CN112089433B - 一种基于cta和dsa的冠状动脉血流储备分数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CTA和DSA的冠状动脉血流储备分数测量方法，包括以下步骤：利用CTA冠脉造影并进行三维重建，得到获得目标血管的长度；利用DSA造影得到冠脉造影剂流动到指定位置的时间，作为血流时间t；根据目标血管的长度和血流时间计算血流速度；通过造影用的指引导管获得指定冠脉入口血压，结合血流速度计算出血管远端的血压，从而计算出指定血管的FFR值。CTA能够精准建模并得到血管的长度，但无法准确测量血量速度，而DSA可以得到血流时间，但无法准确测量血管的长度，本发明同时采用CTA的图像和DSA的图像，既可以准确进行三维重建，又可以准确获得边界条件，因此可以更准确计算FFR值。

Description

一种基于CTA和DSA的冠状动脉血流储备分数测量方法

技术领域

本发明涉及生物医学工程领域，具体涉及一种基于CTA和DSA的冠状动脉血流储备分数测量方法。

背景技术

冠状动脉是包裹在人体心脏表面的一系列血管，主要为心脏运输血液和传送能量，因其形状呈冠状，因此叫做冠状动脉，简称冠脉。冠脉内的血液能否正常通行将直接影响整个心脏的血液循环，同时也是冠心病的重要判断标准之一。

血流储备分数，简称FFR，是判断冠脉内血液通行流畅程度的重要指标，指在冠状动脉存在狭窄病变的情况下，该血管所供心肌区域能获得的最大血流与同一区域理论上正常情况下所能获得的最大血流之比，即心肌最大充血状态下的狭窄远端冠状动脉内平均压(Pd) 与冠状动脉入口处平均压(Pa)的比值。目前FFR值主要通过临床医生用压力导丝介入人体冠脉测量获得，目前掌握这一方法的医生并不多，而且该测量方法费用较高，同时还存在一定的风险。

近些年来发展出几种无创的FFR测量方法，例如核素显像法，磁共振灌注法，CT无创血流储备分数测量法(即FFR-CT)，基于DSA的FFR测量法(即QFR)。这几种方法中，前两种还是属于传统方法，对设备的依赖性很强，例如核素显像法需要SPECT设备，磁共振灌注法需要磁共振设备，检测费用都很高。后面两种方法是最近才发展起来的，特别是QFR 是去年才在中国首次被批准使用。另外还包括如公开号CN108992057A的发明公开的一种确定冠状动脉FFR的方法等其他技术。

FFR-CT最早是美国heartflow公司于2014年在美国获得FDA证书，它是基于CT冠状动脉血管造影(简称CTA)的影像，仿真冠状动脉血管血流，模拟出人体心血管主要指标，如血压、血流速度、冠状动脉血流储备分数等，用于临床定量分析的后期处理。它的流程方法是首先在CT室内获得CTA图像，然后对CTA图像进行处理，重建出冠脉的三维结构，再对该三维结构进行网格和数学建模，最后将一些边界条件提交到超级计算机上进行计算，获得每支冠脉的FFR值。

而基于DSA的FFR测量法(即QFR)是通过DSA影像，首先在DSA设备下获得冠脉两个角度的DSA平面影像，然后根据影像测出血管直径，再根据这个直径认为重建一根三维血管，然后根据造影剂在血管里流动情况确定血流速度，以及事先准备在造影剂导管处设计的血压感应器获得冠脉入口处的血压，这样就可以计算出这一支冠脉的FFR值，而且计算量很少，单台计算机几分钟就可以计算完成一个病例。QFR计算速度快，但也存在一个较大的缺点，就是DSA图像是平面图像，不能准确获得血管三维结构，特别是对狭窄处的三维结构不能准确获取，而恰恰就是狭窄处的三维结构对结算结果起到决定性作用。

