KR20160131493A - Method for quality control and accuracy upgrade of patient-specific CT-FFR using computer simulation of contrast media distribution - Google Patents

Method for quality control and accuracy upgrade of patient-specific CT-FFR using computer simulation of contrast media distribution Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a new computerized tomography (CT) contrast media distribution simulation for determining whether patient-specific fractional flow reserve (FFR) in coronary arteries has reliability. According to the present invention, when a CT-FFR verification method is used, it can be determined whether a specific CT-FFR result can be used. That is, a screening basis on whether a doctor uses a result of calculation of CT-FFR to a corresponding patient is suggested. Therefore, a medical accident by a doctor or filing of a lawsuit, which is caused by misdiagnosis due to inaccuracy in a calculation result, can be prevented. As a result, the usefulness and validity of a CT-FFR technique is increased, thereby allowing the CT-FFR technique to be used in a further wider range.

Description

조영제 분포의 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 환자맞춤형 CT-FFR의 품질관리와 정확도 개선 방법{Method for quality control and accuracy upgrade of patient-specific CT-FFR using computer simulation of contrast media distribution}[0001] The present invention relates to a computer-simulated CT-FFR, and more particularly, to a CT-FFR,

본 발명은 환자별 관상동맥 심근분획 혈류 예비력(Fractional flow reserve, FFR)의 신뢰성 여부를 판단하기 위한 새로운 CT조영제 분포 시뮬레이션에 관한 것이다.The present invention relates to a novel CT contrast agent distribution simulation for determining the reliability of a fractional flow reserve (FFR) for each patient.

일반적으로 심근분획 혈류 예비력은 관상동맥 협착의 기능 정도를 평가하는 임상 지표로 널리 사용된다. 이것은 환자의 CT데이터에 기초한 형상 모델을 만들고, 수치해석 방법과 컴퓨터를 이용하여 계산을 수행하여, 환자 개개인의 FFR의 값을 계산하는 비침습적 방법이다(도 1). 그리고 조영제 시뮬레이션은 관상동맥 내에서 조영제의 공간적인 분포 특성을 컴퓨터와 수치적인 방법을 통하여 예측하기 위한 기술이다. In general, myocardial perfusion reserve is widely used as a clinical index to assess the degree of functioning of coronary artery stenosis. This is a non-invasive method of calculating the FFR of individual patients by creating a shape model based on the CT data of the patient, performing computations using a numerical analysis method and a computer (Fig. 1). Contrast agent simulation is a technique for predicting the spatial distribution characteristics of contrast agents in coronary arteries through computer and numerical methods.

특허출원 제10-2014-0114553호, 발명의 명칭 '관상동맥의 심근분획 혈류 예비력 계산을 위한 새로운 환자 맞춤형 모델'Patent Application No. 10-2014-0114553, entitled " New Patient Customized Model for Calculation of Myocardial Blood Flow Reserve in Coronary Arteries "

Miyoshi T, Osawa K, Ito H, Kanazawa S, Kimura T, Shiomi H, Kuribayashi S, Jinzaki M, Kawamura A, Bezerra H, Achenbach S, Nrgaard BL. Non-invasive computed fractional flow reserve from computed tomography (CT) for diagnosing coronary artery disease Japanese results from NXT trial (Analysis of Coronary Blood Flow Using CT Angiography: Next Steps). 2015, Circ J. 79(2):406-12. Miyoshi T, Osawa K, Ito H, Kanazawa S, Kimura T, Shiomi H, Kuribayashi S, Jinzaki M, Kawamura A, Bezerra H, Achenbach S, Nrgaard BL. Non-invasive computed fractional flow reserve (CT) for diagnosis of coronary artery disease. 2015, Circ J. 79 (2): 406-12. Choi JH, Min JK, Labounty TM, Lin FY, Mendoza DD, Shin DH, Ariaratnam NS, Koduru S, Granada JF, Gerber TC, Oh JK, Gwon HC, Choe YH. Intracoronary transluminal attenuation gradient in coronary CT angiography for determining coronary artery stenosis. JACC Cardiovasc Imaging. 2011 Nov;4(11):1149-57.  Choi JH, Min JK, Labounty TM, Lin FY, Mendoza DD, Shin DH, Ariaratnam NS, Koduru S, Granada JF, Gerber TC, Oh JK, Gwon HC, Choe YH. Intracoronary transluminal attenuation gradient in coronary angiography for determining coronary artery stenosis. JACC Cardiovasc Imaging. 2011 Nov; 4 (11): 1149-57. Kim, H.J., Vignon-Clementel, I.E., Coogan, J.S., Figueroa, C.A., Jansen, K.E., Taylor, C.A., 2010. Patient-specific modeling of blood flow and pressure in human coronary arteries. Ann. Biomed. Eng. 38 (10), pp. 3195-3209. Kim, H. J., Vignon-Clementel, I. E., Coogan, J. S., Figueroa, C. A., Jansen, K. E., Taylor, C. A., 2010. Patient-specific modeling of blood flow and pressure in human coronary arteries. Ann. Biomed. Eng. 38 (10), pp. 3195-3209. K. T. Bae, J. R Heiken, and J. A. Brink. 1998. Aortic and Hepatic Contrast Medium Enhancement at CT; Part I. Prediction with a Computer Model, Radiology, v. 207, No 3, pp. 647-655. K. T. Bae, J. R Heiken, and J. A. Brink. 1998. Aortic and Hepatic Contrast Medium Enhancement at CT; Part I. Prediction with a Computer Model, Radiology, v. 207, No. 3, pp. 647-655.

