CN117438055A - 一种基于计算流体动力学的无创mrr计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于冠状动脉医学技术领域，公开了一种基于计算流体动力学的无创MRR计算方法，包括S1、重建冠状动脉三维模型、生成网格；S2、设置模型的边界条件；S3、模拟冠状动脉血流进行CFD，计算MRR值；本发明基于CFD的无创方法计算MRR，通过模拟人体血管血液流动来获取血管内的流量场与压力场，进而计算目标血管的MRR；该无创方法能够显著降低临床检查成本和侵入性导丝测量导致的并发症风险，其还可以有效评估冠状动脉微血管功能，有助于医护人员制定最佳的治疗方案。
Description
技术领域
本发明涉及冠状动脉医学技术领域，具体为一种基于计算流体动力学的无创MRR计算方法。
背景技术
冠状动脉微血管功能障碍(Coronary Microvascular Dysfunction，CMVD)被认为是心绞痛的一个潜在原因，在临床上，需要一种可靠的定量诊断方法来辅助制定CMVD的治疗方案。微循环阻力储备(Microvascular Resistance Reserve，MRR)是静息状态下“真实”微血管阻力与充血状态下微血管阻力的比值，表示充血状态下微血管阻力下降的最大程度；而且MRR的测量结果不受心率、血压和心肌需氧量的影响，也不受导管位置的影响，能够准确反映微循环的生理功能状况。因此，可以通过计算MRR的值来预测CMVD。
目前，临床上采用连续热稀释法(Continuous thermodilution)测量MRR，通过将一根带有压力/温度传感器的导丝推进到冠状动脉的远端部分，并在冠状动脉的近端部分通过灌注导管以固定的流量持续灌注室温生理盐水，根据连续热稀释法回拉导丝测得温度数据计算血管流量，该方法可以通过改变灌注流量来测量静息状态和充血状态下的流量和压力数据；但连续热稀释法是一种侵入性方法，其对操作者具有较高的操作技术要求，会给病人带来生理风险，除此以外，还会给病人带来高额的医疗费用。
发明内容
本发明意在提供一种基于计算流体动力学的无创MRR计算方法，基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)的无创方法计算MRR，通过模拟人体血管血液流动来获取血管内的流量场与压力场，进而计算目标血管的MRR；该无创方法能够显著降低临床检查成本和侵入性导丝测量导致的并发症风险，其还可以有效评估冠状动脉微血管功能，有助于医护人员制定最佳的治疗方案。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于计算流体动力学的无创MRR计算方法，包括以下步骤：
S1、重建冠状动脉三维模型、生成网格
基于冠状动脉CTA图像数据，对冠状动脉CTA图像进行分割，从中提取冠状动脉的几何信息并重建冠状动脉三维模型，重建的三维模型包括冠状动脉及其侧支血管的开口形状，不包括主动脉；
在模型构建过程中剪去远端小血管，并对重建后的冠脉三维模型进行光滑，最后采用自适应网格法将三维模型划分为四面体网格；
S2、设置模型的边界条件
模型的入口边界条件设置为平均主动脉压MAP，出口边界条件设置为模型各个出口的阻力Ri；
S3、模拟冠状动脉血流进行CFD，计算MRR值
通过调整参数，对不同状态的冠状动脉血流进行CFD模拟，分别得到静息状态和充血状态下冠状动脉的压力分布和流量分布；最后计算得到目标冠状动脉的MRR值。
进一步地，在S1中，利用自动或半自动分割算法对冠状动脉CTA图像进行分割。
进一步地，在S2中，入口边界条件的设置方法为：
平均主动脉压MAP是一次心跳周期内主动脉内的平均血压；基于袖带压力计算静息状态的平均主动脉压MAPrest：
MAPrest＝0.4×(SBP-DBP)+DBP
式中，SBP和DBP分别为收缩压和舒张压；
在进行充血状态模拟时，选择充血状态的平均主动脉压作为入口边界条件MAPhyp，通过静息状态平均主动脉压转化得到：