FFR-CT，该方法由于基于CTA的影像，获得冠脉的三维结构，但是存在一些缺点，例如不能准确获得边界条件，比如出口的血液压力或者血流速度等。

上述现有技术均存在各自的缺陷，导致血流的参数与血管模型不能较好地结合，使得计算结果失真，且计算的准确度和计算效率不可兼得。

发明内容

针对现有技术血流参数与模型不能较好地结合的问题，本发明提供了一种基于CTA和 DSA的冠状动脉血流储备分数测量方法，通过CTA影像获得病变血管的三维结构以及需要计算的血管的长度，然后再从DSA影像里获得造影剂在对应血管流动到指定位置的时间，同时在进行冠脉造影时测得这支冠脉入口的血压，再利用流体动力学方法计算出病变血管的 FFR值，即结合了现有两种方法的优点，但有避开了各自的缺点。

以下是本发明的技术方案。

一种基于CTA和DSA的冠状动脉血流储备分数测量方法，包括以下步骤：利用CTA冠脉造影并进行三维重建，得到获得目标血管的长度；利用DSA造影得到冠脉造影剂流动到指定位置的时间，作为血流时间t；根据目标血管的长度和血流时间计算血流速度；通过冠脉造影用的指引导管获得指定冠脉入口血压，结合血流速度计算FFR值。

本方案中CTA能够精准建模并得到血管的长度，但无法准确测量血量速度，而DSA可以得到血流时间，但无法准确测量血管的长度，将两种方法结合后，可以利用各自的优势部分，采用各自的准确参数共同计算血流速度，进而计算FFR值。同时采用CTA的图像和 DSA的图像，既可以准确进行三维重建，又可以准确获得边界条件，因此可以更准确计算FFR值。

作为优选，所述血流时间的获取过程包括：DSA造影得到影像数据，将每一帧图像按顺序排列，顺序排列的图像序列中，造影剂流到指定起始位置的图像作为第一帧图像，造影剂流到指定终点位置的图像作为最后一帧图像，再根据DSA图像的帧率，计算出造影剂从导管末端到指定位置的时间，即是血流时间t。将图像按帧的时间顺序排列，可以分割时间，便于观察造影剂的流动情况，利于计算时间。

作为优选，所述获得指定冠脉入口血压的过程包括：在DSA检查时通过指引导管上的血压监测器获取冠脉入口处动态血压，根据动态血压随心动周期变化数据，生成动态血压时间变化波形图。现有技术对于冠脉入口处动态血压的测量方式已经非常成熟，但为了提高后续计算的准确度，本方案叠加了心动周期变化数据，根据多次测量和记录的方式可以得到动态血压时间变化波形图。

作为优选，所述计算FFR值的过程包括：以动态血压值作为近端血压Pa，获取目标冠脉的瞬时血流速度Vi并作为远端血流速度，根据纳维-斯托克斯方程计算出远端血压Pd，再得到目标冠脉FFR值＝Pd/Pa。相比于现有技术的平均值或估计值，这里采用的动态值和瞬时值更能精准计算出FFR值。

作为优选，所述瞬时血流速度Vi的获取过程为：根据目标血管的长度和血流时间计算的血流速度V为平均值，瞬时血流速度Vi随着心动周期变化与血压变化呈对应的关系，根据动态血压时间变化波形图计算得出瞬时血流速度Vi的变化波形图。在平均值的基础上，结合心动周期数据对血流速度的影响，再根据历史测验结果可以拟合到瞬时血流速度Vi的变化波形图。其中本方案中各瞬时数据均以心动周期为参考基础。

作为优选，瞬时血流速度Vi的变化波形图的计算过程包括：根据欧姆定律得到变形公式P(t)＝Qi·R＝Vi·A·R，其中P(t)为瞬时血压，Qi和Vi为分别为血流瞬时流量和流速，A 和R分别为血管的面积和微循环阻力，带入平均值P＝Q·R＝V·A·R可以算出微循环阻力R，然后根据P(t)＝Qi·R＝Vi·A·R可以算出瞬时速度Vi＝P(t)/(A·R)的变化波形图。

