冠状动脉微循环血流动力学仿真分析方法及装置

摘要

本发明公开了一种冠状动脉微循环血流动力学仿真分析方法及装置，包括以下步骤：1)获取对象的冠状动脉CT血管造影图像；2)基于对象特定的冠状动脉CT血管造影图像，进行冠状动脉三维重建，得到对象相应的冠状动脉三维几何模型；3)对所述的冠状动脉三维几何模型进行网格划分及边界条件设定；4)实测冠状动脉全部或部分分支IMR值，根据对象实测IMR值对上述边界条件进行修正；5)对所述的冠状动脉三维几何模型进行血流动力学仿真分析，计算和可视化所述的冠状动脉三维几何模型的血流速度分布和压力分布，实现对象整个冠状动脉微循环系统全面展示。本发明将IMR值与计算流体力学相结合，降低了有创手术的医疗风险和手术成本。

说明书

技术领域

本发明涉及血流动力学仿真分析领域，具体地说是一种冠状动脉微循环血流动力学仿真分析方法和系统。

背景技术

临床上评估冠状动脉微循环状态的方法主要分为无创和有创两类。无创评估主要是通过经胸多普勒超声心动图、单光子发射计算机断层扫描、心肌磁共振成像等方法，但以上无创评估方法受操作者水平、设备分辨率及技术手段本身的影响较大，难以准确评估微循环状态。

利用压力导丝有创测量微循环阻力指数(Index ofMicrocirculatoryResistance,IMR)可以定量评估冠状动脉微循环阻力，不易受血流动力学变化的影响，具有重复性好、特异性强、可靠性高等优点，成为临床上评估冠脉微循环疾病的金标准。

目前临床主要使用的压力导丝离末端3cm处有压力感受器和温敏感受器，在导丝体部有另一温敏感受器。导丝送达心外膜冠脉远端，记录压力感受器读数(Pd)。通过指引导管注射室温生理盐水，根据热稀释曲线记录液体两温敏感受器之间的时间(T)，Pd与T的乘积即IMR。IMR测量操作较为复杂，临床上一般仅测量某一支血管相应的IMR，即使测量多支血管的IMR，也难以对对象整个冠状动脉微循环系统进行全面评估。

发明内容

有鉴于此，本发明针对上述现有技术存在的对整个冠状动脉微循环系统状态全面评估困难的问题，提供了一种冠状动脉微循环血流动力学仿真分析方法及装置。

第一方面，一种冠状动脉微循环血流动力学仿真分析方法，包括以下步骤：

1)获取对象的冠状动脉CT血管造影图像；

2)基于对象特定的冠状动脉CT血管造影图像，进行冠状动脉三维重建，得到对象相应的冠状动脉三维几何模型；

3)对所述的冠状动脉三维几何模型进行网格划分及边界条件设定；

4)实测冠状动脉全部或部分分支IMR值，根据对象实测IMR值对上述边界条件进行修正；

5)对所述的冠状动脉三维几何模型进行血流动力学仿真分析，计算和可视化所述的冠状动脉三维几何模型的血流速度分布和压力分布，实现对象整个冠状动脉微循环系统全面展示。

采用以上方法，本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)本发明将IMR值与计算流体力学相结合，通过边界条件校正实现对对象特定的冠状动脉微循环系统的血流动力学仿真；

(2)本发明采用的冠状动脉血流动力学仿真方法，能直观地表征冠状动脉的流速和压力分布，同时非侵入性地测量流速、压力、冠脉血流储备、壁剪切应力等血流动力学参数，降低了有创手术的医疗风险和手术成本；

(3)本发明实现的对象特定的冠状动脉微循环系统的血流动力学模拟，将对解释冠状动脉微循环变化对血流流量、压力、FFR等血流动力学参数的影响提供帮助，有利于从流体力学和冠脉生理角度研究冠状动脉微循环障碍对心肌缺血的贡献。

作为改进，在步骤2)中，冠状动脉三维重建包括：左冠状动脉三维几何结构从左冠状动脉入口开始，延伸至左前降支(LAD)和左回旋支(LCX)的分支远端；右冠状动脉三维几何结构从右冠状动脉入口开始，延伸至右冠状动脉(RCA)的分支远端。识别和分析心外膜狭窄及斑块，确定冠状动脉的真实管腔边界，得到冠状动脉三维几何模型。

作为改进，在步骤2)和3)之间，即获得对象特定的冠状动脉三维几何模型后，网格划分之前，对对象特定的冠状动脉三维几何模型进行预处理：考虑到冠状动脉CT血管造影图像的分辨率，修剪模糊或直径过小(直径<1mm)的远端分支，对局部错误拓扑结构(尖峰、空洞等)进行校正，对几何模型进行全局平滑处理，最后，垂直于局部血管中心线切割血管模型，生成冠状动脉几何模型的入口和出口，作为血流进入和离开的位置。

作为改进，在步骤3)中，网格划分和边界条件设定分别包括：进行精细网格划分，将模型离散化为非结构四面体单元；入口边界条件设置为平均主动脉压，出口边界条件设置为远端真实微循环阻力值；血管壁应用无滑动和实心壁条件。

作为改进，在步骤4)中，边界条件修正包括：

a、对于对象正常冠状动脉微循环状态，即IMR≤25mmHg·s，的模拟，根据校正的默里定律将正常微循环状态下的真实微循环阻力值分配到所有分支出口，校正的默里定律公式为：