본 발명은 환자별 CT-FFR의 예측 정확성에 대한 근거를 산출하고, 이로부터 해당 시뮬레이션 결과가 환자에 적용이 가능할 정도의 신뢰성을 지니는지를 판별하는 방법에 관한 것이다. 또한, CT-FFR 결과의 신뢰도가 떨어져서 환자에 적용하기 힘들다고 판단될 경우에는 정확성을 높이기 위한 반복적 시뮬레이션 방법도 제시하였다. 현재 CT-FFR의 출력과정은 CT영상이미지의 segmentation을 통한 관상동맥 혈관형상의 추출 후 시뮬레이션 과정을 통하여 이루어진다. 그런데 여기에서 CT영상이미지의 quality가 나쁘거나 과도한 칼슘 침착이 있는 경우, 관상동맥 혈관형상이 제대로 추출되지 못하며, 그것은 바로 부정확한 CT-FFR 결과로 이어진다. 그러나 영상에 대한 segmentation 과정이 제대로 이루어져 환자의 실제형상 충분히 반영된 시뮬레이션이 진행되었는지에 대한 확인 방법이 전혀 없는 실정이다. 단지, 확인하기 어려운 혈관 부위에 대하여 영상의 밝기의 구배(gradient)를 활용하는 TAG(transluminal attenuation gradient) 방법이 있긴 하지만, 이것은 혈관의 막힌 정도만을 대략적으로 예측해주는 역할만 할 뿐이며, CT-FFR 계산에는 활용되기 힘들다. The present invention relates to a method for calculating a basis for prediction accuracy of a CT-FFR for each patient and determining from the result that the simulation result is reliable enough to be applicable to a patient. In addition, when reliability of the CT-FFR results is low and it is difficult to apply to the patient, a repetitive simulation method for improving the accuracy is also proposed. Currently, the output process of CT-FFR is performed through the simulation process after extracting coronary artery blood vessel shape through segmentation of CT image. However, if the quality of the CT image is poor or excessive calcium deposition is present here, coronary artery blood vessel morphology can not be correctly extracted, resulting in inaccurate CT-FFR results. However, there is no way to confirm whether the simulation process is fully reflected in the segmentation process. Although there is a TAG (transluminal attenuation gradient) method that utilizes the gradient of the brightness of the image for difficult-to-identify blood vessel regions, this only serves to roughly predict the degree of clogging of the blood vessel, and CT- It is difficult to utilize.

또한, CT-FFR 계산 후, 침습적인 2차원 X선 Angiography영상을 통하여 검증하는 방법도 있다. 그러나 추가적인 침습적 확인과정의 도입은 비침습적으로 FFR을 예측할 수 있다는 CT-FFR의 주된 장점을 훼손하게 된다. 이와 같은 단점은 의사로 하여금 환자의 CT-FFR 결과를 직접 환자에 적용하는 것을 꺼리게 하는 중요한 요인이다. 즉, CT-FFR 결과의 quality가 신뢰가능한지에 대한 객관적이고 과학적인 판단 근거는 현재로서는 전혀 없는 실정이다. 이런 연유로 CT-FFR의 측정대비 정확도가 80%에 이르고 있지만(HeartFlow 2014년 일본 교토의대 결과, Miyoshi et al., 2015), 임상의사가 이 CT기반 FFR 계산값들 만으로 해당 환자의 시술여부를 임상적으로 적용한 사례는 아직 보고되고 있지 않고 있다. 따라서 계산된 환자별 CT-FFR 결과의 타당성에 대한 과학적인 판단 근거가 있다면, CT-FFR의 신뢰성을 담보할 수 있는 강력한 방법이 될 것이다(도 2).After computation of CT-FFR, there is also a method of verifying by invasive 2-dimensional X-ray angiography image. However, the introduction of additional invasive validation procedures undermines the CT-FFR's primary advantage of non-invasively predicting FFR. This disadvantage is an important factor that makes the physician reluctant to apply the patient's CT-FFR results directly to the patient. In other words, there is no objective and scientific basis for judging whether the quality of CT-FFR results is reliable. Because of this, the accuracy of the CT-FFR measurement is up to 80% (HeartFlow, Kyoto Miyoshi, 2015, Japan, 2015), but the CT-based FFR calculations alone Clinical applications have not yet been reported. Therefore, if there is a scientific basis for the validity of the calculated CT-FFR results, it would be a powerful method to ensure the reliability of CT-FFR (Fig. 2).

