CN111833434A - 一种简单可靠确定左右冠脉分流分数的方法及计算ffr的方法 - Google Patents

Abstract

一种简单可靠确定左右冠脉分流分数的方法及计算FFR的方法，属于数值模拟仿真领域，包括以下步骤：基于真实冠状动脉断层图像构建个性化三维模型；基于个性化模型进行模型网格化预处理；基于预处理模型提取目标参数并建立个性化分流模型即基于截面积个性化分流模型；(基于截面积)个性化左右冠脉流量方法为：

Description

一种简单可靠确定左右冠脉分流分数的方法及计算FFR的 方法

技术领域

本发明属于冠脉血流动力学数值模拟领域，是一种简单可靠的确定左右冠脉分流分数的个性化方法。

背景技术

FFR是一项直接描述功能性心肌缺血程度的可靠指标，可在相关研究中通过数值模拟获得，而左右冠脉分流分数的确定对于冠脉血流动力学数值模拟领域尤为重要，简单可靠的左右冠脉分流分数允许获取更准确的仿真结果。本项左右冠脉流量确定方法拟为提高无创获取FFR(被定义为狭窄远端平均压力(Pd)与主动脉根部平均压力(Pa)的比值)值精确度提供个性化分流依据，提供更简单可靠的左右冠脉流量估计，从而准确化个性化冠脉几何多尺度模型系统后负荷参数。血流动力学数值模拟方法层出不穷，但是，现有的仿真性研究均属于缺乏确定可靠的左右冠脉分流分数依据的数值模拟，存在非个性化、精度差等弊端。本方法提出一种基于截面积参数分配左右冠状动脉流量的方法实现左右冠分流个性化，同时提高数值模拟结果准确性。对于个性化冠状动脉生理疾病的诊断、治疗策略研究具有一定理论价值。

发明内容

本发明提供一种更简单可靠的个性化左右冠脉分流分数的方法，相较于众多冠脉仿真中未实现左右冠脉分流分数个性化的现状，该流量估计方法能够应用于所有包含但不局限于左右冠脉仿真性研究中，普遍适用于确定并个性化左右冠脉流量或任意基于几何多尺度计算模型后负荷的计算。该项简单可靠的个性化左右冠脉流量的方法包括以下步骤：包括个性化三维模型的构建、模型网格化预处理、目标参数的提取、分流模型的建立、零维后负荷模型的确定、零维-三维耦合仿真系统的建立、计算提取FFR值、结果比较分析、客观评价基于截面积的个性化冠脉流量估计方法的相对优势等过程。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

步骤A1：基于真实冠状动脉断层图像构建个性化三维模型；

步骤A2：基于个性化模型进行模型网格化预处理；

步骤A3：基于预处理模型提取目标参数并建立个性化分流模型即基于截面积个性化分流模型；

进一步采用上述的基于截面积个性化分流模型得到的个性化左右冠脉流量分数计算计算FFR：

步骤A4：基于步骤A1个性化三维模型的结构特征和提取参数确定零维后负荷模型；

步骤A5：基于步骤A1个性化三维模型和步骤A4零维模型建立零维-三维耦合仿真系统，在个性化三维模型每个左右冠脉分支末端耦合连接零维后负荷模型；

步骤A6：基于截面积个性化左右冠脉流量分流分数，根据现有技术基于无创计算提取的FFR值；

作为本发明进一步的技术方案，步骤A1中所述特征，首先基于个体真实冠状动脉断层图像构建个性化三维模型，构建模型要求如下：保留完整主动脉干、与主动脉干贯通的左冠状动脉及左冠状动脉分支、与主动脉干贯通的右冠状动脉及右冠状动脉分支，以截面积1mm²作为判断分支去留的标准，大于等于1mm²留下；

