对冠脉循环进行多尺度的解剖学和功能建模的方法和系统技术方案

公开了一种用于冠脉循环的多尺度解剖学和功能建模的方法和系统。根据患者的医学图像数据生成冠状动脉和心脏的患者特定的解剖学建模。冠脉循环的多尺度功能模型是基于患者特定的解剖学模型生成的。在至少一个冠状动脉的至少一个狭窄区域中利用冠脉循环的多尺度功能模型来模拟血流。计算血液动力学参量、例如血流储备分数(FFR)以确定狭窄的功能评估，并且利用冠脉循环的多尺度功能模型进行实际的介入模拟，以用于决策支持和介入规划。

Methods and systems for multi-scale anatomical and functional modeling of coronary circulation

【技术实现步骤摘要】
对冠脉循环进行多尺度的解剖学和功能建模的方法和系统本申请是申请日为2012年11月12日、申请号为201280066658.1、专利技术名称为“用于对冠脉循环进行多尺度的解剖学和功能建模的方法和系统”的专利技术专利申请的分案申请。本申请要求在2012年11月10日提交的美国临时申请61/557935的权益，其公开内容通过引用包含于此。
本专利技术涉及对冠脉循环进行解剖学和功能建模，并且更确切而言，涉及针对冠心病诊断和介入规划对冠脉循环进行多尺度的解剖学和功能建模。
技术介绍
心血管疾病(CVD)在世界范围内是首要致死原因。在各种CVD中，冠心病(CAD)导致这些死亡中的近50％。尽管在医学成像和其它诊断模态中有显著进步，但是对于CAD患者来说在过早发病和死亡率方面的增长还是非常高的。一个原因是缺乏对于疾病的诊断和发展的精确的体内和体外患者特定的估计。例如，在冠脉狭窄情况下，如在诊断图像中看到那样对解剖学结构的精确估计(即，冠脉中狭窄的数量)会在很大程度上低估或高估堵塞的严重性。对于这种堵塞的功能评估，重要的是包含从多个尺度上来自血液动力学和细胞机构的多面信息。在复杂模型中包含这样的多尺度信息在过去由于高计算需求而是困难的。
技术实现思路
本专利技术提供了用于对冠脉循环进行多尺度的解剖学和功能建模的方法和系统。本方面的实施例有效地包含冠脉循环解剖学结构的全阶和降阶子模型。本专利技术的实施例提供了带有对健康和有病血管中的冠脉循环的高度预测力的、患者特定的多尺度计算模型。本专利技术的实施例进一步通过影响(leveraging)计算模型以创建特定治疗介入来提供基于虚拟介入的规划，从而改进冠心病的临床管理。在本专利技术的一个实施例中，根据患者的医学图像数据生成冠状动脉和心脏的患者特定的解剖学模型。基于该患者特定的解剖学模型生成冠脉循环的多尺度功能模型。利用冠脉循环的多尺度功能模型在至少一个冠状动脉的至少一个狭窄区域中模拟血流。附图说明本专利技术的这些和其它优点将通过参考下面的详细描述和附图而对于本领域技术人员是显然的。图1是冠心病的图示；图2示出了根据本专利技术的一个实施例对冠脉循环进行建模、对冠心病进行评估和进行介入规划的方法；图3示出了根据本专利技术的一个实施例的多尺度建模方法的纵览；图4是示出了冠脉自身调节(coronaryautoregulation)的图；图5示出了根据高帧率容积超声图像对心肌机械结构进行估计；图6示出了对左心室心肌机械结构进行估计；图7示出了对容积流量进行自动量化；图8示出了用于冠状血管提取和冠脉狭窄的解剖学评估的示例性医学图像处理软件；图9示出了虚拟介入规划的示例；以及图10是能够实施本专利技术的计算机的高等级模块图。具体实施方式本专利技术涉及利用医学图像数据对冠脉循环进行多尺度的解剖学和功能建模。在此描述本专利技术的实施例以给出对冠脉循环进行建模的方法的视觉理解。数字图像通常由一个或多个对象(或形状)的数字表示构成。对象的数字表示通常在此在识别和操纵对象方面被描述。这种操作是在计算机系统的存储器或其它电路/硬件中实现的虚拟操作。从而，应理解的是可以利用存储在计算机系统内的数据在计算机系统内执行本专利技术的实施例。本专利技术的实施例提供了具有对健康和有病血管中的冠脉循环的高预测力的、患者特定的多尺度计算模型。