【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及心脏医疗，具体涉及一种利用心脏cta图像和cfd模拟来量化与主动脉瓣狭窄相关的功能性血流动力学参数的系统和方法。
技术介绍
1、主动脉瓣狭窄是一种常见的原发性心脏瓣膜病，其典型特征是瓣膜小叶钙化，阻碍瓣膜的开闭，从而扰乱血流。主动脉瓣狭窄的主要治疗方法是经导管主动脉瓣置换术。在临床实践中，准确诊断和术前规划需要对病变的功能性血流动力学信息进行有效评估。
2、主动脉跨瓣压差是一个重要的血流动力学参数，可以反映瓣膜的狭窄程度和血流动力学状态。多普勒超声心动图是临床指南推荐的无创诊断和评估主动脉瓣狭窄严重程度的关键工具，可提供平均跨瓣压差等功能性血流动力学信息。然而，多普勒超声心动图是基于简化的伯努利方程来计算平均跨瓣压差的，该方法可能导致对平均跨瓣压差的错误估计。侵入式跨瓣压差测量方法需要在介入导管室通过导管压力测量，这种方法不仅会给患者带来痛苦，而且操作复杂、费用高。
3、随着心脏cta医学影像技术和计算机流体动力学（cfd）技术的发展，使用cfd模拟方法来定量评估跨瓣压力梯度的方法引起人们的关注。这种方法可以通过计算机模拟血流动力学过程，计算出跨瓣压力梯度等参数，具有无创和操作简便等优点。
技术实现思路
1、本专利技术旨在提供一种利用心脏cta图像和cfd模拟来量化与主动脉瓣狭窄相关的功能性血流动力学参数的系统和方法，所要解决的技术问题至少包括如何基于心脏cta图像的建模方法，将cfd模拟与心脏cta图像相结合，计算出跨瓣压力梯度等参数。>
2、为了实现上述目的，本专利技术提供一种利用心脏cta图像和cfd模拟来量化与主动脉瓣狭窄相关的功能性血流动力学参数的系统，包括心脏cta图像获取单元、感兴趣病变区域分割单元、数值模拟单元和患者特异性边界条件设置单元；
3、所述的心脏cta图像获取单元用于采用非对比心脏ct测量主动脉瓣钙化评分；采用回顾性心电图门控法获取主动脉根部的全心周期数据，并以5%的心周期间隔重建整个心周期的多相数据；当完全全相位数据采集不可行时，根据冠状动脉运动自动确定最佳的收缩和舒张相位；
4、所述的感兴趣病变区域分割单元用于分割计算域和左心室容积；
5、所述的患者特异性边界条件设置单元用于将入口边界条件设定为由左心室容积变化决定的平均血流量；
6、所述的数值模拟单元用于采用刚性壁稳态血流模型进行模拟，得到主动脉瓣的平均跨瓣压差。
7、优选地，所述的计算域是指从左心室流出道到升主动脉的整个血流区域；分割左心室容积的目的是量化心动周期中的每搏输出量，从而推导出患者特异性的边界条件。
8、优选地，所述的分割计算域的具体方法包括以下步骤：选择与主动脉瓣最大开放位置相对应的心脏收缩中期ct图像，首先，利用霍夫变换自动检测和识别主动脉根部，然后自动分割左心室流出道至升主动脉段的血流区域；随后，通过交互操作手动调整主动脉瓣各瓣叶的轮廓，以准确地分割瓣膜形态；最后，根据入口和出口横截面的形状，分别沿各自中心线延长入口和出口管道。
9、优选地，所述的分割左心室容积包括分割心脏舒张末期和收缩末期的ct图像；舒张末期对应的是左心室容积最大的阶段，而收缩末期对应的是左心室容积最小的阶段；对于分割左心室容积，使用自动分割算法来识别感兴趣的区域。
10、优选地，所述的数值模拟单元通过不可压缩的牛顿navier-stokes方程来求解计算域内的血液流量和压力，不可压缩的牛顿navier-stokes方程如下：
11、
12、其中，表示血液的速度，表示血液的压力， 代表时间；υ表示血液的粘度，ρ表示血液的密度。
13、优选地，所述的数值模拟单元在模拟的过程中，血液被认为是不可压缩的牛顿流体，密度为1050 kg/m3，粘度为0.0035 pa⋅s；假定血管壁和主动脉瓣是刚性的，壁面无滑移。
14、优选地，所述的数值模拟单元在仿真计算时不考虑心脏运动引起的血管壁和主动脉瓣的变形。
15、优选地，所述的患者特异性边界条件设置单元通过分割患者整个心动周期的多期ct数据，得到左心室容积的变化。