作为优选，所述计算FFR值之前还包括计算支流损失量：获取血管前端直径D1，血管后端直径D2，计算截面差值，再根据平均目标冠脉血流速度和血流时间t，得到支流损失量q，并基于支流损失量q修正血管后端的瞬时血流速度：Vi-(q/Ai)，其中Ai为出口面积。由于冠状动脉还包含一定的支流血管，如忽略支流血管的分流作用则会导致计算结果误差偏大；QFR完全未考虑分支血流损失，CT-FFR虽然考虑了分支血流情况，但是血流速度是预估值，而且认为分支血流速度与主支血流速度一样，这样与实际情况差别太大，而本发明采取的计算方法从原理上可以有效获得分支血流损失量。

作为优选，所述D2与D1的取值为动态值，根据心动周期数据得到直径变化波形图，其中D2与D1的相位相差t/x，其中x＝n^t，其中修正系数n大于一。建模得到的血管参数固定，但实际的血管不是静止不变的，血管直径受到血压的影响，为了使得支流损失量的计算更为精准，将血管的直径调整为根据心动周期变化的动态值，同时由于D1和D2之间存在一段距离，血流速度直接影响血压的传递，因此加上一个以血流时间t为基准，x作为调整因子的相位差，可以更准确反应血压影响直径的过程，同时调整因子x本身也不是一成不变的，其受到血流的影响，因此调整因子x通过修正系数n上叠加t的影响的方式呈现。虽然使用其他调整因子也能反应两端直径变化的时差，但不够准确。

本发明的实质性效果包括：同时采用CTA和DSA中的精准数据进行计算；在CTA重建的图像中，采用中线法计算血流速度需要的长度，精度比直接从DSA里计算要高，远端血流速度要精确，从而计算出来的远端压力Pd要精确，自然而然最终的FFR要精确；DSA影像数据中，根据造影剂位置对应的帧图像获得准确的流动时间信息，远端血流速度更精确；采用CTA提取血管的三维结构，获得1mm以上的分支血管的三维结构，可以将分支血管对血流的分量进行计算，因此最终的计算结果可以计算得更准确；整体上本发明所需的数学模型、血管长度和计算参数设置都可以在CTA做完后，DSA进行前完成，进行DSA造影后只要获得血流时间和冠脉入口血压数据，即可以快速提交计算，因此整个时间可以大大缩短，而且提前准备，有足够的时间进行质量控制，对计算结果会有更可靠的把握。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本申请的技术方案进行描述。另外，为了更好的说明本发明，在下文中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未做详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

实施例：

一种基于CTA和DSA的冠状动脉血流储备分数测量方法，包括以下步骤：利用CTA冠脉造影并进行三维重建，得到获得目标血管的长度；利用DSA造影得到造影剂流动到指定位置的时间，作为血流时间t；根据目标血管的长度和血流时间计算血流速度；通过DSA指引导管获得指定冠脉入口血压，结合血流速度计算FFR值。

本方案中CTA能够精准建模并得到血管的长度，但无法准确测量血量速度，而DSA可以得到血流时间，但无法准确测量血管的长度，将两种方法结合后，可以利用各自的优势部分，采用各自的准确参数共同计算血流速度，进而计算FFR值。同时采用CTA的图像和 DSA的图像，既可以准确进行三维重建，又可以准确获得边界条件，因此可以更准确计算FFR值。

血流时间的获取过程包括：DSA造影得到影像数据，将每一帧图像按顺序排列，顺序排列的图像序列中，造影剂流到指定起始位置的图像作为第一帧图像，造影剂流到指定终点位置的图像作为最后一帧图像，根据DSA图像的帧率，计算出造影剂从起始位置到终点位置的时间，即是血流时间t。将图像按帧的时间顺序排列，可以分割时间，便于观察造影剂的流动情况，利于计算时间。

获得指定冠脉入口血压的过程包括：在DSA检查获取冠脉入口处动态血压，根据动态血压随心动周期变化数据，生成动态血压时间变化波形图。现有技术对于冠脉入口处动态血压的测量方式已经非常成熟，但为了提高后续计算的准确度，本方案叠加了心动周期变化数据，根据多次测量和记录的方式可以得到动态血压时间变化波形图。

