【技术实现步骤摘要】
基于FFR拟合的冠脉狭窄血流动力学模拟方法及系统
[0001]本专利技术公开一种基于FFR拟合的冠脉狭窄血流动力学模拟方法及系统，属于血流动力学数值模拟领域。
技术介绍
[0002]现有技术对心脑血管内血液流动进行血流动力学数值分析，主要集中于冠脉狭窄血管的内皮细胞在不同流场和其他物理因素作用下、在不同作用时间内受到的破坏和改变，这些研究为探索该病症形成和发展的病理机制提供了丰富的理论依据，但是现有技术缺少基于冠状动脉狭窄的血液流动分析的血流动力学因素分析，模拟误差大。
[0003]现有技术CN202010033909公开一种基于零维血流动力学模型的FFR快速计算系统模型；所述系统包括:构建个性化零维血流动力学模型，狭窄阻力理论计算模型，确定狭窄阻力，FFR模型。静息状态下，通过冠脉后负荷和包括心脏在内的其他模型参数个性化零维模型。充血状态下，将阻力模型输出的狭窄阻力作为零维模型的输入，影响零维模型冠脉各分支的流量分配，再将零维模型输出的狭窄分支流量作为阻力模型的输入，重新计算狭窄阻力。两个模型如此反复迭代直到流量与...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于FFR拟合的冠脉狭窄血流动力学模拟方法，其特征在于，具体包括以下步骤：S1，建立冠脉狭窄个体化三维模型，基于三角网格顶点特征分解法对冠脉狭窄个体化三维模型进行平滑优化处理，采用曲面离散映射法对血管模型进行网格化处理，获得网格化平滑冠脉狭窄三维模型；S2，获得临床FFR实测数据，对FFR实测数据进行拟合，加载到网格化平滑冠脉狭窄三维模型的入口边界，量化心动周期内的冠脉狭窄远端压力和主动脉压力输入；S3，添加时间轴进行血流模拟计算，量化计算血管内任意点及心动周期内任意时刻的血流动力学参数。2.根据权利要求1所述的一种基于FFR拟合的冠脉狭窄血流动力学模拟方法，其特征在于，步骤S1具体包括以下步骤：步骤S101，获取影像数据；根据心电图获取有效相对静止的心脏时，基于快照冻结获得冠状动脉狭窄患者胸部增强CT医学DICOM格式图像；步骤S102，建立冠脉狭窄个体化三维模型；根据人体图像特征，将冠状动脉狭窄患者胸部增强CT医学DICOM格式图像剔除肌肉、软组织、空气和钙化成分，保留冠脉血管；根据冠状动脉相连的主动脉确定冠状动脉位置；使用多阈值适应性算法分割出目标血管，利用图像灰度特征分别计算出主动脉、左右冠脉所属的初始HU值区间，通过多次筛选目标血管部位HU值区间，将CT医学DICOM格式图像生成若干个独立阈值区间，得到分割掩膜像，基于分割掩膜像建立图像三视图，图像三视图包括横断位图像、矢状位图像和冠状位图像，在横断位图像上勾勒冠状动脉边缘，结合冠状位图像和矢状位图像，完成冠状动脉的提取，生成冠脉狭窄个体化三维模型；步骤S103，对冠脉狭窄个体化三维模型进行平滑处理，具体包括以下步骤：将冠脉狭窄个体化三维模型表面划分为三角网格，三角网格用于模拟复杂物体的表面，三角网格包括顶点、边和面三要素；将构建的冠脉狭窄个体化三维模型中三角网格的某一个顶点P为中心，取所有与其相邻的顶点P1
…
Pn
‑
1和边组成的一阶邻域结构，n表示三角网格的顶点个数，将每个顶点都移动到相邻顶点的平均位置，在冠脉狭窄个体化三维模型的平滑处理中设置法线平滑和顶点拟合的迭代次数和平滑因子，获取平滑后的冠脉狭窄个体化三维模型，定义获取平滑后的冠脉狭窄个体化三维模型为平滑冠脉狭窄三维模型；步骤S104，对平滑冠脉狭窄三维模型进行曲面网格划分：对平滑冠脉狭窄三维模型的冠状动脉连续体进行离散处理，利用几何单元逼近，基于变形协调条件完成有限元网格划分，输出曲面网格划分后的平滑冠脉狭窄三维模型。3.根据权利要求2所述的一种基于FFR拟合的冠脉狭窄血流动力学模拟方法，其特征在于，有限元网格划分采用曲面离散映射法，曲面离散映射法划分网格的过程具体包括以下步骤：根据平滑冠脉狭窄三维模型的边界函数，采用映射矩阵，将边界映射到二维参数空间，在二维参数空间中对所选定的冠状动脉分支区域进行网格划分，将二维参数反向映射到物理空间形成曲面网格。