MAPhyp＝1/1.1×MAPrest
出口边界条件的设置方法为：
分别模拟静息状态和充血状态下的冠状动脉压力场、流量场，具体步骤为：
A1、对舒张期和收缩期CTA影像的左室容积进行分割，分别获得舒张期和收缩期的左室容积为Vdiastole和Vsystole；其中，左心室流出道的平均流量速率Q为：
Q＝(Vdiastole-Vsystole)Hr
式中，Hr为心率，每分钟心脏跳动的次数；
A2、根据左右优势冠脉的类型分配冠状动脉血流量Qin＝K×Q，通过重建的冠状动脉三维模型确定冠状动脉优势种类,其中，K值如下表确定：
| 血流占比K | 右冠脉优势型 | 左冠脉优势型或平衡性 |
| 左前降支 | 31.10％ | 33.71％ |
| 左回旋支 | 26.66％ | 42.32％ |
| 右冠脉 | 41.85％ | 21.00％ |
A3、根据Murray定律分配冠状动脉各出口的血流，第i个出口冠状动脉血流Qout,i为：
式中，Di为第i个出口附近的平均直径，N是出口总数，β为系数；
A4、确定第i个出口的静息状态出口阻力用于模拟静息状态血管内动力学的出口边界条件：
式中，Pv为参考静脉压，设为5mmHg；
A5、充血状态出口边界条件设置为第i个出口的充血状态出口阻力的表达式为：
式中，TCRI为充血因子，根据实际情况进行个性化设置。
进一步地，在S3中，模拟冠状动脉血流CFD的方法为：
设定血液为牛顿流体，血管壁是刚性的，且血管壁无滑移；通过求解不可压缩的Navier-Stokes方程；对于边界为Г的流体域Ω，求解得到速度和压力/>
式中，为流速场，/>为压力场，t、μ、ρ分别为时间、流体粘度、流体密度；
计算MRR的方法为：
分别对静息状态和充血状态的血流动力学进行模拟，通过改变边界条件来达成此目的；静息状态流体域的边界条件Гrest设置为静息状态下入口处平均主动脉压力MAPrest和出口处阻力充血状态流体域的边界条件Гhyp设置为充血状态下入口处平均主动脉压力MAPhyp和出口处阻力/>分别对静息状态和充血状态的血流动力学进行模拟后，获得冠脉内血流的压力场、流量场以计算MRR：
MRR＝(Qhyp/Qrest)×(Pa,rest/Pd,hyp)
式中，Qhyp和Qrest分别为充血状态和静息状态的冠脉血流量，Pa,rest为静息状态冠脉入口压力，即MAPrest，Pd,hyp为充血状态下病变冠脉远端的压力。
技术方案的有益效果是：
1、本发明提供的一种基于计算流体动力学的无创MRR计算方法，计算MRR只需要非侵入性成像数据，避免了侵入性检查，可以降低治疗费用和临床并发症风险，并且可以减少操作者对测量结果的影响；
2、本发明提供的一种基于计算流体动力学的无创MRR计算方法，可以通过一次计算即可得到目标冠脉模型中各个位置的MRR值，精准定位微循环功能障碍的区域的病变血管；
3、本发明提供的一种基于计算流体动力学的无创MRR计算方法，可以有效评估冠状动脉微循环功能，有助于临床医生制定最佳的治疗方案。
附图说明
图1为本发明一种基于计算流体动力学的无创MRR计算方法确定边界条件和无创计算MRR的算法流程图；
图2为本发明一种基于计算流体动力学的无创MRR计算方法在S2中对舒张期和收缩期CTA影像的左室容积进行分割的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
如图1所示，一种基于计算流体动力学的无创MRR计算方法，包括以下步骤：
S1、重建冠状动脉三维模型、生成网格
基于冠状动脉CTA图像数据，利用自动或半自动分割算法对冠状动脉CTA图像进行分割，从中提取冠状动脉的几何信息并重建冠状动脉三维模型，重建的三维模型包括冠状动脉及其侧支血管的开口形状，不包括主动脉；
在模型构建过程中剪去远端小血管，并对重建后的冠脉三维模型进行光滑，最后采用自适应网格法将三维模型划分为四面体网格；
S2、设置模型的边界条件
模型的入口边界条件设置为平均主动脉压MAP，出口边界条件设置为模型各个出口的阻力Ri；