본 발명에서는 혈관의 CT영상 촬영 시 투여하는 조영제의 농도와 CT이미지의 밝기가 상관관계를 가지고 있다는 사실에 착안한다. 따라서 CT-FFR 계산 시 사용한 3차원 형상에 대해서 조영제의 분포를 시뮬레이션하고, 이것을 CT영상의 밝기 분포와 비교한다. 이 두 분포가 특징적으로 유사하면 영상 segmentation이 제대로 이루어져서 정확한 CT-FFR이 도출된 것으로 볼 수 있다. 즉, 이와 같은 CT영상에 대한 조영제 시뮬레이션을 통해 CT-FFR을 계산하는데 사용된 혈관 영상 segmentation 데이터의 타당성을 확인한다.The present invention focuses on the fact that the concentration of the contrast agent administered during the CT imaging of the blood vessel is correlated with the brightness of the CT image. Therefore, the distribution of the contrast agent is simulated for the three-dimensional shape used in the CT-FFR calculation, and this is compared with the brightness distribution of the CT image. If the two distributions are similar in character, the image segmentation is correct and accurate CT-FFR is derived. In other words, through the contrast agent simulation for such CT images, validity of the segmentation data of the blood vessel images used to calculate the CT-FFR is confirmed.

본 발명에 따른 CT-FFR 검증방법을 사용할 경우, 특정 CT-FFR 결과의 사용 가능 여부를 판단할 수 있다. 즉, 의사가 CT-FFR을 계산한 해당 환자에 대해 그 결과를 사용할 것인지 말 것인지에 대한 스크리닝 근거를 제시한다. 따라서 의사로 하여금 계산결과의 부정확성으로 오진 때문에 의료사고 혹은 소송이 제기되는 것을 방지해주는 역할을 할 수 있다. 이는 궁극적으로 CT-FFR 기술의 효용성 및 타당성을 높여 임상에서 보다 광범위하게 사용될 수 있도록 할 것이다.When the CT-FFR verification method according to the present invention is used, it is possible to determine whether or not a specific CT-FFR result can be used. In other words, the physician provides a screening basis for whether to use the results for the patient who computed the CT-FFR. Therefore, it can prevent a medical accident or a lawsuit from being caused due to an error due to the inaccuracy of a calculation result by a doctor. This will ultimately increase the utility and validity of the CT-FFR technology and make it more widely available in clinical practice.

