基于CFD仿真的分叉血管压力差及FFR的快速计算方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于CFD仿真的分叉血管压力差的快速计算方法，包括：接收一段有分叉血管的几何参数和几何模型，该血管包括近端终点和远端终点，所述几何参数包括第一几何参数、第二几何参数、第三几何参数；接收该分叉血管段近端终点处的入口血流量及血流压力；基于所述第一几何参数、第二几何参数、第三几何参数以及第一位置的位置数据计算该血管第一位置处的参考管腔直径；基于所述几何模型和近端终点处入口血流量及血流压力，利用计算流体力学(CFD)仿真得到所述几何模型上的压力分布；基于所述第一几何参数和第三几何参数，利用压力校正公式对上述压力分布进行校正，计算获得所述血管近端终点处的第一血流压力和第一位置处的第二血流压力之间的压力差数值ΔP。

Rapid calculation method and system of bifurcation vessel pressure difference and FFR based on CFD simulation

The invention discloses a fast calculation method of bifurcation of differential pressure based on CFD simulation includes: receiving a geometric parameters and geometric model of branching vessels, including the proximal and distal vascular end point end point, the geometric parameters of geometric parameters, including the first chapter with respect to geometric parameters, geometric parameters of receiving the third; the blood vessel segments proximal to the entrance end point of blood flow and blood pressure; reference tube cavity diameter of the first second geometric parameters, geometric parameters and geometric parameters of the first and third position data at a first position of the vessel based on the geometric model; and the proximal end point at the entrance of blood flow and blood pressure based on the use of the computational fluid dynamics (CFD) simulation to obtain the geometric model of the pressure distribution; the first third geometric parameters and geometric parameters based on the use of pressure correction The formula corrects the pressure distribution above and calculates the pressure difference value P of the first blood pressure at the proximal end of the vessel and the second blood pressure at the first position.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术应用于医疗领域，尤其涉及应用在基于影像修正计算机流体力学(CFD)仿真得到的血管压力差及FFR的快速计算方法及系统。
技术介绍
