一种无创模拟患者特异性的冠状动脉FFR的系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种无创模拟患者特异性的冠状动脉FFR的系统及方法，属于生物医药技术领域。包括获取医学图像、重建个体的血管树几何模型；建立微循环血管模型并计算微循环血管阻力；建立血管树的计算流体力学模型；设置血液的物理属性以及流动方程；为计算流体力学模型设置相应的入口边界条件和出口边界条件；对计算流体力学模型进行求解，以得到血管树各处的流体参数；对三维计算流体力学模型进行求解所得到的流体参数进行后处理，得到血管树各处的血流储备分数。通过本发明专利技术替代现有的临床DSA指导下的有创FFR测量，避免不必要的冠脉造影和介入手术，降低患者的医疗风险和经济负担，节省医疗资源。节省医疗资源。

【技术实现步骤摘要】
一种无创模拟患者特异性的冠状动脉FFR的系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种无创模拟患者特异性的冠状动脉FFR的系统及方法，属于生物医药


技术介绍

[0002]现有技术中，通过数字减影血管造影(Digital subtraction angiography，DSA)指导的有创血流储备分数(Fractional Flow Reserve,FFR)测量，能够较好的反映冠状动脉功能情况，但这一方法需要腺苷负荷，且使用压力导丝，是一种有创测量技术，价格昂贵，不适合早期诊断，临床推广受阻。所以，本
亟需解决如何获得一种无创的模拟患者特异性的冠状动脉FFR的系统及方法。