16、优选地，所述的患者特异性边界条件设置单元还用于假设出口处为充分发展流动，并将出口边界条件设置为使用基于袖带的血压测量计算出的平均主动脉压。
17、优选地，所述的数值模拟单元采用基于最大和最小体积开启的模拟方法来计算血流和压力，每搏左心室的每搏输出量等于最大舒张容积和最小收缩容积的差值，假定心脏周期的持续时间为 ，收缩期的百分比为 ，则从舒张末期到收缩末期的时间 计算为，下腔静脉进入主动脉的平均血流量表示为：
18、
19、其中，为最大舒张容积，为最小收缩容积。
20、本申请还提供一种利用心脏cta图像和cfd模拟来量化与主动脉瓣狭窄相关的功能性血流动力学参数的方法，包括以下步骤：
21、s1、获取心脏cta图像：
22、首先采用非对比心脏ct测量主动脉瓣钙化评分；采用回顾性心电图门控法获取主动脉根部的全心周期数据，并以5%的心周期间隔重建整个心周期的多相数据；当完全全相位数据采集不可行时，根据冠状动脉运动自动确定最佳的收缩和舒张相位；扫描范围从主动脉弓延伸到心脏膈面，而整个主动脉是非门控的，从鼻尖覆盖到肝门水平，包括从颈动脉到股动脉的所有进入通道；
23、s2、分割感兴趣病变区域：
24、分割任务涉及两个部分：计算域和左心室容积；计算域是指从左心室流出道到升主动脉的整个血流区域；分割左心室容积的目的是量化心动周期中的每搏输出量，从而推导出患者特异性的边界条件；
25、对于左室流出道至升主动脉段区域的分割，选择与主动脉瓣最大开放位置相对应的心脏收缩中期ct图像；
26、计算域的分割和重建方法包括：首先，利用霍夫变换自动检测和识别主动脉根部，然后自动分割左心室流出道至升主动脉段的血流区域；随后，通过交互操作手动调整主动脉瓣各瓣叶的轮廓，以准确地分割瓣膜形态；最后，根据入口和出口横截面的形状，分别沿各自中心线延长入口和出口管道；
27、分割左心室容积的目的是提取每搏输出量，从而用于获得cfd模拟的入口边界条件；需要分割心脏舒张末期和收缩末期的ct图像；舒张末期对应的是左心室容积最大的阶段，而收缩末期对应的是左心室容积最小的阶段；对于分割左心室；使用自动分割算法来识别感兴趣的区域；
28、s3、数值模拟：
29、为了降低计算成本和时间，采用刚性壁稳态血流模型进行模拟；为了验证稳态模型的有效性，对病例进行了瞬态模型的模拟；计算域内的血液流量和压力通过不可压缩的牛顿navier-stokes方程来求解，具体方程如下：
30、
31、其中， 表示血液的速度， 表示血液的压力， 代表时间；υ表示血液的粘度，ρ表示血液的密度；
32、在模拟过程中，血液被认为是不可本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种利用心脏CTA图像和CFD模拟来量化与主动脉瓣狭窄相关的功能性血流动力学参数的系统，其特征在于，所述的利用心脏CTA图像和CFD模拟来量化与主动脉瓣狭窄相关的功能性血流动力学参数的系统包括心脏CTA图像获取单元、感兴趣病变区域分割单元、数值模拟单元和患者特异性边界条件设置单元；
2.根据权利要求1所述的利用心脏CTA图像和CFD模拟来量化与主动脉瓣狭窄相关的功能性血流动力学参数的系统，其特征在于，所述的计算域是指从左心室流出道到升主动脉的整个血流区域；分割左心室容积的目的是量化心动周期中的每搏输出量，从而推导出患者特异性的边界条件。
3.根据权利要求1所述的利用心脏CTA图像和CFD模拟来量化与主动脉瓣狭窄相关的功能性血流动力学参数的系统，其特征在于，所述的分割计算域的具体方法包括以下步骤：选择与主动脉瓣最大开放位置相对应的心脏收缩中期CT图像，首先，利用霍夫变换自动检测和识别主动脉根部，然后自动分割左心室流出道至升主动脉段的血流区域；随后，通过交互操作手动调整主动脉瓣各瓣叶的轮廓，以准确地分割瓣膜形态；最后，根据入口和出口横截面的形状，分别沿各自
4.根据权利要求1所述的利用心脏CTA图像和CFD模拟来量化与主动脉瓣狭窄相关的功能性血流动力学参数的系统，其特征在于，所述的分割左心室容积包括分割心脏舒张末期和收缩末期的CT图像；舒张末期对应的是左心室容积最大的阶段，而收缩末期对应的是左心室容积最小的阶段；对于分割左心室容积，使用自动分割算法来识别感兴趣的区域。