其中，Q

b、对于对象冠状动脉微循环障碍状态，即IMR>30mmHg·s，的模拟：将微循环障碍状态下的TMR

TMR

其中，TMR为正常微循环状态下的真实微循环阻力值，λ为修正因子，TMR

修正因子λ的计算方法为对象实测IMR值与正常IMR截止值的比值，即：

其中，IMR

作为改进，在步骤5)中，血流动力学分析包括：将血液假定为不可压缩的牛顿流体，计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)建模基于不可压缩的连续性方程和Navier-Stokes方程：

其中，

第二方面，一种冠状动脉微循环血流动力学仿真分析装置，包括：处理器、存储器、触控显示器、电源；其中，存储器用于存储指令；处理器用于调用存储器中的指令，执行第一方面或第一方面中任意一种可能的实现方式；触控显示器用于冠状动脉CT血管造影图像、冠状动脉三维几何模型和血流动力学仿真分析结果显示，以及交互操作。

作为改进，所述冠状动脉微循环血流动力学仿真分析装置还包括深度学习模块，用于冠状动脉三维几何模型的网格划分，通过建立深度学习模型，实现快速、自动网格划分。

作为改进，所述冠状动脉微循环血流动力学仿真分析装置还包括5G通讯模块，用于从CT成像设备实时获取对象冠状动脉CTA图像，并在血流动力学仿真分析结束后将分析结果传回电子病历系统。

附图说明

图1为本发明冠状动脉微循环血流动力学仿真分析方法的流程图；

图2为本发明实施例中的冠状动脉CT血管造影图像；

图3为本发明实施例中的冠状动脉三维几何模型重建示意图；

图4为本发明实施例中的冠状动脉三维几何预处理模型示意图；

图5为本发明中实施例中的微循环障碍的血流动力学仿真的流速分布；

图6为本发明中实施例中的微循环障碍的血流动力学仿真的压力分布。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

如图1所示，本发明的基于微循环阻力指数的冠状动脉微循环障碍的血流动力学仿真方法，包括以下步骤：

(1)获取对象的CTA图像及IMR值：

获取对象的多层CTA扫描数据样本，CTA图像采集使用的是128层计算机断层扫描仪，设备分辨率为192*0.5mm，扫描矩阵为512*512，以DICOM形式保存CTA图像。使用0.014英寸的压力导丝测量冠状动脉远端压力P

(2)实现对象CTA图像的冠状动脉三维模型重建：

将CTA数据加载到Mimics软件中，进行对象特定的冠状动脉三维几何模型的重建。几何模型包括升主动脉、左冠状动脉主干(LMCA)、左前降支(LAD)、左回旋支(LCX)、右冠状动脉(RCA)及其它可观察到的细小分支。在可编辑的三视图界面，使用冠状动脉半自动分割工具，选取冠状动脉口处主动脉所在位置为起点，选取可观察到的左、右冠状动脉最远端分支位置为终点，沿冠状动脉血管走向自动创建血管路径，分割冠状动脉管腔。基于不同组织的CTA图像像素灰度值的差异，手动识别并分割钙化斑块，最后通过削减矩阵、轮廓要素等操作对模型进行修补，获得真实的冠状动脉三维几何模型，如图2所示。

(3)模型预处理得到高质量的冠状动脉三维几何模型：

将对象冠状动脉三维几何模型导入Geomagic Studio软件，剔除模糊或较小(直径<1mm)的远端分支，修改错误几何结构，如孔洞、钉状物、自交点、三角面等，进行全局平滑处理。之后，确定模型的出入口，垂直于局部血管中心线切割血管，得到近似为圆的、表面平坦的冠状动脉入口和出口。

(4)冠状动脉模型的网格划分及边界条件设定：

使用ANSYS软件对处理后的冠状动脉模型进行网格划分，该步骤需要完成对网格密度的依赖性检验，使用非结构化的四面体网格，全局最大单元长度定义为3mm，模型入口、出口和血管壁的最大单元长度分别定义为0.1mm，0.1mm,和0.2mm。在模型的入口和出口处分配合适的边界条件，冠状动脉入口处设置为110mmHg的平均主动脉压，冠状动脉出口设置为计算的TMR

在一个可能的实施例中，IMR的临床测量值为78mmHg·s，基于以下公式确认修正因子λ

其中，IMR

正常充血状态下的真实微循环阻力值TMR设置为6mmHg·s·mL

TMR

(5)冠状动脉模型的数值方法和CFD模拟：

使用ANSYS软件进行血流流动模拟，血液被建模为不可压缩的牛顿流体，采用不可压缩的连续性方程和和Navier-Stokes方程：

其中，

通过CFD求解连续性方程和Navier-Stokes方程，得到该冠状动脉微循环障碍模型的流速分布和压力分布，分别如图3、图4所示。

本发明实施例提供一种冠状动脉微循环血流动力学仿真分析装置，包括：处理器、存储器、触控显示器、电源；其中，存储器用于存储指令；处理器用于调用存储器中的指令，执行第一方面或第一方面中任意一种可能的实现方式；触控显示器用于冠状动脉CT血管造影图像、冠状动脉三维几何模型和血流动力学仿真分析结果显示，以及交互操作。所述冠状动脉微循环血流动力学仿真分析装置与影像归档和通信系统系统PACS通过网络进行通讯，可以实时获取对象冠状动脉CTA图像。

在一种可能的设计中，所述冠状动脉微循环血流动力学仿真分析装置还包括深度学习模块，用于冠状动脉三维几何模型的网格划分，通过建立深度学习模型，实现快速、自动网格划分。

在一种可能的设计中，所述冠状动脉微循环血流动力学仿真分析装置还包括5G通讯模块，用于从CT成像设备实时获取对象冠状动脉CTA图像，并在血流动力学仿真分析结束后将分析结果传回电子病历系统。

以上仅就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。总之，凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。