技术实现思路

[0003]本专利技术要解决的技术问题之一是解决如何获得一种无创的模拟患者特异性的冠状动脉FFR的系统及方法的技术问题。
[0004]为达到解决上述问题的目的，本专利技术所采取的技术方案是提供一种无创模拟患者特异性的冠状动脉FFR的方法，包括获取医学图像、执行分割并重建个体的血管树几何模型；建立微循环血管模型并计算微循环血管阻力；为血管树的几何模型生成计算流体力学的计算网格，从而建立血管树的计算流体力学模型；设置血液的物理属性以及流动方程；为所建立的血管树的计算流体力学模型设置相应的入口边界条件和出口边界条件；基于所述入口边界条件、出口边界条件、所设置的物理属性和流动方程，对所建立的血管树的计算流体力学模型进行求解，以得到血管树各处的流体参数；对所建立的血管树的三维计算流体力学模型进行求解所得到的流体参数进行后处理，得到血管树各处的血流储备分数。
[0005]本专利技术提供根据上述的一种无创模拟患者特异性的冠状动脉FFR的方法构建的系统，包括：
[0006]血管树模型生成模块，血管树模型生成模块用于获取医学图像、执行分割并重建个体的血管树的几何模型；
[0007]微循环血管模块，微循环血管模块用于建立微循环血管模型并计算微循环血管阻力；
[0008]计算网格生成模块，计算网格生成模块用于为血管树的几何模型生成计算流体力学计算网格，从而建立血管树的计算流体力学模型；
[0009]属性设置模块，用于设置血液的物理属性以及流动方程；
[0010]边界条件设置模块，用于为所建立的所述血管树的计算流体力学模型设置相应的入口边界条件和出口边界条件；
[0011]求解器，用于基于所述入口边界条件、出口边界条件、所设置的物理属性和流动方程，对所建立的血管树的计算流体力学模型进行求解，以得到血管树各处的流体参数；
[0012]后处理模块，用于对由所述求解器对所建立的血管树的三维计算流体力学模型进
行求解所得到的流体参数进行后处理，以得到血管树各处的血流储备分数。
[0013]优选地，所述微循环血管模块中包括建立微循环血管模型，并获得血管树的各个冠脉出口所对应的微循环血管的阻力值；其中包括：
[0014]假设冠脉分叉前后血管半径之间存在以下关系：分叉前血管半径的n次方＝分叉后冠脉半径的n次方之和；
[0015](D0)
n
＝(D
11
)
n
+(D
12
)
n
＝2(D
11
)
n
；其中D0代表分叉前血管半径，D
11
、D
12
代表分叉后血管半径。
[0016]假设冠脉末端每根毛细血管供血的心肌体积相同，基于每个冠脉出口半径，按照血管分叉时的关系求出各个冠脉出口供血心肌的体积；所述求出各个冠脉出口供血心肌的体积方法如下：
[0017]确定各个冠脉出口供血心肌的体积；供血心肌的体积＝心肌体积*(该冠脉出口半径的n次方)/(所有冠脉出口半径的n次方之和)；
[0018]其中V
i
表示各个冠脉出口供血心肌体积，D
i
表示该冠脉出口半径，D
k
表示各个冠脉出口半径，V表示心肌总体积；
[0019]基于每个冠脉出口半径以及冠脉出口供血心肌体积在每个冠脉出口处生成相应的小血管树模型，血管树最小半径小于等于0.005mm；生成小血管树模型方法如下：
[0020]将冠脉供血心肌体积等效为一个球，在球的表面取一个点作为冠脉出口所在的位置，过这个点将球均分为两个半球，找到两个半球的质心分别与球面这点相连，认为这两条线段是这个冠脉出口下一次分叉后的两段血管，两段血管半径相同，分叉后血管半径＝0.5的(1/n)次方*分叉前血管半径，并且认为分叉后每根血管供血心肌体积为半球体积；判断每个分叉后的血管半径是否小于等于0.005mm，大于0.005mm的继续进行上述步骤，直至分叉后的血管半径小于等于0.005mm；
[0021]基于生成的小血管树模型和患者的血常规数据，利用泊肃叶定理和法林效应，含法林效应的逆转，计算各个冠脉出口的微循环阻力值；
[0022]所述计算各个冠脉出口的微循环阻力值方法如下：
[0023]利用泊肃叶定理计算各段血管的阻力值，其中式中的粘性系数利用法林效应进行给出，法林效应中的红细胞压积由患者血常规数据确定，利用电阻的串联并联定理计算得到各个冠脉出口的微循环阻力值。
[0024]优选地，所述分叉前血管半径的n次方＝分叉后冠脉半径的n次方之和，其中n的取值范围为2
‑
3。
[0025]优选地，所述计算网格生成模块包括建立冠脉树模型的三维CFD网格。
[0026]优选地，所述边界条件设置模块被配置为，当建立血管树的分支的三维计算流体力学模型以供求解得到流体参数时：
[0027]将血管树的分支的三维计算流体力学模型的入口边界条件设置为肱动脉血液压力，出口边界条件设置为肱动脉血液压力的70％；进行计算流体力学仿真，求解不可压缩的Navier
‑
Stokes equations(NS)方程，获得三维血管树各个出口处的血液流量；
[0028]通过冠脉入口处血液压力，冠脉出口处血液压力，各个出口的血液流量，计算冠脉入口到各个出口的等效阻力；等效阻力加上冠脉下游微血管阻力获得这个支路的总阻力；
[0029]冠脉入口处血液压力与某个支路的总阻力的比值即为修正后这个支路的血液流量；
[0030]将微循环血管的一维模型的入口边界条件设置为修正后出口处的血流量，将其出口边界条件设置为静脉压力；求解获得一维模型入口处的血液压力；
[0031]将血管树的分支的三维计算流体力学模型的出口边界条件设置为修正后的微循环血管入口处的血液压力；
[0032]计算各个冠脉修正后的出口压力，修正压力＝(上次计算出口边界的压力*19+一维模型入口处血液压力)/20。
[0033][0034][0035][0036]其中P
i
表示冠脉出口压力，R
i
表示远端阻力，Q
i*
表示通过冠脉的流量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无创模拟患者特异性的冠状动脉FFR的方法，其特征在于，包括获取医学图像、执行分割并重建个体的血管树几何模型；建立微循环血管模型并计算微循环血管阻力；为血管树的几何模型生成计算流体力学的计算网格，从而建立血管树的计算流体力学模型；设置血液的物理属性以及流动方程；为所建立的血管树的计算流体力学模型设置相应的入口边界条件和出口边界条件；基于所述入口边界条件、出口边界条件、所设置的物理属性和流动方程，对所建立的血管树的计算流体力学模型进行求解，以得到血管树各处的流体参数；对所建立的血管树的三维计算流体力学模型进行求解所得到的流体参数进行后处理，得到血管树各处的血流储备分数。2.根据权利要求1所述的一种无创模拟患者特异性的冠状动脉FFR的方法构建的系统，其特征在于，包括血管树模型生成模块，血管树模型生成模块用于获取医学图像、执行分割并重建个体的血管树的几何模型；微循环血管模块，微循环血管模块用于建立微循环血管模型并计算微循环血管阻力；计算网格生成模块，计算网格生成模块用于为血管树的几何模型生成计算流体力学计算网格，从而建立血管树的计算流体力学模型；属性设置模块，用于设置血液的物理属性以及流动方程；边界条件设置模块，用于为所建立的所述血管树的计算流体力学模型设置相应的入口边界条件和出口边界条件；求解器，用于基于所述入口边界条件、出口边界条件、所设置的物理属性和流动方程，对所建立的血管树的计算流体力学模型进行求解，以得到血管树各处的流体参数；后处理模块，用于对由所述求解器对所建立的血管树的三维计算流体力学模型进行求解所得到的所述流体参数进行后处理，以得到血管树各处的血流储备分数。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述微循环血管模块中包括建立微循环血管模型，并获得血管树的各个冠脉出口所对应的微循环血管的阻力值；其中包括：假设冠脉分叉前后血管半径之间存在以下关系：分叉前血管半径的n次方＝分叉后冠脉半径的n次方之和；假设冠脉末端每根毛细血管供血的心肌体积相同，基于每个冠脉出口半径，按照血管分叉时的关系求出各个冠脉出口供血心肌的体积；所述求出各个冠脉出口供血心肌的体积方法如下：确定各个冠脉出口供血心肌的体积；供血心肌的体积＝心肌体积*(该冠脉出口半径的n次方)/(所有冠脉出口半径的n次方之和)；基于每个冠脉出口半径以及冠脉出口供血心肌体积在每个冠脉出口处生成相应的小血管树模型，血管树最小半径小于等于0.005mm；生成小血管树模型方法如下：将冠脉供血心肌体积等效为一个球，在球的表面取一个点作为冠脉出口所在的位置，过这个点将球均分为两个半球，找到两个半球的质心分别与球面这点相连，认为这两条线段是这个冠脉出口下一次分叉后的两段血管，...

【专利技术属性】
技术研发人员：过伟锋，余龙，何玮，王盛章，沈雳，曾蒙苏，
申请(专利权)人：复旦大学附属中山医院，
类型：发明
国别省市：