도 1은 현재 FFR의 시뮬레이션에 의한 예측 방법에 대한 개념도이며, 여기에서 CT데이터로부터 환자의 관상동맥 형상을 추출하는 Segmentation 과정에서 시뮬레이션 정확도에 결정적인 영향을 미칠 수 있는 환자의 3차원 혈관형상모델이 만들어진다.
도 2는 현재 FFR의 시뮬레이션의 문제점으로써, CT이미지에서 관상동맥 3차원 형상을 추출하는 과정에서 에러가 생길 수 있다. 이것은 부정확한 계산으로 이어질 수 있기 때문에 이를 배제하거나 재계산하기 위한 판단근거나 스크리닝 방법이 필요하다.
도 3은 본 발명에 따른 조형제 시뮬레이션을 활용한 품질관리 방법의 수행 절차를 나타낸 것이다.
도 4는 CT촬영 시의 조영제 투여에 대한 개념도이고, 실제로 CT 촬영을 할 때 혈관의 높은 대조도를 위해 조영제를 그림에서와 같이 팔 정맥을 통해 주입하게 된다. 조영제는 혈액보다 높은 intensity로 표현되기 때문에 진단할 혈관의 모양을 보다 명확히 구분하게 해준다. 그러나 조영제는 혈액과 함께 흐르기 때문에 협착 부위에서 혈액의 흐름에 변화가 생기는 경우 조영제의 분포가 흐트러질 수 있고, 혈관의 뒤쪽으로 갈수록 농도가 옅어져 기존의 혈관모양과 다르게 판단될 가능성이 있다.
도 5는 혈관에서 협착과 혈류량에 따른 조영제의 분포차이 및 이에 따른 CT밝기의 구배변화를 나타낸 것으로, 여기에서 CT 밝기의 구배변화는 TAG(transluminal attenuation gradient)로 정량화되며, 관상동맥의 협착정도에 따라서 점점 steep한 구배를 가진다.
도 6은 관상동맥 혈관에서 협착에 따른 조영제 분포의 차이에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로, 같은 모델에서 협착이 심해질수록 협착 전후의 조영제 농도 차이가 더 심해짐을 알 수 있다.
도 7은 Bae 등에 의해 제시된 바 있는 조영제의 분포 시뮬레이션을 위한 전체 인체시스템 개략도를 나타낸 것으로, 여기에서 둥근 타원은 혈관계를 그리고 그 안에 있는 숫자는 혈관의 체적을 의미한다. 그리고 타원과 타원 사이의 선위에 표기된 숫자는 그 혈관계 사이의 혈류량(단위: ml)을 나타낸다. 그리고 네모의 숫자는 해당 조직의 체적(단위: ml)을 의미한다. 본 특허에서는 관상동맥계(coronary)를 오른 쪽에 표시된 CFD모델로 대치한다.
FIG. 1 is a conceptual diagram of a prediction method by simulation of current FFR. Here, a three-dimensional vessel shape model of a patient that can have a decisive influence on the simulation accuracy is created in a segmentation process of extracting a coronary artery shape of a patient from CT data .
FIG. 2 is a problem of the present FFR simulation. In the process of extracting the three-dimensional shape of the coronary artery from the CT image, an error may occur. This may lead to inaccurate calculations, so there is a need for judgment or screening methods to exclude or recalculate them.
FIG. 3 is a flowchart illustrating a procedure of a quality control method using a molding agent simulation according to the present invention.
FIG. 4 is a conceptual diagram of administration of a contrast agent during CT imaging. When a CT image is actually taken, the contrast agent is injected through the arm vein as shown in the figure for high contrast of the blood vessel. Because the contrast agent is expressed at a higher intensity than the blood, it allows a clearer identification of the shape of the blood vessel to be diagnosed. However, when the contrast medium flows with blood, the distribution of the contrast agent may be disturbed when the blood flow is changed in the stenotic region, and the concentration may be different from the existing blood vessel because the concentration is decreased toward the back of the blood vessel.
FIG. 5 is a graph showing the gradient distribution of the CT brightness according to the stenosis and the distribution of the contrast agent according to the blood flow in the blood vessel. Here, the gradient of the CT brightness is quantified as TAG (transluminal attenuation gradient) Therefore, it has a gradually steep gradient.
FIG. 6 shows the simulation result of the difference of the contrast agent distribution according to the stenosis in the coronary artery blood vessel. As the stenosis becomes more severe in the same model, the contrast agent concentration difference before and after stenosis becomes more severe.
FIG. 7 is a schematic diagram of the entire human body system for the distribution simulation of the contrast agent presented by Bae et al., Wherein the round ellipsis indicates the vascular system and the numbers therein indicate the volume of the blood vessel. And the number on the line between the ellipse and the ellipse represents the blood flow (unit: ml) between the vascular systems. And the number of squares means the volume of the tissue (unit: ml). In this patent, the coronary artery is replaced with the CFD model shown on the right.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들과 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시 예들로부터 더욱 분명해질 것이다.Other objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments with reference to the accompanying drawings.

이하, 본 발명에 따른 새로운 조영제 시뮬레이션 기반 CT-FFR 품질관리 및 정확도 개선에 대해 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, the CT-FFR quality control and the accuracy improvement based on the new contrast agent simulation according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

Pijls 등은 관상동맥 질환의 임상 지표로서 완전히 팽창된 상태 미세 혈관의 협착 전과 후의 압력비율을 말하는 분획 혈류 예비력(FFR)을 소개하였다. Pijls 그룹은 가이드 와이어 기술을 이용하여 FFR을 측정법을 보여 주었으며, 이는 관상동맥 협착 정도를 평가하는 기술이 되었다.Pijls et al. Introduced the fractional blood flow reserve (FFR), which is the pressure ratio before and after stenosis of fully expanded microvascular vessels as a clinical indicator of coronary artery disease. The Pijls group used the guidewire technique to measure FFR, which became a technique for evaluating the degree of coronary stenosis.

Kim 등은 FFR 값을 평가하는데 있어서 CT영상과 환자의 정보를 이용한 비침습적인 시뮬레이션 방법을 제시하였다. 이것은 대동맥 및 관상혈관의 혈류역학적 계산을 위한 전산유체역학기술과 전체 심혈관 시스템의 집중식 매개변수모델이 통합된 방법이다. 이 시뮬레이션 모델의 타당성 및 유용성은 여러 임상 연구를 통하여 검증되었다. 그러나 이 기술에 의한 계산결과의 타당성을 사전에 확인하거나 검증할 방법은 아직 제시되지 못하였다.Kim et al. Proposed a non-invasive simulation method using CT images and patient information in evaluating FFR values. This is an integrated method of computational fluid dynamics techniques for the hemodynamic computation of aortic and coronary vessels and a centralized parameter model of the whole cardiovascular system. The validity and usefulness of this simulation model has been verified through several clinical studies. However, no method has been proposed to confirm or verify the validity of the results of this technique.