这种计算模型以下面的部件来实现：全面地建模冠脉循环中的解剖学、血液动力学和细胞的现象；与用于先进患者特定计算的现有技术心脏模型进行有效的多尺度耦合；以及确定功能参数和血液动力学参量，诸如血流储备分数(FFR)、冠脉血流储备(CFR)、创伤严重指数等，以用于冠脉狭窄的诊断和评估。通过影响计算模型以便创建特定治疗介入，本专利技术的实施例还提供基于虚拟介入的规划，以便改进冠心病的临床管理。这种虚拟介入规划在使用计算模型的情况下利用基于模拟的用于介入规划的方法(虚拟支架、血管成形术和冠状动脉搭桥术(CABG))来实现。这种实施例引起预测性的、全面的多尺度模型，其不仅能用于分析冠心病的解剖学和功能方面，而且能用于对于诊断和介入规划两者改进的临床管理。图1是冠心病的图示。如在图1中所示，冠心病的特征在于由于在冠脉内形成斑块而使得血管变窄，其导致对于心肌降低的氧气供给。随着时间，后果会是严重的，造成绞痛、心肌梗塞、中风或死亡。冠心病的功能重要性不能仅通过观察血管的变窄而被观察到，并且相关于诸如流速和压力的不同的血流特性。当前的临床实践包括用于合适评估这些参量的侵入性测量。在本专利技术的有利实施例中，可以首先通过经由不同的成像技术获得与冠状动脉的几何结构有关的详细信息和然后通过关于表示患者特定的几何结构的模型执行血流计算来避免与这些介入相关的风险。此外，这些模型不仅允许避免侵入式测量，而且允许通过模拟不同场景(血管造形术、搭支架、搭桥术)改进治疗规划并且因此而改进患者结局评价。最近，已经报告了基于计算流体动力学(CFD)的血流模拟，并且相对于(通过超声、MRI、CT等获得的)患者特定的数据进行了验证。这种模型良好地适于器官水平分析，但是不能说明复杂的多尺度现象，其对于为了介入规划而获得全面的预测模型(在每个尺度上)是关键的。在开发用于临床设定的应用时另一挑战是降低计算复杂度，从而可以在合理的时间量中获得结果并且该结果可以被有效地应用于临床实践。因为冠状血管供给心肌，所以所述冠状血管被强烈地耦合至心脏并且耦合至心脏的尤其在微血管上执行的机械动作。因此，为了执行生理上精确的计算，关键的是精确地嵌入由心脏施加在冠状血管上的效果。此外，冠心病的发展有关于细胞水平上(在血管的内皮层上)发生的现象。细胞水平模型的包含允许追踪斑块淀积的发展和其在由对应的心外膜血管供给的微血管床上逐渐增大的效果。这示出，可靠评估有病血管的功能重要性需要复杂的设置，其不能仅通过血流计算来获得，而是在此描述的模型有效地考虑所有方面。另一方面是，为了增加这些模型的产出率和为了能够诊断增大数目的患者，需要优化多尺度模型的运行时间。为了解决该问题，需要有效地耦合这样的策略，这些策略显著降低运行时间，而并不在模型物理上折衷。该问题在本专利技术的实施例中通过借助均衡模型复杂度和运行时间来有效利用和耦合全阶和降阶模型而被处理。在确定心外膜狭窄的功能意义之后，解剖学和功能模型将被用于模拟不同介入的效果，所述介入可以改进患者的健康状态。可以通过虚拟地降低来自狭窄的阻塞来对球囊扩张(ballooninflation)进行建模。(以来自不同生产商的支架)进行虚拟支架植入，随后执行耦合的流动分析，这将实现分析对于血管树内的波传播造成的效果和其对血液动力学变量的影响。在一些情况下，典型地进行冠状动脉搭桥术(CABG)。利用不同的起点和终点引入这种邻接血管也可以在这些模型内被模拟；因此，可以在介入之前确定最合适的选项。图2示出了根据本专利技术的一个实施例对冠脉循环进行建模、评估冠心病和规划介入的方法。在步骤202，接收患者的医学图像数据。可以接收来自一个或多个成像模态的医学图像数据。例如，医学图像数据可以包括计算机断层成像(CT)、DynaCT、磁共振(MR)、血管造影术、超声、单光子发射计算机断层成像(SPECT)和任意其它类型的医学成像模态。医学图像数据可以是2D、3D或4D(3D+时间)医学图像数据。可以直接从诸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种方法，包括：根据患者的医学图像数据生成冠状动脉和心脏的患者特定的解剖学模型；基于所述患者特定的解剖学模型生成冠脉循环的多尺度功能模型；以及利用所述冠脉循环的多尺度功能模型模拟至少一个冠状动脉的至少一个狭窄区域中的血流。