作为本发明进一步的技术方案，步骤A2中所述特征，基于个性化模型进行模型网格化预处理，计算软件支持网格文件的输入形式，因此对模型网格化前执行如下预处理步骤：

步骤B1:在Mimics软件中，以冠状动脉的断层图像数据为基础进行三维实体重建，首先，在三视图可编辑操作界面下，基于不同组织CTA图像灰度阈值的差异结合阈值选取技术(Thresholding)，手动选定目标组织，即主动脉干及与其贯通的左冠状动脉及其分支、右冠状动脉及其分支，由软件计算获得原始目标蒙罩；第二，运用三维区域增长技术(3DRegion Growing)，进而得到新的蒙罩。第三，在三维实体(3D Object)菜单栏导入新生成的蒙罩并加以运算，获得所选取的实体结构区域的三维重建模型。最后，为修补图像，在TheCalculate 3D界面选取更适用于医学图像处理的轮廓内插法，通过削减矩阵、三角形数目以及轮廓要素等操作实现光滑模型提高目标模型质量。

步骤B2:模型经Freeform软件平滑处理得到适于计算的高质量三维实体重建模；

步骤B3:依次将步骤B2处理模型导入geomagic、solidworks软件对目标模型进行端口平整化及初步网格化处理；

步骤B4:通过ansys workbench 15.0网格划分子功能模块对处理毕的目标模型进行算前网格划分，该步骤要求对网格做敏感性分析，排除网格因子对计算结果的影响。

作为本发明进一步的技术方案，步骤A3中所述特征，基于预处理模型提取目标参数并建立本方法提出的个性化分流模型，本方法提出的个性化分流模型是基于目标模型的截面积参数实现的，根据上述参数分别建立本方法提出的截面积的分流模型；

本方法提出(基于截面积)个性化左右冠脉流量方法为：

Q_LCA:Q_RCA＝S_LCA ^3/4:S_RCA ^3/4

上述公式中的截面积指的是与主动脉接口处的截面积。

上述所提及公式中相关字母被赋予以下定义：Q-流量值，S-截面积值，LCA-Leftcoronary artery,即左冠状动脉，RCA-Right coronary artery，即右冠状动脉。

作为本发明进一步的技术方案，步骤A4中所述特征，基于步骤A2建立的目标三维模型结构特征，并结合步骤A3提取目标参数确定对应零维后负荷模型，零维冠脉后负荷模型由基本电子元器件电感和电阻构成，血流动力学参数与物理电学参数等效关系如表1。

表1血流动力学参数与物理电学参数等效关系

可以假设一段血管长度为l，血管横截面积为A，一段血管的零维及三维对应参数关系见图5，则根据Frank建立的弹性腔理论，该段血管上的流量、压力及相关阻力之间的定量关系可以表示为：

ΔP＝Q*R’

公式中ΔP表示在该段血管中产生的压降，Q表示该支血管的血流量，R’表示该段血管产生的粘性阻力；μ为正常生理下血液粘度值，其值为3.5e-3Pa·s；l表示该段血管长度，A表示该段血管横截面积。

以电感的自感应性等效于血流的流动惯性，电阻的阻力效应等效于冠脉各分支微循环阻力。那么零维模型中电阻R及电感L值为：

公式中P_末表示该段血管末端压力，ρ表示血流密度值，定义其为1060kg/m³。

作为本发明进一步的技术方案，步骤A5中所述特征，基于步骤A2已获取的三维模型网格文件和步骤A4所建零维模型构建零维-三维耦合仿真系统模型，具体实施过程包括以下步骤：

步骤C1:在模型导入计算软件后的流体设置窗口下，赋予流体计算参数血流密度和血流动力粘度值；

步骤C2:对于边界条件的确定以三维模型的压力-流量-后负荷关系计算结果为依据，在流体入口给定平均动脉压，各分支出口定义虚拟流量边界，并耦合零维后负荷模型；

步骤C3:数值模拟计算中，以0.8s为一个完整心动周期，设置时间步长为0.0025s，执行仿真计算过程。

作为本发明进一步的技术方案，步骤A6中所述特征，基于临床有创FFR测量值，将其与无创计算提取的FFR值作比较分析.