Shim 등은 FFR을 계산함에 있어, Kim 등에 비해서 단순화된 방법을 개발하였다(도 1). 이 방법은 대동맥을 제외하고 관상동맥과 이와 연결된 관상순환계의 미세혈관만을 모델링하기 때문에, Kim 등의 방법에 비해 계산격자의 수가 줄며, 대동맥과 연결된 심장 및 체순환 모델을 포함하지 않기 때문에 간단하고 효율적이다. 그러나 이 기술 역시 결과의 품질을 검증할 방법을 제시하지는 못하였다.Shim et al. Developed a simplified method for calculating FFR as compared to Kim et al. (Fig. 1). This method is simple and efficient because it models only the microvascular vessels of the coronary arteries and associated coronary circulation systems except for the aorta, which reduces the number of calculation grids compared to Kim et al. And does not include the cardiac and somatic models connected to the aorta . However, this technique did not provide a way to verify the quality of the results.

이 기술에서, 우리는 관상동맥 혈류역학 및 CT-FFR 계산의 정확성 여부를 확인할 수 있는 조영제 시뮬레이션 기반의 방법을 제안하였다. 이 방법에서는 우선 2가지의 선행적인 시뮬레이션이 필요하고, 이를 기반으로 조영제에 대한 분포를 예측한다. 첫째, 환자별 조영제의 집중식 파라미터 방법을 사용하여 대동맥 및 심장 말초혈관에서의 조영제의 시간적 분포를 예측한다. 둘째, 실제 환자의 CT영상을 segmentation하여 얻은 3차원 형상에 대해 기존 FFR을 계산할 때와 같은 방법으로 혈류속도의 시간적 변화를 구한다. 이와 같은 2가지 조건을 구한 후, 이를 바탕으로 CT영상에서 얻은 3차원 형상에서 편미분 방정식을 풀어 조영제 분포를 구한다. 그리고 이를 CT영상의 HU분포와 비교하여 그 계산의 정확성 및 유효성 여부를 평가한다.In this technique, we proposed a method based on contrast agent simulation to confirm coronary artery hemodynamics and accuracy of CT-FFR calculations. In this method, two prior art simulations are first required and the distribution of the contrast agent is predicted based on this. First, the temporal distribution of the contrast agent in the aortic and cardiac peripheral blood vessels is predicted using the central parameter method of the patient-specific contrast agent. Second, the temporal change of the blood flow velocity is obtained in the same way as the conventional FFR calculation for the three-dimensional shape obtained by segmenting the CT image of the actual patient. After obtaining these two conditions, the partial differential equation is solved in the 3D shape obtained from the CT image to obtain the contrast agent distribution. And compares it with the HU distribution of the CT image to evaluate the accuracy and validity of the calculation.

이 방법은 도 3에 나타난 것과 같은 절차를 통해서 이루어진다. 먼저 CT영상에서 환자의 3차원 관상동맥을 추출하여 FFR을 계산한다. 이 계산에서 얻은 속도분포를 조영제의 시뮬레이션에 활용하여 조영제의 3차원 관상동맥 형상에서 농도분포를 얻는다. 그리고 이 농도분포의 패턴이 CT이미지에서 밝기 패턴과 일치하는지를 조사하여 그 정확도 여부를 판단한다. 이것을 바탕으로 FFR 계산결과를 진단에서 사용할 것인지 배제할 것인지를 결정한다. 배제하는 경우에는 다시 segmentation하여 재계산하는 방법과 그 케이스를 그냥 포기하는 2가지 방법이 있다.This method is performed through a procedure as shown in FIG. First, calculate the FFR by extracting the patient's 3-dimensional coronary artery from the CT image. The velocity distribution obtained from this calculation is used for the simulation of the contrast agent to obtain the concentration distribution in the 3D coronary artery shape of the contrast agent. Then, it is determined whether or not the pattern of the concentration distribution matches the brightness pattern in the CT image to determine whether the pattern is accurate or not. Based on this, we decide whether to use FFR calculation results in diagnosis or not. In the case of exclusion, there are two ways to recompute by re-segmentation and give up the case.