其中，入口边界条件的设置方法为：
平均主动脉压MAP是一次心跳周期内主动脉内的平均血压；基于袖带压力计算静息状态的平均主动脉压MAPrest：
MAPrest＝0.4×(SBP-DBP)+DBP
式中，SBP和DBP分别为收缩压和舒张压；
在进行充血状态模拟时，选择充血状态的平均主动脉压作为入口边界条件MAPhyp，通过静息状态平均主动脉压转化得到：
MAPhyp＝1/1.1×MAPrest
出口边界条件的设置方法为：
分别模拟静息状态和充血状态下的冠状动脉压力场、流量场，具体步骤为：
A1、如图2所示，对舒张期和收缩期CTA影像的左室容积进行分割，分别获得舒张期和收缩期的左室容积为Vdiastole和Vsystole；其中，左心室流出道的平均流量速率Q为：
Q＝(Vdiastole-Vsystole)Hr
式中，Hr为心率，每分钟心脏跳动的次数；
A2、根据左右优势冠脉的类型分配冠状动脉血流量Qin＝K×Q，通过重建的冠状动脉三维模型确定冠状动脉优势种类,其中，K值如下表确定：
| 血流占比K | 右冠脉优势型 | 左冠脉优势型或平衡性 |
| 左前降支 | 31.10％ | 33.71％ |
| 左回旋支 | 26.66％ | 42.32％ |
| 右冠脉 | 41.85％ | 21.00％ |
A3、根据Murray定律分配冠状动脉各出口的血流，第i个出口冠状动脉血流Qout,i为：
式中，Di为第i个出口附近的平均直径，N是出口总数，β为系数；
A4、确定第i个出口的静息状态出口阻力用于模拟静息状态血管内动力学的出口边界条件：
式中，Pv为参考静脉压，设为5mmHg；
A5、充血状态出口边界条件设置为第i个出口的充血状态出口阻力的表达式为：
式中，TCRI为充血因子，根据实际情况进行个性化设置；
S3、模拟冠状动脉血流进行CFD，计算MRR值
通过调整参数，对不同状态的冠状动脉血流进行CFD模拟，分别得到静息状态和充血状态下冠状动脉的压力分布和流量分布；最后计算得到目标冠状动脉的MRR值；
其中，模拟冠状动脉血流CFD的方法为：
设定血液为牛顿流体，血管壁是刚性的，且血管壁无滑移；通过求解不可压缩的Navier-Stokes方程；对于边界为Г的流体域Ω，求解得到速度和压力/>
式中，为流速场，/>为压力场，t、μ、ρ分别为时间、流体粘度、流体密度；
计算MRR的方法为：
分别对静息状态和充血状态的血流动力学进行模拟，通过改变边界条件来达成此目的；静息状态流体域的边界条件Гrest设置为静息状态下入口处平均主动脉压力MAPrest和出口处阻力充血状态流体域的边界条件Гhyp设置为充血状态下入口处平均主动脉压力MAPhyp和出口处阻力/>分别对静息状态和充血状态的血流动力学进行模拟后，获得冠脉内血流的压力场、流量场以计算MRR：
MRR＝(Qhyp/Qrest)×(Pa,rest/Pd,hyp)
式中，Qhyp和Qrest分别为充血状态和静息状态的冠脉血流量，Pa,rest为静息状态冠脉入口压力，即MAPrest，Pd,hyp为充血状态下病变冠脉远端的压力。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (4)
1.一种基于计算流体动力学的无创MRR计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、重建冠状动脉三维模型、生成网格
基于冠状动脉CTA图像数据，对冠状动脉CTA图像进行分割，从中提取冠状动脉的几何信息并重建冠状动脉三维模型，重建的三维模型包括冠状动脉及其侧支血管的开口形状，不包括主动脉；
在模型构建过程中剪去远端小血管，并对重建后的冠脉三维模型进行光滑，最后采用自适应网格法将三维模型划分为四面体网格；
S2、设置模型的边界条件
模型的入口边界条件设置为平均主动脉压MAP，出口边界条件设置为模型各个出口的阻力Ri；
S3、模拟冠状动脉血流进行CFD，计算MRR值