基于一定指标对本项个性化流量方法与其他现存两种流量分配方法计算结果作评价分析，验证本项个性化冠脉流量估计方法的优势性。基于一定指标对三类左右冠脉分流结果作相应评价分析，验证预测个性化冠脉流量估计方案的优势性。

本发明方法可以更加准确的计算得到个性化的FFR。

附图说明：

图1：本发明方法的流程图。

图2：目标三维模型图。

图3：三类分流方式数据图。

图4：网格划分模型图。

图5：零维后负荷模型图。

图6：完整零维-三维耦合仿真系统图。

图7：基于截面积的FFR计算云图。

图8：三种分流方法的MSE对比分析柱状图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

步骤A1：基于病例真实冠状动脉断层图像构建个性化三维模型；

步骤A2：基于个性化模型进行模型网格化预处理；

步骤A3：基于预处理模型提取目标参数并建立本方法提出的基于截面积参数确定左右冠脉流量的个性化分流模型和其他两种对照组分流模型；

步骤A4：基于个性化三维模型结构特征和提取参数确定零维后负荷模型；

步骤A5：基于三维模型和零维模型构建零维-三维耦合仿真系统；在个性化三维模型每个左右冠脉分支末端耦合连接零维后负荷模型；

步骤A6：基于有创FFR值与无创计算提取的FFR值与作比较分析；

步骤A7：基于一定指标对本项基于截面积确定左右冠流量的个性化流量方法与其他现存两种流量分配方法计算结果作评价分析，验证本项个性化冠脉流量估计方法的优势性。

作为本发明进一步的技术方案，步骤A1中所述特征，首先基于病例真实冠状动脉断层图像构建个性化三维模型，构建模型要求如下：保留完整主动脉干及与其贯通的左冠状动脉及其分支、右冠状动脉及其分支(以截面积1mm²作为判断分支去留的标准)；

作为本发明进一步的技术方案，步骤A2中所述特征，基于个性化模型进行模型网格化预处理，计算软件仅支持网格文件的输入形式，因此对模型网格化前执行如下预处理步骤：

步骤B1:在Mimics软件中，以冠状动脉的断层图像数据为基础进行三维实体重建，首先，在三视图可编辑操作界面下，基于不同组织CTA图像灰度阈值的差异结合阈值选取技术(Thresholding)，手动选定目标组织，即主动脉干及与其贯通的左冠状动脉及其分支、右冠状动脉及其分支，由软件计算获得原始目标蒙罩。第二，运用三维区域增长技术(3DRegion Growing)，进而得到新的蒙罩。第三，在三维实体(3D Object)菜单栏导入新生成的蒙罩并加以运算，获得所选取的实体结构区域的三维重建模型。最后，为修补图像，在TheCalculate 3D界面选取更适用于医学图像处理的轮廓内插法，通过削减矩阵、三角形数目以及轮廓要素等操作实现光滑模型提高目标模型质量。

步骤B2:模型经Freeform软件平滑处理得到适于计算的高质量三维实体重建模；

步骤B3:依次将步骤B2处理模型导入geomagic、solidworks软件对目标模型进行端口平整化及初步网格化处理；

步骤B4:通过ansys workbench 15.0网格划分子功能模块对处理毕的目标模型进行算前网格划分，该步骤要求对网格做敏感性分析，排除网格因子对计算结果的影响。

作为本发明进一步的技术方案，步骤A3中所述特征，基于预处理模型提取目标参数并建立本方法提出的基于目标模型的截面积参数的个性化分流模型和其他两种对照组分流模型，其他必要参数还包括目标模型左右冠体积、截面积及各分支截面积、长度等，根据上述参数分别建立本方法提出的截面积的分流模型B，基于体积和固定比例的对照组分流模型A、C。

本方法提出(基于截面积)个性化左右冠脉流量方法为：

Q_LCA:Q_RCA＝S_LCA ^3/4:S_RCA ^3/4

上述公式中的截面积指的是与主动脉接口处的截面积。

现存左右冠脉流量确定方法为：

基于体积确定方法为：

Q_LCA:Q_RCA＝V_LCA ^3/4:V_RCA ^3/4

固定分流比例确定方法为：

Q_LCA:Q_RCA＝6:4/5:5(左优势型/右优势型)

上述所提及公式中相关字母被赋予以下定义：Q-流量值，S-截面积值，V-体积值，LCA-Left coronary atery,即左冠状动脉，RCA-Right coronary atery,即右冠状动脉。作为本发明进一步的技术方案，步骤A4中所述特征，基于步骤A2建立的目标三维模型结构特征，并结合步骤A3提取参数确定对应零维后负荷模型。零维冠脉后负荷模型由基本电子元器件电感和电阻构成，血流动力学参数与物理电学参数等效关系如表1。