도 3에 나타난 절차 중 제일 먼저 시행하는 것은 환자의 CT영상에서 관상동맥의 형상을 추출하는 과정이다. 여기에서는 이미 잘 알려진 active contour method를 사용하여 관상동맥 혈관 내강의 표면(surface)를 얻게 된다. 그리고 이 혈관형상 내강(lumen)의 전체 체적을 사면체의 격자들로서 채운다(tetrahedral grid generation). 그리고 이 영역에 대하여 Shim 등에 의해 기술된 바와 같은 전산유체역학(CFD, computational fluid dynamics)와 말초혈관에 대한 집중식 파라미터 모델(LPM, lumped parameter model)이 결합된 형태의 혈류역학 simulation을 수행한다. 이때, flow조건은 FFR 계산에서와 같은 충혈상태(hyperemia)가 아니라 정상적인 상태에 대해서 이루어진다. 여기에서 시간에 따른 속도 등과 같은 유동조건들이 계산된다. 그리고 이 값들은 조영제 시뮬레이션 계산에 활용된다. 조영제 분포에 대한 시뮬레이션은 다음과 같은 방정식을 해석하는 것으로서, 유한요소법을 사용하여 푼다.The first procedure among the procedures shown in FIG. 3 is to extract the shape of the coronary artery from the CT image of the patient. Here we use the well-known active contour method to obtain the surface of the coronary artery lumen. And the entire volume of this vessel lumen is filled with tetrahedral grid generation. Then, a hemodynamic simulation is performed in which a computational fluid dynamics (CFD) as described by Shim et al. And a lumped parameter model (LPM) for peripheral blood vessels are combined. At this time, the flow condition is made for the normal state, not the hyperemia as in the FFR calculation. Here, flow conditions such as speed with time are calculated. These values are then used in the contrast agent simulation calculation. The simulation of the contrast distribution is an analysis of the following equation, which is solved using the finite element method.

Figure pat00001
Figure pat00001

위의 수학식 1에서 좌측의 첫 번째 항은 시간변화량, 두 번째 항은 convection 항, 그리고 우측항은 여기에서 c는 조영제의 농도를 나타내는 변수이며, t는 시간, x, y, z는 cartesian coordinate의 좌표계, u, v, w는 각각 x, y, z방향으로의 속도를 의미한다. D는 조영제의 diffusion coefficient를 나타낸다. 위 식의 시간 미분에 대해서 Euler method를 적용하고, 미리 계산된 속도를 사용하면 다음과 같은 방정식이 나온다.In equation (1), the first term on the left is the time variation, the second term is the convection term, and the right term is the variable representing the concentration of the contrast agent, t is the time, x, y, z is the cartesian coordinate , U, v, and w denote the velocities in the x, y, and z directions, respectively. D represents the diffusion coefficient of the contrast agent. The Euler method is applied to the time derivative of the above equation, and the following equation is obtained using the previously calculated velocity.

Figure pat00002
Figure pat00002

위의 수학식 2에서 상첨자 n+1n은 time step index를 나타내고, t는 time step간의 interval을 의미한다. 위의 수학식 2에 대해 유한요소 방정식을 유도하기 위하여 weighted residual method과 Galerkin방법을 사용하면 다음과 같은 Matrix식이 유도되며, 이것을 각 시간에 대해서 풀면 조영제의 시간/공간적 분포를 알 수 있다.In the above equation (2), superscripts n + 1 and n represent a time step index, and t represents an interval between time steps. Using the weighted residual method and the Galerkin method to derive the finite element equations for Equation (2), the following matrix equation is derived and the time / spatial distribution of the contrast agent can be determined by solving the equation for each time.

Figure pat00003
Figure pat00003

위의 수학식 3에서 하첨자의 notation은 일반적인 텐서형식을 따른다. 위의 수학식 3에서 A ij 는 coefficient matrix, F i 는 forcing vector로서, 모두 이전 time step인 c i 의 값에 따라 변하는 함수로서 다음과 같이 표현된다.In equation (3) above, the subscript notation follows the normal tensor format. In Equation (3), A ij is a coefficient matrix and F i is a forcing vector, all of which are expressed as a function that varies according to the value of the previous time step c i .

Figure pat00004
Figure pat00004

Figure pat00005
Figure pat00005

위의 유한요소 방정식에서 N i 는 i번째 노드에서의 interpolation function을 의미한다.In the above finite element equations, N i denotes the interpolation function at the ith node.

도 4는 CT촬영 시, 조영제의 분포에 따라서 CT이미지 상의 밝기(intensity)가 달라질 수 있다. 실제로 CT촬영을 할 때 혈관의 높은 대조도를 위해 조영제를 그림에서와 같이 팔 정맥을 통해 주입하게 된다. 조영제는 혈액보다 높은 intensity로 표현되기 때문에 진단할 혈관의 모양을 보다 명확히 구분하게 해준다. 그러나 조영제는 혈액과 함께 흐르기 때문에 협착 부위로 인해 혈류량(blood flow rate)이 감소하는 경우 조영제의 분포가 줄어들 수 있고, 혈관의 뒤쪽으로 갈수록 조영제 농도가 옅어져 기존의 혈관모양이 왜곡되게 판단될 가능성이 있다(그림 5). 4, the intensity of a CT image may vary depending on the distribution of a contrast agent during a CT scan. In fact, when performing a CT scan, the contrast agent is injected through the arm vein as shown in the figure for a high contrast of the blood vessel. Because the contrast agent is expressed at a higher intensity than the blood, it allows a clearer identification of the shape of the blood vessel to be diagnosed. However, because the contrast medium flows with the blood, the distribution of the contrast agent may decrease when the blood flow rate decreases due to the stenosis site, and the concentration of the contrast agent becomes thinner toward the back of the blood vessel, (Figure 5).