常规心血管成像技术如冠状动脉X射线造影、冠状动脉CT造影，以及腔内成像技术等，可对冠状动脉解剖进行成像，显示血管的损伤部位与损伤范围，但对于确定损伤是否造成缺血以及定位犯罪血管存在一定的局限性。血流储备分数FFR可以弥补上述影像技术的不足，优化缺血性心脏病的诊断与犯罪血管的选择，减少不必要的支架植入，且提高患者的长期治疗疗效，已成为临床上评价缺血性心脏病的金标准。FFR可以由心外膜冠状动脉狭窄存在的情况下最大心肌血流量除以血管正常时的最大血流量得到。在最大充血情况下，血流量的比值可以用压力值来代替，因此，利用一个对压力敏感的冠脉导管，在最大充血情况下，FFR可以通过冠脉远端狭窄处的压力(Pd)和血液动力学压力传感器得到的大动脉压力(Pa)相比计算得到。压力导丝引导的FFR是冠脉狭窄的血液动力学重要指标，但是存在一些局限性，比如有些病人在注入腺苷时反应不适，且压力导丝造价太高。在现有技术中，在如公开号为CN102905614A的专利文献，则采用了介入式的方式，通过采集压力及速度，以积分方式计算FFR值；又如公开号为CN103829933A的专利文献中，通过将两个压力传感(压力传感器1和压力传感器2)介入人体血管中，分别测量两个压力传感器的数值，根据这两个压力传感器测量数值的压力差，来判断这两个压力传感器之间是否出现血管狭窄，并通过阈值设置，将测量结果报送医生诊断；在又如公开号为WO2010033971A1的专利文献中，同样采用了植入传感器的方式，计算FFR值。上述方式均通过介入式获取FFR值，适用范围有限，且给病人带来了较大的痛苦。而在通过几何参数等方式的现有技术中，例如公开号为US20150268039A1的专利文献，通过设置不同位置处的直径等几何参数的方式，来计算某段血管近端和远端的FFR。此外，涂圣贤等人提出了一种新的计算血流储备分数(FFR)的计算机模型。首先利用三维定量冠脉造影(QCA)得到血管的几何模型，利用三维QCA和TIMI数帧法得到充血状态下的平均血流量，把充血状态下的平均血流量和导管测得的平均血流压力当做计算流体力学仿真的入口边界条件，求解流体力学方程得到FFR的计算值。另外，Taylor等人将计算机流体力学应用于计算机断层扫描冠状动脉造影(CTA)，得到计算FFR的非侵入式方法。利用CTA得到的冠脉解剖数据，包括血管供应心肌的体积与质量等，估计出最大冠脉血流量，模拟出血管下游微循环阻力，作为计算流体力学仿真的边界条件进行流体方程求解，获得FFR的计算值。上述现有的技术尽管从不同角度、不同计算方法中给出了确定血管压降的方法，但其仍具有至少以下一种或多个技术缺陷：(1)采用压力导丝介入血管采集血管的有关几何参数，成本高昂，且给病人带来身体损害；(2)采用单一尺度计算方法，尽管可以获得常规血管狭窄情况下的压降情况，但却无法正确区分评估不同程度(如局限性和弥漫性病变并存的血管)狭窄下几何参数改变对血流压力的不同影响。(3)根据冠脉造影或CT重建的几何模型进行计算机流体力学(CFD)仿真，计算复杂度高，计算量大，耗时长。(4)依赖于人为评估病变的尺寸，如病变长度，具有很大的主观性和误差，尤其是弥漫性病变。(5)需要利用腺苷诱导冠脉最大充血来计算充血血流速度，操作复杂且加大病人的痛苦。(6)需要对病变血管的分支都进行三维重建，工作量大；(7)在血管具有分叉的情况下，由于参考管腔面积的变化，不能准确计算FFR。因此需要提供一种准确的血管压降快速计算方法，其能够克服上述部分或全部技术缺陷，快速准确地计算FFR数值。在血管重建过程中，对于评估分叉狭窄严重性是一个经常遇到的问题，主要是难以确定分叉中心的血管参考管腔，从而影响了从近端主血管到远端血管的狭窄的综合分析。涂圣贤等人提出了建立一种新的模型，利用大量弯曲椭圆平面来测量分叉中心，从而解决了确定分叉中心狭窄严重性的不明确问题，但是精确度仍然受到限制。一般在CFD仿真重建血管时需要考虑到所有分叉的情况，从而需要很繁重的工作量，难以达到快速计算FFR的作用，如果在CFD仿真时只考虑单支主血管的情况，忽略其他小分叉，计算得到的压力会不准确，从而影响到FFR的准确性。因此，需要通过单支稳态CFD仿真快速计算压力分布，利用参考管腔直径对压力分布进行校正，准确计算含有分叉的血管的血流储备分数。
技术实现思路
