CN112704505A - 一种利用cta和dsa测量冠状动脉血流储备分数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用CTA和DSA测量冠状动脉血流储备分数的方法，包括以下步骤：利用CTA冠脉造影进行三维重建，得到获得冠脉几何模型G1、心肌体积V以及目标血管的长度L；根据几何模型G1和目标血管的近端入口位置，截取用于仿真模拟的分支几何模型G2；利用连续时间内的DSA造影图得到血流流经目标血管的时间t，根据速度公式结合L和t计算出目标血管近端的血流速度Vin；结合心肌体积V以及血压，计算出几何模型G1的远端阻力Rtotal；结合Rtotal、G1和G2的分支个数，计算G2的远端阻力R；以Vin作为G2的入口边界条件，R作为G2的远端微循环阻力，通过求解流体力学方程计算出FFR值。本发明结合了两种技术的优势，并依靠流体力学公式计算出所需的FFR值。

Description

一种利用CTA和DSA测量冠状动脉血流储备分数的方法

技术领域

本发明涉及生物医学工程领域，具体涉及一种利用CTA和DSA测量冠状动脉血流储备分数的方法。

背景技术

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，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。该方法由于基于CTA的影像，获得冠脉的三维结构，但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。另外，该方法需要对全局冠脉血流区域及部分升主动脉区域进行血流动力学数值模拟，计算时间较长。

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。

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，本发明提供了一种利用CTA和DSA测量冠状动脉血流储备分数的方法，结合两种技术的优势，并依靠流体力学公式计算出所需的FFR值。

本发明的技术方案如下。

一种利用CTA和DSA测量冠状动脉血流储备分数的方法，包括以下步骤：利用CTA冠脉造影进行三维重建，得到获得冠脉几何模型G1、心肌体积V以及目标血管的长度L；根据几何模型G1和目标血管的近端入口位置，截取用于仿真模拟的分支几何模型G2；利用连续时间内的DSA造影图得到血流流经目标血管的时间t，根据速度公式结合L和t计算出目标血管近端的血流速度Vin；结合心肌体积V以及血压，计算出几何模型G1的远端阻力Rtotal；结合Rtotal、G1和G2的分支个数，计算G2的远端阻力R；以Vin作为G2的入口边界条件，R作为G2的远端微循环阻力，通过求解流体力学方程计算出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。

其中心肌体积V的获取是基于CTA影像，通过医学影像软件对心肌进行分割处理，然后对其体积进行测量得到V。目标血管长度L的获取过程包括：获取G2的中心线；确定G2的主支血管；测量主支血管中心线的长度，即为L。

作为优选，所述血流流经目标血管的时间t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起始帧图像，造影剂流到指定终点位置的图像作为结束帧图像，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。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G1的远端阻力Rtotal的获取过程包括：根据公式Q＝V^β，得到流量Q，其中V为心肌体积，β为系数，β取1.5；根据病例的收缩压Pa和舒张压Pb计算平均压P＝1/3*Pa+2/3*Pb；根据欧姆定律Rtotal＝P/Q计算出Rtotal。

作为优选，所述G2的远端阻力R的计算式为：R＝Rtotal*m/n，其中m为G1的冠脉出口个数，n为G2的冠脉出口个数。

作为优选，所述FFR值的计算过程包括：根据血流速度Vin得到G2入口的血流速度作为入口边界条件，出口边界采用三单元阻抗模型，根据R得到G2出口的远端血管微循环阻力，通过求解流体力学方程计算出远端血压Pd，再根据FFR＝Pd/Pa得到目标冠脉FFR值。

作为优选，G2入口的血流速度的获取过程包括：以Vin作为最大值，构造分段函数V(t)，其中，当0＜t＜0.25s时，V(t)＝Vin*sin(πt)，当0.25s≤t≤0.5s时，V(t)＝Vin。数值模拟阶段采用准稳态进行模型，设定计算时间为0.5s，单位时间步长为0.01s，构造分段函数，该方法相对瞬态模拟可以节约大量的计算时间。

作为优选，所述远端血管微循环阻力的获取过程包括：设G2有n个出口，第i个出口的远端微循环阻力为R_i，每个分支的远端血管微循环阻力相等，则根据欧姆定律R_i＝n*R(i＝1，2…n)。