실제로 Choi 등의 연구에 따르면 협착이 심할수록 조영제의 농도가 협착 이후에서 줄어들며, 이로 인하여 CT밝기의 구배변화를 정량화하는 TAG(transluminal attenuation gradient)값이 커진다. 이러한 CT의 TAG값으로부터 역으로 협착 정도를 파악하려는 기술도 Choi 등에 의하여 제시되었다. 도 6은 조영제 분포를 유한요소법으로 계산한 예로서 수학식 3을 푼 것이다. 여기에서는 outlet에서는 일정한 값으로 설정한 매우 간단한 방식으로 해석하였다. 그러나 실제적인 조영제 분포를 계산하기 위해서는 전신의 조영제 농도에 대한 집중식 파라미터 모델(LPM, lumped parameter model)과 결합되어야 한다. 즉, Kim 등과 Shim 등에 의해 제안된 것처럼 FFR 시뮬레이션을 위해서는 3차원 관상동맥에 대한 CFD모델과 심장말초혈관에 대한 LPM모델이 필요하였다. 이와 유사하게 조영제 분포의 정확한 해석을 위해서는 조영제에 대한 3차원 모델과 말초혈관에서의 조영제 분포에 대한 LPM모델이 결합되어야 한다.In fact, according to a study by Choi et al., The greater the stenosis, the lower the concentration of contrast agent after stenosis, which increases the TAG (transluminal attenuation gradient) value that quantifies the gradient of CT brightness. Choi et al. Also proposed a technique to infer the degree of stenosis from the TAG value of CT. Fig. 6 is an example of calculating the contrast agent distribution by the finite element method. In this example, the outlet is interpreted in a very simple way with a certain value. However, in order to calculate the actual contrast distribution, it should be combined with a lumped parameter model (LPM) for contrast concentration of the whole body. That is, as suggested by Kim et al. And Shim et al., For the FFR simulation, the CFD model for the 3-dimensional coronary artery and the LPM model for the cardiac peripheral blood vessel were required. Similarly, for an accurate interpretation of the contrast agent distribution, the three-dimensional model for the contrast agent and the LPM model for the contrast agent distribution in the peripheral blood vessel should be combined.

수학식 3에 표현된 조영제 분포에 대한 유한요소식을 풀기 위해서는 3차원 관상동맥의 입구 및 출구에서 경계조건이 필요하다. 이를 위해서는 전신에 대한 조영제 분포의 LPM모델이 필요하다. 이것은 Bae 등에 의해 제시된 방법을 기초로 한다. 이 모델은 개인의 특징(키, 체중)에 따른 전체 순환계에서 조영제 거동을 잘 기술할 수 있으며, single & two compartment model이다. 여기에서 모델을 이용한 해석 데이터가 기존의 실험 데이터를 잘 기술할 수 있도록 permeability factor(PS), conversion factor for enhancement(조영제의 농도를 CT밝기의 단위인 H.U.로 전환하는 factor) 등과 같은 parameter tuning이 필요하다. Parameter tuning이 성공적으로 수행되면 coronary의 regional flow에 대한 해석을 수행할 수 있도록 환자의 실제 혈관 구조에 따라 coronary를 세분하여 모델링하고, 이로부터 수학식 3에 필요한 outlet 경계조건을 얻게 된다. In order to solve the finite element of the contrast agent distribution expressed in Equation (3), a boundary condition is required at the entrance and exit of the 3-dimensional coronary artery. This requires an LPM model of contrast distribution for the whole body. This is based on the method presented by Bae et al. This model can describe the contrast agent behavior in the entire circulatory system according to individual characteristics (height, weight) and is a single & two compartment model. Here, parameter tuning such as permeability factor (PS) and conversion factor for enhancement (factor that converts the concentration of the contrast agent to HU, which is the unit of CT brightness) is needed to describe the existing experimental data well. Do. If the parameter tuning is successfully performed, the coronary is modeled according to the actual vessel structure of the patient so that the analysis of the regional flow of the coronary can be performed, and then the outlet boundary condition required for the equation (3) is obtained.