4.根据权利要求1所述的一种基于FFR拟合的冠脉狭窄血流动力学模拟方法，其特征在于，步骤S2具体包括以下步骤：步骤S201，获取临床患者FFR实测数据，FFR实测数据包括冠脉狭窄远端压力和主动脉压力的实测值，P
c
‑
d
表示第d个时刻的冠脉狭窄远端压力，P
a
‑
d
表示第d个时刻的主动脉压；步骤S202，将实测冠脉狭窄远端压力和主动脉压进行曲线拟合，获得一个心动周期内不同入口边界条件下的流量曲线；步骤S203，设置血液密度，根据冠脉狭窄程度设定各个患者的血液粘稠度；将FFR拟合后数据作为冠脉周期脉动血流压力载入血管入口边界，出口设置为各患者FFR中拟合后的冠脉狭窄远端压力的周期平均值，实现血流心动周期性实际压差。5.根据权利要求4所述的一种基于FFR拟合的冠脉狭窄血流动力学模拟方法，其特征在于，步骤S202具体包括以下步骤：S202
‑
1，对冠脉狭窄远端压力进行拟合，获得拟合后的冠脉狭窄远端压力；基于预测的FFR线性模型函数对冠脉狭窄远端压力进行拟合；以采样的血流时刻为横坐标，横坐标为d，d＝1，2
…
D,d表示采样时刻，D表示采样数量，以实测的冠脉狭窄远端压力为纵坐标；拟合输出一个心动周期内冠脉狭窄远端压力曲线，动脉血流冠脉狭窄远端压力的预测值为；f(P
c
‑
(d+1)
)＝ω1P
c
‑1+ω2P
c
‑2+
…
ω
d
P
c
‑
d
+b
(1)
ω
d
表示基于FFR线性模型函数对冠脉狭窄远端压力进行拟合时多项式拟合的第d个系数，ω
d
属于常数，b表示常数项；式(1)为冠脉狭窄远端压力的FFR线性模型函数，f(P
c
‑
(d+1)
)表示第d+1个采样时刻冠脉狭窄远端压力的预测值；冠脉狭窄远端压力的FFR线性模型函数输出预测的冠脉狭窄远端压力，预测的冠脉狭窄远端压力和冠脉狭窄远端压力的实测值构成损失函数，通过最小化损失函数求解ω和b并评估函数；f(P
c
‑
(d+1)
)＝ω
T
X
Pc
+b
ꢀꢀ
(2)式(2)为冠脉狭窄远端压力的FFR线性模型函数的向量表示，其中ω为向量系数；ω为ω1、ω2…
ω
d
的向量表示，ω
T
表示ω的转置；X
Pc
是FFR线性模型函数的中P
c
‑1、P
c
‑2…
P
c
‑
d
以行向量形式表示；令f(x
i
)＝f(P
c
‑
d
)，y
i
＝P
c
‑
d
，i＝1,2
…
d
…
D；f(P
c
‑
d
)表示第d个采样时刻冠脉狭窄远端压力的预测值；式(3)为冠脉狭窄远端压力的损失函数，用于衡量预测值f(x
i
)与实测值y
i
的差值，其中b
*
为b的偏置，ω
*
为ω向量的参数矩阵；
式(4)对两个参数ω和b求偏导，令式(4)等于0得到ω和b的最优解；b为函数FFR线性模型函数的参数，b
*
为参数b的偏置项；为参数b的偏置项；i表示采样序号，i∈[1，D]；表示x1、x2…
x
D
的均值；式(5)和(6)分别为ω和b的最优解；计算出ω和b的最优解后，代入公式(1)，计算输出拟合后的冠脉狭窄远端压力；S202
‑
2，对主动脉压进行拟合，获得拟合后的主动脉压；利用预测的FFR线性模型函数对测量好的主动脉压进行拟合；以采样的血流时刻为横坐标，横坐标为d，d＝1，2
…
D,d表示采样时刻，D表示采样数量，以实测的主动脉压为纵坐标；拟合输出的是一个心动周期内主动脉压曲线，输出动脉血流实时主动脉压为；f(P
a
‑
(d+1)
)＝ω
a1
P
a
‑1+ω
a2
P
a
‑2+
…
ω
ad
P
a
‑
d
+b
a (7)式(7)中，ω
ad
表示基于FFR线性模型函数对主动脉压进行拟合时多项式拟合的第d个系数，ω
ad
属于常数，b
a
表示常数项；式(7)为主动脉压的FFR线性模型函数，f(P
