跨尺度心脏灌注数字仿真方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种跨尺度心脏灌注数字仿真方法及装置，其中，方法包括，获取患者的冠脉CT造影图像，对冠脉CT造影图像进行分割处理，得到主动脉信息和心外膜冠状动脉信息，据主动脉信息和心外膜冠状动脉信息构建冠脉血管树并生成中微血管网络，通过纳维

【技术实现步骤摘要】
跨尺度心脏灌注数字仿真方法及装置


[0001]本申请涉及医学影像数据处理
，具体涉及一种跨尺度心脏灌注数字仿真方法及装置。

技术介绍

[0002]在现有技术中，心血管疾病是全球人群健康的首要死亡因素，造成了巨大的健康负担，心肌灌注显像是诊断心血管疾病患者心肌缺血准确且循证医学证据最充分的无创检查方法，是评估患者预后的重要预测指标，导致量化患者中微血管及微循环状态可为心血管疾病诊断提供重要新的理论指导；
[0003]然而，目前对心脏微循环的评估多为定性结果且多为侵入性，临床普及率差，亟需开发评价冠状动脉微血管及微循环的无创成像技术辅助理论研究及临床诊疗，但心脏灌注模型包括冠脉灌注模型和心肌灌注模型，心肌灌注模型由于其动态的过程导致其微循环尺度难以量化，使得冠脉灌注模型无法和心肌灌注模型直接耦合，无法有效的生成高精确匹的对应配患者特异性的心脏灌注模型。