【技术特征摘要】
2011.11.10 US 61/557,935;2012.11.09 US 13/672,7811.一种方法，包括：根据患者的医学图像数据生成冠状动脉和心脏的患者特定的解剖学模型；基于所述患者特定的解剖学模型生成冠脉循环的多尺度功能模型；以及利用所述冠脉循环的多尺度功能模型模拟至少一个冠状动脉的至少一个狭窄区域中的血流。2.根据权利要求1所述的方法，其中，根据患者的医学图像数据生成冠状动脉和心脏的患者特定的解剖学模型包括：根据4D医学图像数据生成所述冠状动脉的4D几何模型；以及根据所述4D医学图像数据生成所述心脏的4D解剖学模型。3.根据权利要求2所述的方法，其中，根据4D医学图像数据生成冠状动脉的4D几何模型包括：在所述4D医学图像数据的多个帧的每个中分割所述冠状动脉；以及在所述4D医学图像数据的多个帧的每个中生成所分割的冠状动脉的几何表面模型。4.根据权利要求2所述的方法，其中，根据所述4D医学图像数据生成心脏的4D解剖学模型包括：在所述4D医学图像数据的多个帧中的每个中提取多个心脏部件的每个的单个模型；以及通过建立所述单个模型之间的网点对应来集成所述多个心脏部件的在所述4D医学图像数据的所述多个帧的每个中的各个模型。5.根据权利要求1所述的方法，其中，基于患者特定的解剖学模型生成冠脉循环的多尺度功能模型包括：生成冠状动脉中的一个或多个狭窄区域的每个的3D计算模型；生成所述管状动脉和心脏的非狭窄区域的1D计算模型；以及利用0D集总模型代表微血管。6.根据权利要求5所述的方法，其中，各个狭窄区域的3D计算模型是刚性壁3D模型，并且在各个狭窄区域的3D计算模型和冠状动脉的邻接于各个狭窄区域的非狭窄区域的1D计算模型之间的0D接口模型集中所述狭窄区域的顺应性。7.根据权利要求5所述的方法，其中，基于患者特定的解剖学模型生成冠脉循环的多尺度功能模型还包括：生成用于患者的血管树的结构化树模型。8.根据权利要求5所述的方法，其中，基于患者特定的解剖学模型生成冠脉循环的多尺度功能模型还包括：根据心脏的全阶解剖学和血液动力学模型生成心脏的降阶模型。9.根据权利要求8所述的方法，其中，根据心脏的全阶解剖学和血液动力学模型生成心脏的降阶模型包括：基于心脏的解剖学和血液动力学模型估计一个或多个心脏部件的动作和机械参数；以及基于所述一个或多个心脏部件的动作和机械参数确定用于计算流体动力学模拟的边界条件。10.根据权利要求1所述的方法，其中，利用冠脉循环的多尺度功能模型模拟在至少一个冠状动脉的至少一个狭窄区域中的血流包括：基于根据冠状动脉和心脏的解剖学模型确定的边界条件，利用冠脉循环的多尺度模型模拟所述至少一个狭窄区域中的血流。11.根据权利要求5所述的方法，其中，利用冠脉循环的多尺度功能模型模拟在至少一个冠状动脉的至少一个狭窄区域中的血流包括：在各个狭窄区域的3D计算模型和所述1D计算模型中进行计算流体动力学(CFD)模拟；以及将各个狭窄区域的3D计算模型、所述1D计算模型和所述0D集总模型耦合。12.根据权利要求11所述的方法，其中，将各个狭窄区域的3D计算模型、所述1D计算模型和所述0D集总模型耦合包括：通过耦合代表至心脏模型的左心室的主动脉的1D计算模型来取得系统树模型的流入边界条件。13.根据权利要求11所述的方法，其中，将各个狭窄区域的3D计算模型、所述1D计算模型和所述0D集总模型耦合包括：利用从所述医学图像数据提取的3D应变图来将代表心脏收缩的影响的边界条件施加在心外膜冠状血管的1D计算模型上。14.根据权利要求11所述的方法，其中，将各个狭窄区域的3D计算模型、所述1D计算模型和所述0D集总模型耦合包括：利用所述0D集总模型确定基于冠状血管的位置应用于冠状血管的1D计算模型的细胞外压力。15.根据权利要求11所述的方法，其中，将各个狭窄区域的3D计算模型、所述1D计算模型和所述0D集总模型耦合包括：经由壁剪切应力项将所述1D计算模型耦合至所述0D集总模型。16.根据权利要求11所述的方法，其中，将各个狭窄区域的3D计算模型、所述1D计算模型和所述0D集总模型耦合包括：利用0D接口模型将所述3D计算模型耦合至邻接的1D计算模型。17.根据权利要求1所述的方法，还包括：基于所模拟的流经所述至少一个狭窄区域的血流计算血液动力学参量以确定所述至少一个狭窄区域的功能意义。18.根据权利要求17所述的方法，其中，基于所模拟的流经所述至少一个狭窄区域的血流计算血液动力学参量以确定所述至少一个狭窄区域的功能意义包括：基于流经所述至少一个狭窄区域的计算血流来计算所述至少一个狭窄区域的血流储备分数(FFR)。19.根据权利要求1所述的方法，还包括：利用冠脉循环的多尺度功能模型模拟在至少一个狭窄区域中的虚拟介入。20.根据权利要求19所述的方法，其中，利用冠脉循环的多尺度功能模型模拟在至少一个狭窄区域中的虚拟介入包括：通过虚拟地减小来自所述冠脉循环的多尺度功能模型中的所述至少一个狭窄区域的堵塞和重新模拟流经所述至少一个狭窄区域的血流，来模拟球囊扩张。21.根据权利要求19所述的方法，利用冠脉循环的多尺度功能模型模拟在至少一个狭窄区域中的虚拟介入包...

【专利技术属性】
技术研发人员：P沙玛，LM伊图，B乔治斯库，V米哈勒夫，A卡门，D科马尼西亚，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：美国,US