도 7은 Bae 등에 의해 제시된 바 있는 인체 전신에서의 조영제 분포에 대한 LPM모델의 개략도이다. 여기에서 둥근 타원은 혈관계를 그리고 그 안에 있는 숫자는 혈관의 체적을 의미한다. 그리고 타원과 타원 사이의 선위에 표기된 숫자는 그 혈관계 사이의 혈류량(단위: ml)을 나타낸다. 그리고 네모의 숫자는 해당 조직의 체적(단위: ml)을 의미한다. 본 특허에서는 관상동맥계(coronary)를 오른 쪽에 표시된 CFD모델로 대치한다. 즉, FFR 시뮬레이션과 유사하게 3차원 조영제 모델과 이의 출구경계조건을 모사하기 위한 도 7과 같은 LPM모델을 결합하여 해석한다. 즉, 이와 같은 조영제 + LPM 연계 시뮬레이션을 통하여 조영제를 구하고, 이를 관상동맥 가지에서 CT밝기(H.U.: Hounsfield unit로 표기)로 변환한 다음 실제 CT영상의 밝기와 비교한다. 이를 통하여 segmentation된 영상이 실제형상을 제대로 반영한 것인지를 판단한다. 만약, 실제와 다르다고 판단될 경우, 다시 재계산하거나 혹은 신뢰할 수 없는 데이터로 처리하여 제외한다.FIG. 7 is a schematic diagram of an LPM model of contrast agent distribution in the human whole body as presented by Bae et al. Here, the round ellipse refers to the blood vessel system, and the numbers in it indicate the volume of the blood vessel. And the number on the line between the ellipse and the ellipse represents the blood flow (unit: ml) between the vascular systems. And the number of squares means the volume of the tissue (unit: ml). In this patent, the coronary artery is replaced with the CFD model shown on the right. That is, the LPM model shown in FIG. 7 for simulating the 3D contrast agent model and the exit boundary condition thereof is combined and analyzed in a manner similar to the FFR simulation. In other words, the contrast agent is obtained through this contrast agent + LPM linkage simulation, and it is converted into the CT brightness (HU: Hounsfield unit) in the coronary artery branch and compared with the brightness of the actual CT image. Through this, it is judged whether or not the segmented image properly reflects the actual shape. If it is judged to be different from the actual one, it is recalculated again or processed as unreliable data and excluded.

앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 실시예들은, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
The embodiments of the present invention described above and shown in the drawings should not be construed as limiting the technical idea of the present invention. The scope of protection of the present invention is limited only by the matters described in the claims, and those skilled in the art will be able to modify the technical idea of the present invention in various forms. Accordingly, such improvements and modifications will fall within the scope of the present invention as long as they are obvious to those skilled in the art.

Claims (2)

환자의 복수의 관상동맥 이미지를 포함하는 이미지 데이타를 컴퓨터 시스템에 입력하는 단계와,
상기 컴퓨터 시스템을 이용하여, 상기 입력된 이미지 데이타를 처리하여, 상기 복수의 관상 동맥의 적어도 일부분을 포함하는 해부학적 구조를 나타내는 3차원 모델을 생성하는 단계와,
상기 컴퓨터 시스템을 이용하여, 상기 생성된 해부학적 구조를 나타내는 3차원 모델의 해부학적 구조에 대하여 혈류 역학 시뮬레이션을 수행하여, 3차원 모델에서의 혈류 유동 정보를 구하는 단계와,
상기 컴퓨터 시스템을 이용하여, 상기 혈류 유동 정보를 기반으로 3차원 모델에 대한 조영제 가상 분포를 구하는 단계와,
상기 컴퓨터 시스템을 이용하여, 상기 3차원 모델에 대한 조영제 가상 분포와 관상동맥 이미지 데이타의 실제 조영제 분포를 비교하는 단계와,
상기 컴퓨터 시스템을 이용하여, 조영제 가상 분포와 조영제 실제 분포의 차이가 정해진 범위 이내 인가를 판단하는 단계를 포함하는 관상 동맥의 3차원 모델링 검증 방법.
Inputting image data including a plurality of coronary artery images of a patient to a computer system,
Processing the input image data using the computer system to generate a three-dimensional model representing an anatomical structure including at least a portion of the plurality of coronary arteries;
Performing hemodynamic simulation on the anatomical structure of the three-dimensional model representing the generated anatomical structure using the computer system to obtain blood flow information in the three-dimensional model;
Obtaining a virtual agent distribution of a contrast agent for a three-dimensional model based on the blood flow information using the computer system;
Comparing the actual contrast agent distribution of the contrast agent virtual distribution and the coronary artery image data for the three-dimensional model using the computer system;
Using the computer system to determine whether the difference between the virtual distribution of the contrast agent and the actual distribution of the contrast agent is within a predetermined range.
제1항에 있어서,
상기 조영제 가상 분포와 조영제 실제 분포를 비교하는 단계는, 가상 조영제 분포를 CT 밝기로 변환하는 단계를 포함하고, 가상 조영제 분포와 실제 조영제 분포의 비교는 각각의 분포에 대응하는 CT 밝기를 비교하는 관상 동맥의 3차원 모델링 검증 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of comparing the virtual distribution of the contrast agent with the actual distribution of the contrast agent comprises the step of converting the virtual contrast agent distribution to the CT brightness and wherein the comparison of the virtual contrast agent distribution and the actual contrast agent distribution comprises comparing the CT brightness corresponding to each distribution, Three dimensional modeling verification method of arteries.
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