技术实现思路

[0004]本申请实施例提供一种跨尺度心脏灌注数字仿真方法及装置，至少能保证，本申请方案通过纳维
‑
斯托克斯方程模拟所述冠脉血管树中的血流信息生成冠脉灌注模型，通过三维多室Darcy模型模拟心肌模型内的血流信息得到心肌灌注模型，进而对所述冠脉灌注模型和所述心肌灌注模型进行迭代耦合处理，克服微循环尺度难以量化的问题，得到跨尺度整体心脏灌注模型，并根据患者数据进行优化，得到患者特异性的心脏灌注模型，生成的高精度的心脏灌注模型，可以有效辅助本领域技术人员的理论研究及临床诊疗。
[0005]第一方面，本申请实施例提供了一种跨尺度心脏灌注数字仿真方法，所述方法包括：
[0006]获取患者的冠脉CT造影图像；
[0007]对冠脉CT造影图像进行分割处理，得到主动脉信息和心外膜冠状动脉信息；
[0008]根据所述主动脉信息和所述心外膜冠状动脉信息构建冠脉血管树，并根据所述冠脉血管树生成对应的中微血管网络；
[0009]通过纳维
‑
斯托克斯方程模拟所述冠脉血管树中的血流信息生成冠脉灌注模型；
[0010]通过三维多室Darcy模型模拟心肌模型内的血流信息得到心肌灌注模型；
[0011]根据所述冠脉灌注模型和所述心肌灌注模型的参数信息，对所述冠脉灌注模型和所述心肌灌注模型进行迭代耦合处理，得到跨尺度整体心脏灌注模型；
[0012]获取患者的PET/CT数据，根据所述PET/CT数据对所述跨尺度整体心脏灌注模型中关键心血管参数进行退火法优化处理，得到患者特异性的心脏灌注模型。
[0013]在一些实施例中，根据所述主动脉信息和所述心外膜冠状动脉信息构建冠脉血管树，并根据所述冠脉血管树生成对应的中微血管网络，包括：
[0014]根据所述主动脉信息和所述心外膜冠状动脉信息构建冠脉血管树；
[0015]根据患者的分支模式在所述冠脉血管树中的下游动脉树根处生成多个血管合成树；
[0016]根据目标血流量扩展所述合成树并构建所述中微血管网络。
[0017]在一些实施例中，所述通过纳维
‑
斯托克斯方程模拟所述冠脉血管树中的血流信息生成冠脉灌注模型，包括：根据所述纳维
‑
斯托克斯方程得到第一方程组以模拟血流信息，所述冠脉血管树中的血流信息包括血流流速Q、血流压力p、血管横截面面积S、血流密度ρ和运动粘度v，所述第一方程组为：
[0018][0019]其中，z为纳维
‑
斯托克斯方程中的中心线的坐标，α是几何关系参数；
[0020]根据休息期条件和充盈期条件的参数化处理过程模拟所述冠脉血管树的休息期和充盈期状态，并根据休息期和充盈期状态更新所述几何关系参数α，求解所述第一方程组，以生成所述冠脉灌注模型。
[0021]在一些实施例中，所述休息期条件的参数化处理过程包括，
[0022]根据左心室心肌血流量V
LVγ
获得心肌总基线流量其中符合第二公式：其中，γ和为经验系数；
[0023]根据所述冠脉血管树中的终端段半径r
T,i
和终末节数量n
term
对终端段血流进行初始化处理，其过程满足以下第三公式：
[0024]所述充盈期条件的参数化处理过程包括，
[0025]根据休息期的心肌总基线流量模拟充盈期的心肌总基线流量
[0026]根据初始化的终端段血流得到休息期的终端段血流并模拟充盈期的终端段流量
[0027]在一些实施例中，所述通过三维多室Darcy模型模拟心肌模型内的血流信息得到心肌灌注模型，包括：
[0028]通过三维多室Darcy模型生成第八公式，以模拟心肌模型内的血流信息，所述心肌模型内的血流信息，所述第八公式如下：
[0029]其中K为渗透率张量，为达西速度，p为毛细管床压力、p
source
和p
sink
分别为血流进入和流出的压力，β
source
和β
sink
分别为血流进入和流出心肌的电导参数；
[0030]在β
source
和β
sink
为常数的情况下，使为常数的情况下，使其中，V
LV
为心肌体积，Q
tot
为心肌总血流量，为所有源项的平均压力，为目标平均毛细管压力,为参考压力。
[0031]在一些实施例中，根据所述冠脉灌注模型和所述心肌灌注模型的参数信息，对所述冠脉灌注模型和所述心肌灌注模型进行迭代耦合处理，得到跨尺度整体心脏灌注模型，包括：
[0032]在所述冠脉灌注模型的终端段出口处与所述心肌灌注模型耦合；
[0033]进行K次耦合迭代，并更新所述参数信息，所述参数信息包括血流进入压力和终端段出口流量并满足以下公式：以得到跨尺度整体心脏灌注模型。
[0034]在一些实施例中，根据所述PET/CT数据对所述跨尺度整体心脏灌注模型中关键心血管参数进行退火法优化处理，得到患者特异性的心脏灌注模型，包括：
[0035]根据PET/CT数据和所述跨尺度整体心脏灌注模型确定目标函数和敏感参数；
[0036]设置模拟退火法的配置参数，并根据所述配置参数对敏感参数进行迭代优化；
[0037]对迭代优化过程中更新的敏感参数进行目标函数的计算并进行比较，得到目标函数结果；
[0038]在所述目标函数结果小于配置参数中容差的情况下，得到患者特异性的心脏灌注模型。
[0039]第二方面，本申请实施例提供了一种跨尺度心脏灌注数字仿真装置，所述装置包括图像获取模块、图像分割模块、血管生成模块、冠脉灌注模型生成模块、心肌灌注模型生成模块、模型耦合模块和模型优化模块，
[0040]所述图像获取模块，用于获取患者的冠脉CT造影图像；
[0041]所述图像分割模块，用于对冠脉CT造影图像进行分割处理，得到主动脉信息和心外膜冠状动脉信息；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种跨尺度心脏灌注数字仿真方法，其特征在于，所述方法包括：获取患者的冠脉CT造影图像；对冠脉CT造影图像进行分割处理，得到主动脉信息和心外膜冠状动脉信息；根据所述主动脉信息和所述心外膜冠状动脉信息构建冠脉血管树，并根据所述冠脉血管树生成对应的中微血管网络；通过纳维
‑
斯托克斯方程模拟所述冠脉血管树中的血流信息生成冠脉灌注模型；通过三维多室Darcy模型模拟心肌模型内的血流信息得到心肌灌注模型；根据所述冠脉灌注模型和所述心肌灌注模型的参数信息，对所述冠脉灌注模型和所述心肌灌注模型进行迭代耦合处理，得到跨尺度整体心脏灌注模型；获取患者的PET/CT数据，根据所述PET/CT数据对所述跨尺度整体心脏灌注模型中关键心血管参数进行退火法优化处理，得到患者特异性的心脏灌注模型。2.根据权利要求1所述的跨尺度心脏灌注数字仿真方法，其特征在于，根据所述主动脉信息和所述心外膜冠状动脉信息构建冠脉血管树，并根据所述冠脉血管树生成对应的中微血管网络，包括：根据所述主动脉信息和所述心外膜冠状动脉信息构建冠脉血管树；根据患者的分支模式在所述冠脉血管树中的下游动脉树根处生成多个血管合成树；根据目标血流量扩展所述合成树并构建所述中微血管网络。3.根据权利要求1所述的跨尺度心脏灌注数字仿真方法，其特征在于，所述通过纳维
‑
斯托克斯方程模拟所述冠脉血管树中的血流信息生成冠脉灌注模型，包括：根据所述纳维
‑
斯托克斯方程得到第一方程组以模拟血流信息，所述冠脉血管树中的血流信息包括血流流速Q、血流压力p、血管横截面面积S、血流密度ρ和运动粘度v，所述第一方程组为：其中，z为纳维
‑
斯托克斯方程中的中心线的坐标，α是几何关系参数；根据休息期条件和充盈期条件的参数化处理过程模拟所述冠脉血管树的休息期和充盈期状态，并根据休息期和充盈期状态更新所述几何关系参数α，求解所述第一方程组，以生成所述冠脉灌注模型。4.根据权利要求3所述的跨尺度心脏灌注数字仿真方法，其特征在于，所述休息期条件的参数化处理过程包括，根据左心室心肌血流量V
LVγ
获得心肌总基线流量其中符合第二公式：其中，γ和为经验系数；根据所述冠脉血管树中的终端段半径r
T,i
和终末节数量n
term
对终端段血流进行初始化处理，其过程满足以下第三公式：
所述充盈期条件的参数化处理过程包括，根据休息期的心肌总基线流量模拟充盈期的心肌总基线流量is the terminal segment radius根据初始化的终端段血流得到休息期的终端段血流并模拟充盈期的终端段流量5.根据权利要求1所述的跨尺度心脏灌注数字仿真方法，其特征在于，所述通过三维多室Darcy模型模拟心肌模型内的血流信息得到心肌灌注模型，包括：通过三维多室Darcy模型生成第八公式，以模拟心肌模型内的血流信息，所述心肌模型内的血流信息，所述第八公式如下：其中K为渗透率张量，为达西速度，p为毛细管床压力、p
source
和p
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【专利技术属性】
技术研发人员：李丹彤，彭晓婷，梁会营，
申请(专利权)人：广东省人民医院，
类型：发明
国别省市：