可以假设一段血管长度为l，直径为A，则根据Frank建立的弹性腔理论，

该段血管上的流量、压力及相关阻力之间的定量关系可以表示为：

ΔP＝Q*R’

上述公式中ΔP表示在该段血管中产生的压降，Q表示该支血管的血流量，R’表示该段血管产生的粘性阻力；μ为正常生理下血液粘度值，其值为3.5e^-3Pa·s；l表示该段血管长度，A表示该段血管横截面积。

以电感的自感应性等效于血流的流动惯性，电阻的阻力效应等效于冠脉各分支微循环阻力。那么零维模型中电阻R及电感L值为：

上述公式中P_末表示该段血管末端压力，ρ表示血流密度值，定义其为1060kg/m³。

作为本发明进一步的技术方案，步骤A5中所述特征，基于步骤A2已获取的三维模型网格文件和步骤A4所建零维模型构建零维-三维耦合仿真系统，具体实施过程包括以下步骤：

步骤C1:在模型导入计算软件后的流体设置窗口下，赋予流体计算参数中血流密度和血流动力粘度值；

步骤C2:对于边界条件的确定以三维模型的压力-流量-后负荷关系计算结果为依据，在流体入口给定平均动脉压，各分支出口定义虚拟流量边界，并耦合零维后负荷模型；

步骤C3:数值模拟计算中，以0.8s为一个完整心动周期，设置时间步长为0.0025s，执行仿真计算过程。

作为本发明进一步的技术方案，步骤A6中所述特征，基于临床有创FFR测量值，将其与无创计算提取的FFR值作比较分析：提取狭窄病变下游30mm左右处横截面面平均压力，根据公式FFR＝Pd/Pa，计算FFR值，基于临床有创FFR值作双向比较分析。

作为本发明进一步的技术方案，步骤A7中所述特征，基于一定指标对三类左右冠脉分流结果作相应评价分析，验证预测个性化冠脉流量估计方案的优势性。

本发明的目标是实现冠脉仿真计算中左右冠脉分流分数的个性化，使用真实病例CTA数据进行模型重建对目标模型进行左右冠体积、截面积及各分支截面积、长度等参数的提取，并基于以上参数建立基于体积、截面积及固定分流比例ABC三类左右冠脉分流分数模型，随后基于提取参数及目标模型结构特性确定零维后负荷模型，最后，建立零维-三维耦合仿真系统模拟冠脉血流动力学过程，实现冠脉血流动力学仿真计算，无创获得FFR值并就计算结果作比较分析，客观评价基于截面积的个性化冠脉流量估计方法的相对优势。

本项左右冠脉流量估计方法提高了无创获取FFR值的计算精确度，准确化个性化冠脉几何多尺度模型系统后负荷参数。在本方法得以验证之前，血流动力学数值模拟中对于左右冠脉流量估计的方法层出不穷，各领域学者往往莫衷一是，仿真性研究都是未在有确定可靠的左右冠脉分流分数依据下进行的数值模拟，存在非个性化、精度差等弊端。本方法通过将有创FFR作为评判标准进行MSE(均方误差)分析验证了基于截面积估计左右冠脉流量的个性化方法的有效性，为冠脉领域仿真性研究边界的确定提供了可参考依据，具有较高的应用价值和指导意义。

Claims (8)

1.一种简单可靠的确定左右冠脉分流分数的个性化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A1：基于真实冠状动脉断层图像构建个性化三维模型；

步骤A2：基于个性化模型进行模型网格化预处理；

步骤A3：基于预处理模型提取目标参数并建立个性化分流模型即基于截面积个性化分流模型；

基于截面积个性化左右冠脉流量分流分数方法为：

Q_LCA:Q_RCA＝S_LCA ^3/4:S_RCA ^3/4

上述公式中的截面积指的是与主动脉接口处的截面积；

上述所提及公式中相关字母被赋予以下定义：Q-流量值，S-截面积值，LCA-Leftcoronary artery,即左冠状动脉，RCA-Right coronary artery，即右冠状动脉。