通过调整参数，对不同状态的冠状动脉血流进行CFD模拟，分别得到静息状态和充血状态下冠状动脉的压力分布和流量分布；最后计算得到目标冠状动脉的MRR值。
2.根据权利要求1所述的一种基于计算流体动力学的无创MRR计算方法，其特征在于，在S1中，利用自动或半自动分割算法对冠状动脉CTA图像进行分割。
3.根据权利要求1所述的一种基于计算流体动力学的无创MRR计算方法，其特征在于，在S2中，入口边界条件的设置方法为：
平均主动脉压MAP是一次心跳周期内主动脉内的平均血压；基于袖带压力计算静息状态的平均主动脉压MAPrest：
MAPrest＝0.4×(SBP-DBP)+DBP
式中，SBP和DBP分别为收缩压和舒张压；
在进行充血状态模拟时，选择充血状态的平均主动脉压作为入口边界条件MAPhyp，通过静息状态平均主动脉压转化得到：
MAPhyp＝1/1.1×MAPrest
出口边界条件的设置方法为：
分别模拟静息状态和充血状态下的冠状动脉压力场、流量场，具体步骤为：
A1、对舒张期和收缩期CTA影像的左室容积进行分割，分别获得舒张期和收缩期的左室容积为Vdiastole和Vsystole；其中，左心室流出道的平均流量速率Q为：
Q＝(Vdiastole-Vsystole)Hr
式中，Hr为心率，每分钟心脏跳动的次数；
A2、根据左右优势冠脉的类型分配冠状动脉血流量Qin＝K×Q，通过重建的冠状动脉三维模型确定冠状动脉优势种类,其中，K值如下表确定：
A3、根据Murray定律分配冠状动脉各出口的血流，第i个出口冠状动脉血流Qout,i为：
式中，Di为第i个出口附近的平均直径，N是出口总数，β为系数；
A4、确定第i个出口的静息状态出口阻力用于模拟静息状态血管内动力学的出口边界条件：
式中，Pv为参考静脉压，设为5mmHg；
A5、充血状态出口边界条件设置为第i个出口的充血状态出口阻力的表达式为：
式中，TCRI为充血因子，根据实际情况进行个性化设置。
4.根据权利要求1所述的一种基于计算流体动力学的无创MRR计算方法，其特征在于，在S3中，模拟冠状动脉血流CFD的方法为：
设定血液为牛顿流体，血管壁是刚性的，且血管壁无滑移；通过求解不可压缩的Navier-Stokes方程；对于边界为Г的流体域Ω，求解得到速度和压力/>
式中，为流速场，/>为压力场，t、μ、ρ分别为时间、流体粘度、流体密度；
计算MRR的方法为：
分别对静息状态和充血状态的血流动力学进行模拟，通过改变边界条件来达成此目的；静息状态流体域的边界条件Гrest设置为静息状态下入口处平均主动脉压力MAPrest和出口处阻力充血状态流体域的边界条件Гhyp设置为充血状态下入口处平均主动脉压力MAPhyp和出口处阻力/>分别对静息状态和充血状态的血流动力学进行模拟后，获得冠脉内血流的压力场、流量场以计算MRR：
MRR＝(Qhyp/Qrest)×(Pa,rest/Pd,hyp)
式中，Qhyp和Qrest分别为充血状态和静息状态的冠脉血流量，Pa,rest为静息状态冠脉入口压力，即MAPrest，Pd,hyp为充血状态下病变冠脉远端的压力。
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2023
- 2023-10-08 CN CN202311288892.5A patent/CN117438055A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117679059A (zh) * | 2024-02-01 | 2024-03-12 | 北京大学第三医院（北京大学第三临床医学院） | 一种量化功能性血流动力学参数的系统和方法 |
| CN117679059B (zh) * | 2024-02-01 | 2024-04-26 | 北京大学第三医院（北京大学第三临床医学院） | 一种量化功能性血流动力学参数的系统和方法 |
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