有鉴于此，在本专利技术的一个实施例中，提供了一种基于CFD仿真的分叉血管压力差的快速计算方法，包括：接收一段有分叉血管的几何参数和几何模型，该血管包括近端终点和远端终点，所述几何参数包括第一几何参数，代表该血管段近端横截面的面积或直径；第二几何参数，代表该血管段远端横截面的面积或直径；第三几何参数，代表该血管段位于近端终点和远端终点之间的第一位置的横截面面积或直径；优选的，所述几何模型是基于冠脉影像对分叉血管的主支进行三维重建后血管解剖结构，该血管解剖结构为管腔面积或直径；接收该分叉血管段近端终点处的入口血流量及血流压力；基于所述第一几何参数、第二几何参数、第三几何参数以及第一位置的位置数据计算该血管第一位置处的参考管腔直径；所述第一位置的位置数据是第一位置到血管近端终点之间的距离；基于所述几何模型和近端终点处入口血流量及血流压力，利用计算流体力学(CFD)仿真得到所述几何模型上的压力分布；基于所述第一几何参数和第三几何参数，利用压力校正公式对上述压力分布进行校正，计算获得所述血管近端终点处的第一血流压力和第一位置处的第二血流压力之间的压力差数值ΔP。优选的，所述方法进一步还包括：以近端终点为参考平面(记作第0平面)，根据冠脉影像的最大分辨率，对上述几何模型沿主支方向进行划分，分别记作第1平面，第2平面，...，远端终点为第n平面，所述n为大于1的自然数值。优选的，所述方法进一步还包括：所述CFD仿真是稳态血流仿真，设置入口边界条件为近端终点处入口血流量及血流压力，出口边界条件为充分发展的流动；基于所述CFD稳态仿真，计算主支血管第i个平面上的平血血流压力值Pi。优选的，所述方法进一步还包括：以近端终点为参考点，根据第一几何参数、第二几何参数，以及血管段上某点到参考点的距离x，计算出参考管腔直径函数；所述参考管腔直径函数用于代表该段血管不同位置上的参考管腔直径随着该位置到参考点的距离x变化的函数；优选的，计算参考管腔直径函数包括对血管段的从血管段近端终点到远端终点范围内的位置参数进行线性归一化处理。优选的，所述方法进一步还包括：基于上述参考管腔直径函数，计算第i个平面处主支的参考管腔直径，记作Di。其中i＝0,1,...,n。优选的，所述方法进一步还包括：根据第i个平面的参考管腔直径Di、平均血流压力值Pi，血管段近端横截面的直径D0以及近端终点处入口血流压力P0，对第i个平面的平均血流压力Pi进行校正，得到校正后第i个平面的压力值Pi'；所述压力校正公式为：i＝1,2,...,n。优选的，所述方法进一步还包括：利用所述校正后的压力值Pi'，可计算获得第i平面位置的血流压力和和近端终点处入口血流压力P0的压力差。同时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于CFD仿真的分叉血管压力差的快速计算方法，包括：接收一段有分叉血管的几何参数和几何模型，该血管包括近端终点和远端终点，所述几何参数包括第一几何参数，代表该血管段近端横截面的面积或直径；第二几何参数，代表该血管段远端横截面的面积或直径；第三几何参数，代表该血管段位于近端终点和远端终点之间的第一位置的横截面面积或直径；优选的，所述几何模型是基于冠脉影像对分叉血管的主支进行三维重建后的血管解剖结构，该血管解剖结构为官腔面积或者直径；接收该分叉血管段近端终点处的入口血流量及血流压力；基于所述第一几何参数、第二几何参数、第三几何参数以及第一位置的位置数据计算该血管第一位置处的参考管腔直径；所述第一位置的位置数据是第一位置到血管近端终点之间的距离；基于所述几何模型和近端终点处入口血流量及血流压力，利用计算流体力学(CFD)仿真得到所述几何模型上的压力分布；基于所述第一几何参数和第三几何参数，利用压力校正公式对上述压力分布进行校正，计算获得所述血管近端终点处的第一血流压力和第一位置处的第二血流压力之间的压力差数值ΔP。

【技术特征摘要】
1.一种基于CFD仿真的分叉血管压力差的快速计算方法，包括：接收一段有分叉血管的几何参数和几何模型，该血管包括近端终点和远端终点，所述几何参数包括第一几何参数，代表该血管段近端横截面的面积或直径；第二几何参数，代表该血管段远端横截面的面积或直径；第三几何参数，代表该血管段位于近端终点和远端终点之间的第一位置的横截面面积或直径；优选的，所述几何模型是基于冠脉影像对分叉血管的主支进行三维重建后的血管解剖结构，该血管解剖结构为官腔面积或者直径；接收该分叉血管段近端终点处的入口血流量及血流压力；基于所述第一几何参数、第二几何参数、第三几何参数以及第一位置的位置数据计算该血管第一位置处的参考管腔直径；所述第一位置的位置数据是第一位置到血管近端终点之间的距离；基于所述几何模型和近端终点处入口血流量及血流压力，利用计算流体力学(CFD)仿真得到所述几何模型上的压力分布；基于所述第一几何参数和第三几何参数，利用压力校正公式对上述压力分布进行校正，计算获得所述血管近端终点处的第一血流压力和第一位置处的第二血流压力之间的压力差数值ΔP。