维血管网格模型并获得血管的三维管径及长度；
S03：测量包含造影剂的血液从一段指定血管的起始点到结束点所用的时间，并根据该时间和血管三维长度计算血流速度V1；
S04：将步骤S03计算得到的造影状态下的血流速度V1作为冠脉入口流速，计算冠脉入口到冠脉狭窄远端的压力降ΔP1，狭窄远端冠状动脉内平均压Pd1＝Pa-ΔP1，通过造影血流储备分数计算公式cFFR＝Pd1/Pa计算得到造影血流储备分数。
2.根据权利要求1所述的基于造影图像计算造影血流储备分数的方法，其特征在于，所述步骤S01包括，使用血压传感器的压力管连接到多联三通，然后通过造影导管与心脏冠脉口部相连，在血压传感器的压力管内充满盐水，并保持血压传感器与心脏在同一水平位置，该血压传感器测量的压力值即为心脏冠脉口的压力Pa。
3.根据权利要求1所述的基于造影图像计算造影血流储备分数的方法，其特征在于，所述步骤S02中生成三维血管网格模型的方法包括以下步骤：
S21：将两个呈30°以上夹角的X射线冠脉造影图像上，具有映射关系的两分段血管的2D结构数据进行三维重建，得到该分段血管的3D结构数据；
S22：重复步骤S21，直到所有分段血管三维重建完成，再将重建后的分段血管合并，得到完整的三维血管网格模型。
4.根据权利要求1所述的基于造影图像计算造影血流储备分数的方法，其特征在于，步骤S03中计算血流速度V1的具体方法包括以下步骤：
S31：获取指定的病人心率为H次/分钟，从造影图像信息中获取图像频率为S帧/秒，其帧数X的计算公式如下：X＝(1÷(H÷60))×S；
S32：通过一个心动周期内图像所走过的帧数，在二维起始帧和结束帧对应的图像上分别取得一个心动周期的起始点和结束点，然后通过起始点和结束点在三维血管网格模型中截取一个心动周期的血管长度；
S33：通过公式V1＝L÷P，计算得到血液流动速度V1，L为血管长度，P为一个心动周期所用的时间，P＝X÷S。
5.根据权利要求1所述的基于造影图像计算造影血流储备分数的方法，其特征在于，所述步骤S04中计算冠脉入口到冠脉狭窄远端的压力降ΔP1的具体方法如下：
S41：基于血流速度与三维血管网格模型，求解不可压缩流的基本公式，对三维血管网格模型进行求解，用数值法求解连续性和Navier-Stokes方程：
Figure FDA0001863356640000021
Figure FDA0001863356640000022
其中
Figure FDA0001863356640000023
P，ρ，μ分别为流速、压力、血流密度、血流粘性；
入口边界条件为血流速度，出口边界条件为out-flow边界条件；
S42：计算沿着血管中心线从入口到下游各点的压力降ΔP1。
6.一种基于造影图像计算静息态压力比值的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S11：通过血压传感器测量心脏冠脉口的压力Pa；
S12：通过造影图像获取血管的二维管径及长度，并通过两个呈30°以上夹角的造影图像生成三维血管网格模型并获得血管的三维管径及长度；
S13：测量包含造影剂的血液从一段指定血管的起始点到结束点所用的时间，并根据该时间和血管三维长度计算血流速度V1；
S14：根据以下计算公式，计算得到静息态下的血流速度V2，计算公式为：
当V1≤100mm/s时，V2＝0.53*V1+20；
当100mm/s<V1≤200mm/s时，V2＝0.43*V1+35；
当V1>200mm/s时，V2＝0.35*V1+55；
S15：将步骤S14计算得到的静息态下的血流速度V2作为冠脉入口流速，计算冠脉入口到冠脉狭窄远端的压力降ΔP2，狭窄远端冠状动脉内平均压Pd2＝Pa-ΔP2，通过公式restingPd/Pa＝Pd2/Pa计算得到静息态压力比值。
7.根据权利要求6所述的基于造影图像计算静息态压力比值的方法，其特征在于，所述步骤S11包括，使用血压传感器的压力管连接到多联三通，然后通过造影导管与心脏冠脉口部相连，在血压传感器的压力管内充满盐水，并保持血压传感器与心脏在同一水平位置，该血压传感器测量的压力值即为心脏冠脉口的压力Pa。
8.根据权利要求6所述的基于造影图像计算静息态压力比值的方法，其特征在于，所述步骤S12中生成三维血管网格模型的方法包括以下步骤：
S21：将两个呈30°以上夹角的X射线冠脉造影图像上，具有映射关系的两分段血管的2D结构数据进行三维重建，得到该分段血管的3D结构数据；
S22：重复步骤S21，直到所有分段血管三维重建完成，再将重建后的分段血管合并，得到完整的三维血管网格模型。
9.根据权利要求6所述的基于造影图像计算静息态压力比值的方法，其特征在于，步骤S13中计算血流速度V1的具体方法包括以下步骤：
S31：获取指定的病人心率为H次/分钟，从造影图像信息中获取图像频率为S帧/秒，其帧数X的计算公式如下：X＝(1÷(H÷60))×S；
S32：通过一个心动周期内图像所走过的帧数，在二维起始帧和结束帧对应的图像上分别取得一个心动周期的起始点和结束点，然后通过起始点和结束点在三维血管网格模型中截取一个心动周期的血管长度；
S33：通过公式V1＝L÷P，计算得到血液流动速度V1，L为血管长度，P为一个心动周期所用的时间，P＝X÷S。
10.根据权利要求6所述的基于造影图像计算静息态压力比值的方法，其特征在于，所述步骤S15中计算冠脉入口到冠脉狭窄远端的压力降ΔP2的具体方法如下：
S41：基于血流速度与三维血管网格模型，求解不可压缩流的基本公式，对三维血管网格模型进行求解，用数值法求解连续性和Navier-Stokes方程：
Figure FDA0001863356640000031
Figure FDA0001863356640000032
其中
Figure FDA0001863356640000041
P，ρ，μ分别为流速、压力、血流密度、血流粘性；
入口边界条件为血流速度，出口边界条件为out-flow边界条件；
S42：计算沿着血管中心线从入口到下游各点的压力降ΔP2。
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