a
‑
(d+1)
)表示第d+1个采样时刻主动脉压的预测值；主动脉压的FFR线性模型函数输出预测的主动脉压，预测的主动脉压和主动脉压的实测值构成损失函数，通过最小化损失函数求解ω
a
和b
a
并评估函数；f(P
a
‑
(d+1)
)＝ω
aT
X
Pa
+b
a
ꢀꢀ
(8)；式(8)为主动脉压的FFR线性模型函数的向量表示，其中ω
a
为向量；ω
a
为ω
a1
、ω
a2
…
ω
ad
的向量表示，ω
aT
表示ω
a
的转置；X
Pa
是预测线性模型函数的中P
a
‑1、P
a
‑2…
P
a
‑
d
以行向量形式表示；令x
i
＝f(P
a
‑
d
)，y
i
＝P
a
‑
d
，i＝1,2
…
d
…
D；(9)f(P
a
‑
d
)表示第d个采样时刻主动脉压的预测值；式(9)为损失函数，用于衡量预测值f(x
i
)与实测值y
i
的差值，其中b
a*
为b
a
的偏置，ω
a*
为ω
a
向量的参数矩阵；向量的参数矩阵；式(10)对两个参数ω
a
和b
a
求偏导，令式(10)等于0得到ω
a
和b
a
的最优解；b
a
为函数f(x)
的参数，b
*a
为参数b
a
的偏置项；的偏置项；i表示采样序号，i∈[0，D]，D为样本容量；式(11)、(12)为ω
a
和b
a
的最优解；计算出ω
a
和b
a
的最优解后，代入公式(7)，计算输出拟合后的主动脉压。6.根据权利要求1所述的一种基于FFR拟合的冠脉狭窄血流动力学模拟方法，其特征在于，步骤S3计算具体包括以下步骤：步骤S301，在所述血流心动周期性实际压差条件下，通过单向流体渗流Stokes方程仿真冠脉血流流动，仿真计算结果包括血流动力学参量心动周期内全过程演变；血流动力学参量包括瞬时流量、血管层流断面平均流速、湍流强度和血管壁面剪切应力；单向流体渗流Stokes方程为：单向流体渗流Stokes方程为：通过stokes方程求得u；其中P指血管内血流总体压力；μ为血流粘度系数；u为血流速度向量；F为体积力向量；ρ为固定常量血流密度，T为绝对温度293.15K；I表示单位矩阵，是梯度算子；是对血流速度求梯度，是指向速度标量场增长最快的方向；指表示梯度算子点乘u函数；是将u表示为各方向上的矢量和；步骤S302，血流动力学参数包括瞬时流量、血管层流断面平均流速、湍流强度和血管壁面剪切应力；在血管内取一个半径为r、长度为L的圆柱形流体段；1)瞬时流量Q：K为稠度系数，L为血液流过的流体段长度，n为流变指数，R为血管内径；Δp＝2Lτ/r，其中τ为血管壁面剪切应力，r为流体段半径，Δp为血流流过流体段压差；2)血管层流断面平均流速V：
其中V为血管层流断面平均流速，μ
m
为收缩期峰值时刻速度；3)湍流强度B；B＝0.16*Re
‑
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ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)B为湍流强度；R
e
为雷诺数；4)血管壁面剪切应力τ：其中R为血管内径，
γ
代表血管横截面上任意点到圆心的距离，当
γ
＝R时计算WSS。7.一种基于FFR拟合的冠脉狭窄血流动力学模拟系统，其特征在于，具体包括模型建立单元、拟合单元和动力学参数计算单元；模型建立单元建立冠脉狭窄个体化三维模型，基于三角网格顶点特征分解法对冠脉狭窄个体化三维模型进行平滑优化处理，采用曲面离散映射法对血管模型进行网格化处理，获...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵英红，吴美静，陆晔，王慧慧，唐慧，唐璐，
申请(专利权)人：徐州医科大学，
类型：发明
国别省市：
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