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步还包括：以近端终点为参考平面(记作第0平面)，根据冠脉影像的最大分辨率，对上述几何模型沿主支方向进行划分，分别记作第1平面，第2平面，...，远端终点为第n平面，所述n为大于1的自然数值。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法进一步还包括：所述CFD仿真是稳态血流仿真，设置入口边界条件为近端终点处入口血流量及血流压力，出口边界条件为充分发展的流动；基于所述CFD稳态仿真，计算主支血管第i个平面上的平均血流压力值Pi。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法进一步还包括：以近端终点为参考点，根据第一几何参数、第二几何参数，以及血管段上某点到参考点的距离x，计算出参考管腔直径函数；所述参考管腔直径函数用于代表该段血管不同位置上的参考管腔直径随着该位置到参考点的距离x变化的函数；优选的，计算参考管腔直径函数包括对血管段的从血管段近端终点到远端终点范围内的位置参数进行线性归一化处理。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法进一步还包括：基于上述参考管腔直径函数，计算第i个平面处主支的参考管腔直径，记作Di。其中i＝0,1,...,n。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法进一步还包括：根据第i个平面的参考管腔直径Di、平均血流压力值Pi，血管段近端横截面的直径D0以及近端终点处入口血流压力P0，对第i个平面的平均血流压力Pi进行校正，得到校正后第i个平面的压力值Pi'；所述压力校正公式为：Pi′-P0=(Pi-P0)*(DiD0)2]]>i＝1,2,...,n。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法进一步还包括：利用所述校正后的压力值Pi'，可计算获得第i平面位置的血流压力和和近端终点处入口血流压力P0的压力差。8.一种基于CFD仿真的分叉血管FFR的快速计算方法，包括：接收一段有分叉血管的几何参数和几何模型，该血管包括近端终点和远端终点，所述几何参数包括第一几何参数，代表该血管段近端横截面的面积或直径；第二几何参数，代表该血管段远端横截面的面积或直径；第三几何参数，代表该血管段位于近端终点和远端终点之间的第一位置的横截面面积或直径；优选的，所述几何模型是基于冠脉影像对分叉血管的主支进行三维重建后的血管解剖结构，所述血管解剖结构为管腔面积或直径；接收该分叉血管段近端终点处的入口充血血流量及血流压力；所述入口充血血流量是该分叉血管在最大充血状态下的血流量；基于所述第一几何参数、第二几何参数、第三几何参数以及第一位置的位置数据计算该血管第一位置处的参考管腔直径；所述第一位置的位置数据是第一位置到血管近端终点之间的距离；基于所述几何模型和近端终点处入口充血血流量及血流压力，利用稳态计算流体力学(CFD)仿真得到所述几何模型上的压力分布；基于所述第一几何参数和第三几何参数，利用压力校正公式对上述压力分布进行校正，计算获得所述血管近端终点处的第一血流压力和第一位置处的第二血流压力之间的比值，即为血流储备分数。9.一种基于CFD仿真的分叉血管压力差的快速计算系统，该系统包括：几何数据获取模块，用于获得血管的几何参数和几何模型，该血管包括近端终点和远端终点，所述几何参数包括第一几何参数，代表该血管段近端横截面的面积或直径；第二几何参数，代表该血管段远端横截面的面积或直径；第三几何参数，代表...

【专利技术属性】
技术研发人员：涂圣贤，张义敏，楚淼，陈树湛，
申请(专利权)人：博动医学影像科技上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31