本实施例的流体力学控制方程如下：

其中，

为流场的应力张量，u表示血流速度，

为梯度算子，t为时间变量，I为单位矩阵，

表示

的转置，f为源项，这里指重力，p为血压，ρ为血液密度，μ为血液的粘性系数，Ω为流体计算区域。

边界条件设置如下：

u(t)＝Vin(t)onΓ^inlet

其中，入口采用速度边界条件，出口采用三单元阻抗模型；分别用电阻

和

表示近端和下游血管的阻力，其中，第i个出口的远端微循环阻力

用电容C_i表示下游血管的顺应性，C_i由流量计算获得；Γ^inlet和Γ^outlet分别为流体计算域的入口边界和出口边界，p_i为第i个出口压力，Q_i是第i个出口的流量，

n_i为第i个出口的法向量；p_i(0)和Q_i(0)分别为第i个出口的初始压力和流量；由于p是定义在整个流体计算区域中的，所以求解上述方程得到的p包括了血管远端的血压值Pd。

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，即可以快速提交计算。此外，模拟求解的区域仅限于病变血管及其下游分支血管，因此整个时间可以大大缩短，降低计算成本，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。

附图说明

图1是本发明实施例G1和G2的获取过程示意图；

图2是本发明实施例DSA起始帧和结束帧的图像。

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：

一种利用CTA和DSA测量冠状动脉血流储备分数的方法，包括以下步骤：如图1所示，利用CTA冠脉造影进行三维重建，得到获得冠脉几何模型G1、心肌体积V以及目标血管的长度L；根据几何模型G1和目标血管的近端入口位置，截取用于仿真模拟的分支几何模型G2；利用连续时间内的DSA造影图得到血流流经目标血管的时间t，根据速度公式结合L和t计算出目标血管近端的血流速度Vin；结合心肌体积V以及血压，计算出几何模型G1的远端阻力Rtotal；结合Rtotal、G1和G2的分支个数，计算G2的远端阻力R；以Vin作为G2的入口边界条件，R作为G2的远端微循环阻力，通过求解流体力学方程计算出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。

其中心肌体积V的获取是基于CTA影像，通过医学影像软件对心肌进行分割处理，然后对其体积进行测量得到V。目标血管长度L的获取过程包括：获取G2的中心线；确定G2的主支血管；测量主支血管中心线的长度，即为L。

如图2所示，血流流经目标血管的时间t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起始帧图像，造影剂流到指定终点位置的图像作为结束帧图像，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。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。

其中G1的远端阻力Rtotal的获取过程包括：根据公式Q＝V^β，得到流量Q，其中V为心肌体积，β为系数，β取1.5；根据病例的收缩压Pa和舒张压Pb计算平均压P＝1/3*Pa+2/3*Pb；根据欧姆定律Rtotal＝P/Q计算出Rtotal。

其中G2的远端阻力R的计算式为：R＝Rtotal*m/n，其中m为G1的冠脉出口个数，n为G2的冠脉出口个数。

FFR值的计算过程包括：根据血流速度Vin得到G2入口的血流速度作为入口边界条件，出口边界采用三单元阻抗模型，根据R得到G2出口的远端血管微循环阻力，通过求解流体力学方程计算出远端血压Pd，再根据FFR＝Pd/Pa得到目标冠脉FFR值。

其中G2入口的血流速度的获取过程包括：以Vin作为最大值，构造分段函数V(t)，其中，当0＜t＜0.25s时，V(t)＝Vin*sin(πt)，当0.25s≤t≤0.5s时，V(t)＝Vin。数值模拟阶段采用准稳态进行模型，设定计算时间为0.5s，单位时间步长为0.01s，构造分段函数，该方法相对瞬态模拟可以节约大量的计算时间。

远端血管微循环阻力的获取过程包括：设G2有n个出口，第i个出口的远端微循环阻力为R_i，每个分支的远端血管微循环阻力相等，则根据欧姆定律R_i＝n*R(i＝1，2…n)。