5.根据权利要求1所述的利用心脏CTA图像和CFD模拟来量化与主动脉瓣狭窄相关的功能性血流动力学参数的系统，其特征在于，所述的数值模拟单元通过不可压缩的牛顿Navier-Stokes方程来求解计算域内的血液流量和压力，不可压缩的牛顿Navier-Stokes方程如下：
6.根据权利要求1所述的利用心脏CTA图像和CFD模拟来量化与主动脉瓣狭窄相关的功能性血流动力学参数的系统，其特征在于，所述的数值模拟单元在模拟的过程中，血液被认为是不可压缩的牛顿流体，密度为1050 kg/m3，粘度为0.0035 ；假定血管壁和主动脉瓣是刚性的，壁面无滑移。
7.根据权利要求1所述的利用心脏CTA图像和CFD模拟来量化与主动脉瓣狭窄相关的功能性血流动力学参数的系统，其特征在于，所述的数值模拟单元在仿真计算时不考虑心脏运动引起的血管壁和主动脉瓣的变形。
8.根据权利要求1所述的利用心脏CTA图像和CFD模拟来量化与主动脉瓣狭窄相关的功能性血流动力学参数的系统，其特征在于，所述的患者特异性边界条件设置单元通过分割患者整个心动周期的多期CT数据，得到左心室容积的变化。
9.根据权利要求1所述的利用心脏CTA图像和CFD模拟来量化与主动脉瓣狭窄相关的功能性血流动力学参数的系统，其特征在于，所述的患者特异性边界条件设置单元还用于假设出口处为充分发展流动，并将出口边界条件设置为使用基于袖带的血压测量计算出的平均主动脉压。
10.根据权利要求1所述的利用心脏CTA图像和CFD模拟来量化与主动脉瓣狭窄相关的功能性血流动力学参数的系统，其特征在于，所述的数值模拟单元采用基于最大和最小体积开启的模拟方法来计算血流和压力，每搏左心室的每搏输出量等于最大舒张容积和最小收缩容积的差值，假定心脏周期的持续时间为，收缩期的百分比为，则从舒张末期到收缩末期的时间计算为 ×，下腔静脉进入主动脉的平均血流量表示为：
...【技术特征摘要】
1.一种利用心脏cta图像和cfd模拟来量化与主动脉瓣狭窄相关的功能性血流动力学参数的系统，其特征在于，所述的利用心脏cta图像和cfd模拟来量化与主动脉瓣狭窄相关的功能性血流动力学参数的系统包括心脏cta图像获取单元、感兴趣病变区域分割单元、数值模拟单元和患者特异性边界条件设置单元；
2.根据权利要求1所述的利用心脏cta图像和cfd模拟来量化与主动脉瓣狭窄相关的功能性血流动力学参数的系统，其特征在于，所述的计算域是指从左心室流出道到升主动脉的整个血流区域；分割左心室容积的目的是量化心动周期中的每搏输出量，从而推导出患者特异性的边界条件。
3.根据权利要求1所述的利用心脏cta图像和cfd模拟来量化与主动脉瓣狭窄相关的功能性血流动力学参数的系统，其特征在于，所述的分割计算域的具体方法包括以下步骤：选择与主动脉瓣最大开放位置相对应的心脏收缩中期ct图像，首先，利用霍夫变换自动检测和识别主动脉根部，然后自动分割左心室流出道至升主动脉段的血流区域；随后，通过交互操作手动调整主动脉瓣各瓣叶的轮廓，以准确地分割瓣膜形态；最后，根据入口和出口横截面的形状，分别沿各自中心线延长入口和出口管道。
4.根据权利要求1所述的利用心脏cta图像和cfd模拟来量化与主动脉瓣狭窄相关的功能性血流动力学参数的系统，其特征在于，所述的分割左心室容积包括分割心脏舒张末期和收缩末期的ct图像；舒张末期对应的是左心室容积最大的阶段，而收缩末期对应的是左心室容积最小的阶段；对于分割左心室容积，使用自动分割算法来识别感兴趣的区域。
5.根据权利要求1所述的利用心脏cta图像和cfd模拟来量化与主动脉瓣狭窄相关的功能性血流动力学参数的系统，其特征在于，所述的数值模拟单元通过不...
【专利技术属性】
技术研发人员：祖凌云，郭歌，刘修健，高智凡，张贺晔，赵鹏辉，尹昭伟，陈少敏，汪宇鹏，蔡嘉庚，蔡珠兰，吴岑岑，徐媛，阮煜闻，
申请(专利权)人：北京大学第三医院北京大学第三临床医学院，
类型：发明
国别省市：
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