计算FFR值的过程包括：以动态血压值作为近端血压Pa，获取目标冠脉的瞬时血流速度Vi并作为远端血流速度，根据纳维-斯托克斯方程计算出远端血压Pd，再得到目标冠脉FFR值＝Pd/Pa。相比于现有技术的平均值或估计值，这里采用的动态值和瞬时值更能精准计算出FFR值。

本实施例的纳维-斯托克斯方程计算公式如下：

其中，

为流场的应力张量，

为梯度算子，t为时间变量，I为单位矩阵，

表示

的转置，ff为源项，这里为重力，u表示血流速度，pf为血流压力，ρf为血液密度，μ为血液的粘性系数，Ωf为流体计算区域，

为流体计算域的入流边界和出流边界。由于pf是定义在整个流体计算区域中的，所以上述公式得到的pf包括了血管远端的血压值Pd。

其中瞬时血流速度Vi的获取过程为：根据目标血管的长度和血流时间计算的血流速度 V为平均值，瞬时血流速度Vi随着心动周期变化与血压变化呈对应的关系，根据动态血压时间变化波形图计算得出瞬时血流速度Vi的变化波形图。在平均值的基础上，结合心动周期数据对血流速度的影响，再根据历史测验结果可以拟合到瞬时血流速度Vi的变化波形图。

瞬时血流速度Vi的变化波形图的计算过程包括：根据欧姆定律得到变形公式 P(t)＝Qi·R＝Vi·A·R，其中P(t)为瞬时血压，Qi和Vi为分别为血流瞬时流量和流速，A和R分别为血管的面积和微循环阻力，带入平均值P＝Q·R＝V·A·R可以算出微循环阻力R，然后根据P(t)＝Qi·R＝Vi·A·R可以算出瞬时速度Vi＝P(t)/(A·R)的变化波形图。

另外计算FFR值之前还包括计算支流损失量：获取血管前端直径D1，血管后端直径D2，计算截面差值，再根据平均目标冠脉血流速度和血流时间t，得到支流损失量q，并基于支流损失量q修正血管后端的瞬时血流速度：Vi-(q/Ai)，其中Ai为出口面积。由于冠状动脉还包含一定的支流血管，如忽略支流血管的分流作用则会导致计算结果误差偏大；QFR完全未考虑分支血流损失，CT-FFR虽然考虑了分支血流情况，但是血流速度是预估值，而且认为分支血流速度与主支血流速度一样，这样与实际情况差别太大，而本实施例采取的计算方法从原理上可以有效获得分支血流损失量。

本实施例中，D2与D1的取值为动态值，根据心动周期数据得到直径变化波形图，其中D2与D1的相位相差t/x，其中x＝n^t，其中修正系数n大于一。建模得到的血管参数固定，但实际的血管不是静止不变的，血管直径受到血压的影响，为了使得支流损失量的计算更为精准，将血管的直径调整为根据心动周期变化的动态值，而变动幅度可以根据若干次实验数据得到，同时由于D1和D2之间存在一段距离，血流速度直接影响血压的传递，因此加上一个以血流时间t为基准，x作为调整因子的相位差，可以更准确反应血压影响直径的过程，同时调整因子x本身也不是一成不变的，其受到血流的影响，因此调整因子x通过修正系数n上叠加t的影响的方式呈现，而使用其他调整因子也能反应两端直径变化的时差，但不够准确。