本实施例的流体力学控制方程如下：

其中，

为流场的应力张量，u表示血流速度，

为梯度算子，t为时间变量，I为单位矩阵，

表示

的转置，f为源项，这里指重力，p为血压，ρ为血液密度，μ为血液的粘性系数，Ω为流体计算区域。

边界条件设置如下：

u(t)＝Vin(t)onΓ^inlet

其中，入口采用速度边界条件，出口采用三单元阻抗模型；分别用电阻

和

表示近端和下游血管的阻力，其中，第i个出口的远端微循环阻力

用电容C_i表示下游血管的顺应性，C_i由流量计算获得；Γ^inlet和Γ^outlet分别为流体计算域的入口边界和出口边界，p_i为第i个出口压力，Q_i是第i个出口的流量，

n_i为第i个出口的法向量；p_i(0)和Q_i(0)分别为第i个出口的初始压力和流量；由于p是定义在整个流体计算区域中的，所以求解上述方程得到的p包括了血管远端的血压值Pd。

本实施例的实质性效果包括：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；整体上本实施例所需的数学模型、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，即可以快速提交计算。此外，模拟求解的区域仅限于病变血管及其下游分支血管，因此整个时间可以大大缩短，降低计算成本，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)

1.一种利用CTA和DSA测量冠状动脉血流储备分数的方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用CTA冠脉造影进行三维重建，得到获得冠脉几何模型G1、心肌体积V以及目标血管的长度L；

根据几何模型G1和目标血管的近端入口位置，截取用于仿真模拟的分支几何模型G2；

利用连续时间内的DSA造影图得到血流流经目标血管的时间t，根据速度公式结合L和t计算出目标血管近端的血流速度Vin；

结合心肌体积V以及血压，计算出几何模型G1的远端阻力Rtotal；

结合Rtotal、G1和G2的分支个数，计算G2的远端阻力R；

以Vin作为G2的入口边界条件，R作为G2的远端微循环阻力，通过求解流体力学方程计算出FFR值。

2.根据权利要求1所述的一种利用CTA和DSA测量冠状动脉血流储备分数的方法，其特征在于，所述血流流经目标血管的时间t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所述的一种利用CTA和DSA测量冠状动脉血流储备分数的方法，其特征在于，所述G1的远端阻力Rtotal的获取过程包括：根据公式Q＝V^β，得到流量Q，其中V为心肌体积，β为系数，β取1.5；根据病例的收缩压Pa和舒张压Pb计算平均压P＝1/3*Pa+2/3*Pb；根据欧姆定律Rtotal＝P/Q计算出Rtotal。

4.根据权利要求1所述的一种利用CTA和DSA测量冠状动脉血流储备分数的方法，其特征在于，所述G2的远端阻力R的计算式为：R＝Rtotal*m/n，其中m为G1的冠脉出口个数，n为G2的冠脉出口个数。

5.根据权利要求3所述的一种利用CTA和DSA测量冠状动脉血流储备分数的方法，其特征在于，所述FFR值的计算过程包括：根据血流速度Vin得到G2入口的血流速度作为入口边界条件，出口边界采用三单元阻抗模型，根据R得到G2出口的远端血管微循环阻力，通过求解流体力学方程计算出远端血压Pd，再根据FFR＝Pd/Pa得到目标冠脉FFR值。

6.根据权利要求5所述的一种利用CTA和DSA测量冠状动脉血流储备分数的方法，其特征在于，G2入口的血流速度的获取过程包括：以Vin作为最大值，构造分段函数V(t)，其中，当0<t<0.25s时，V(t)＝Vin*sin(πt)，当0.25s≤t≤0.5s时，V(t)＝Vin。

7.根据权利要求6所述的一种利用CTA和DSA测量冠状动脉血流储备分数的方法，其特征在于，所述远端血管微循环阻力的获取过程包括：设G2有n个出口，第i个出口的远端微循环阻力为R_i，每个分支的远端血管微循环阻力相等，则根据欧姆定律R_i＝n*R(i＝1,2...n)。

8.根据权利要求7所述的一种利用CTA和DSA测量冠状动脉血流储备分数的方法，其特征在于，所述远端血压Pd的获取过程包括：

u(t)＝Vin(t) on Γ^inlet

其中，入口采用速度边界条件，出口采用三单元阻抗模型；分别用电阻

和

表示近端和下游血管的阻力，其中，第i个出口的远端微循环阻力

用电容C_i表示下游血管的顺应性，C_i由流量计算获得；Γ^inlet和Γ^outlet分别为流体计算域的入口边界和出口边界，p_i为第i个出口压力，Q_i是第i个出口的流量，

n_i为第i个出口的法向量；p_i(0)和Q_i(0)分别为第i个出口的初始压力和流量；由于p是定义在整个流体计算区域中的，所以求解上述方程得到的p包括了血管远端的血压值Pd。

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