2.按照权利要求1所述的一种简单可靠的确定左右冠脉分流分数的个性化方法，其特征在于，步骤A1中所述特征，首先基于个体真实冠状动脉断层图像构建个性化三维模型，构建模型要求如下：保留完整主动脉干、与主动脉干贯通的左冠状动脉及左冠状动脉分支、与主动脉干贯通的右冠状动脉及右冠状动脉分支，以截面积1mm²作为判断分支去留的标准，大于等于1mm²留下。

3.按照权利要求1所述的一种简单可靠的确定左右冠脉分流分数的个性化方法，其特征在于，步骤A2中所述特征，基于个性化模型进行模型网格化预处理，计算软件支持网格文件的输入形式，因此对模型网格化前执行如下预处理步骤：

步骤B1:在Mimics软件中，以冠状动脉的断层图像数据为基础进行三维实体重建，首先，在三视图可编辑操作界面下，基于不同组织CTA图像灰度阈值的差异结合阈值选取技术(Thresholding)，手动选定目标组织，即主动脉干及与其贯通的左冠状动脉及其分支、右冠状动脉及其分支，由软件计算获得原始目标蒙罩；第二，运用三维区域增长技术(3D RegionGrowing)，进而得到新的蒙罩；第三，在三维实体(3D Object)菜单栏导入新生成的蒙罩并加以运算，获得所选取的实体结构区域的三维重建模型；最后，为修补图像，在TheCalculate 3D界面选取更适用于医学图像处理的轮廓内插法，通过削减矩阵、三角形数目以及轮廓要素等操作实现光滑模型提高目标模型质量；

步骤B2:模型经Freeform软件平滑处理得到适于计算的高质量三维实体重建模；

步骤B3:依次将步骤B2处理模型导入geomagic、solidworks软件对目标模型进行端口平整化及初步网格化处理；

步骤B4:通过ansys workbench 15.0网格划分子功能模块对处理毕的目标模型进行算前网格划分，该步骤要求对网格做敏感性分析，排除网格因子对计算结果的影响。

4.采用权利要求1-3任一项所述的方法得到的左右冠脉分流分数计算FFR。

5.采用权利要求1-3任一项所述的方法得到的左右冠脉分流分数计算FFR，包括以下步骤：

步骤A4：基于步骤A1个性化三维模型的结构特征和提取参数确定零维后负荷模型；

步骤A5：基于步骤A1个性化三维模型和步骤A4零维模型建立零维-三维耦合仿真系统，在个性化三维模型每个左右冠脉分支末端耦合连接零维后负荷模型；

步骤A6：基于截面积个性化左右冠脉流量分流分数，基于无创计算提取FFR值。

6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤A4中所述特征，基于步骤A2建立的目标三维模型结构特征，并结合步骤A3提取目标参数确定对应零维后负荷模型，零维冠脉后负荷模型由基本电子元器件电感和电阻构成。

7.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤A4，假设一段血管长度为l，血管横截面积为A，则根据Frank建立的弹性腔理论，该段血管上的流量、压力及相关阻力之间的定量关系可以表示为：

ΔP＝Q*R’

公式中ΔP表示在该段血管中产生的压降，Q表示该支血管的血流量，R’表示该段血管产生的粘性阻力；μ为正常生理下血液粘度值，其值为3.5e-3Pa·s；l表示该段血管长度，A表示该段血管横截面积。

以电感的自感应性等效于血流的流动惯性，电阻的阻力效应等效于冠脉各分支微循环阻力。那么零维模型中电阻R及电感L值为：

公式中P_末表示该段血管末端压力，ρ表示血流密度值，定义其为1060kg/m³。

8.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤A5中所述特征，基于步骤A2已获取的三维模型网格文件和步骤A4所建零维模型构建零维-三维耦合仿真系统模型，具体实施过程包括以下步骤：

步骤C1:在模型导入计算软件后的流体设置窗口下，赋予流体计算参数血流密度和血流动力粘度值；

步骤C2:对于边界条件的确定以三维模型的压力-流量-后负荷关系计算结果为依据，在流体入口给定平均动脉压，各分支出口定义虚拟流量边界，并耦合零维后负荷模型；

步骤C3:数值模拟计算中，以0.8s为一个完整心动周期，设置时间步长为0.0025s，执行仿真计算过程。

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