本实施例同时采用CTA和DSA中的精准数据进行计算；在CTA重建的图像中，采用中线法计算血流速度需要的长度，精度比直接从DSA里计算要高，远端血流速度要精确，从而计算出来的远端压力Pd要精确，自然而然最终的FFR要精确；DSA影像数据中，根据造影剂位置对应的帧图像获得准确的流动时间信息，远端血流速度更精确；采用CTA提取血管的三维结构，获得1mm以上的分支血管的三维结构，可以将分支血管对血流的分量进行计算，因此最终的计算结果可以计算得更准确；整体上本发明所需的数学模型、血管长度和计算参数设置都可以在CTA做完后，DSA进行前完成，进行DSA造影后只要获得血流时间和血压数据，即可以快速提交计算，因此整个时间可以大大缩短，而且提前准备，有足够的时间进行质量控制，对计算结果会有更可靠的把握。

本发明实施例如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等) 或处理器(processor)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括： U盘、移动硬盘、只读存储器(read only memory，ROM)、随机存取存储器(random access memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上内容，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于CTA和DSA的冠状动脉血流储备分数测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用CTA冠脉造影并进行三维重建，得到获得目标血管的长度；

利用DSA造影得到造影剂流动到指定位置的时间，作为血流时间t；

根据目标血管的长度和血流时间计算血流速度；

获得指定冠脉入口血压和计算支流损失量q，并基于支流损失量q修正血管的血流速度，结合血流速度计算FFR值。

2.根据权利要求1所述的一种基于CTA和DSA的冠状动脉血流储备分数测量方法，其特征在于，所述血流时间的获取过程包括：DSA造影得到影像数据，将每一帧图像按顺序排列，顺序排列的图像序列中，造影剂流到指定起始位置的图像作为第一帧图像，造影剂流到指定终点位置的图像作为最后一帧图像，再根据DSA图像的帧率，计算出造影剂从起始位置到终点的时间，即是血流时间t。

3.根据权利要求1所述的一种基于CTA和DSA的冠状动脉血流储备分数测量方法，其特征在于，所述获得指定冠脉入口血压的过程包括：在DSA检查时通过指引导管上的血压监测器获取冠脉入口处动态血压，根据动态血压随心动周期变化数据，生成动态血压时间变化波形图。

4.根据权利要求3所述的一种基于CTA和DSA的冠状动脉血流储备分数测量方法，其特征在于，所述计算FFR值的过程包括：以动态血压值作为近端血压Pa，获取目标冠脉的瞬时血流速度Vi并作为远端血流速度，根据纳维-斯托克斯方程计算出远端血压Pd，再得到目标冠脉FFR值=Pd/Pa。

5.根据权利要求4所述的一种基于CTA和DSA的冠状动脉血流储备分数测量方法，其特征在于，所述瞬时血流速度Vi的获取过程为：根据目标血管的长度和血流时间计算的血流速度V为平均值，瞬时血流速度Vi随着心动周期变化与血压变化呈对应的关系，根据动态血压时间变化波形图计算得出瞬时血流速度Vi的变化波形图。

6.根据权利要求5所述的一种基于CTA和DSA的冠状动脉血流储备分数测量方法，其特征在于，瞬时血流速度Vi的变化波形图的计算过程包括：根据欧姆定律得到变形公式P(t)=Qi•R=Vi•A•R，其中P(t)为瞬时血压，Qi和Vi为分别为血流瞬时流量和流速，A和R分别为血管的面积和微循环阻力，带入平均值P=Q•R=V•A•R可以算出微循环阻力R，然后根据P(t)=Qi•R=Vi•A•R可以算出瞬时速度Vi=P(t)/(A•R)的变化波形图。

7.根据权利要求5或6所述的一种基于CTA和DSA的冠状动脉血流储备分数测量方法，其特征在于，所述计算FFR值之前还包括计算支流损失量：获取血管前端直径D1，血管后端直径D2，计算截面差值，再根据平均目标冠脉血流速度和血流时间t，得到支流损失量q；并基于支流损失量q修正血管后端的瞬时血流速度：Vi-（q/Ai），其中Ai为出口面积。

8.根据权利要求7所述的一种基于CTA和DSA的冠状动脉血流储备分数测量方法，其特征在于，所述D2与D1的取值为动态值，根据心动周期数据得到直径变化波形图，其中D2与D1的相位相差t/x，其中x=n^t，其中修正系数n大于一。