基于計算流體力學(xué)的冠狀動脈血流仿真系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及計算機(jī)仿真技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于計算流體力學(xué)的冠狀動脈血 流仿真系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 冠狀動脈性心臟?。–HD, coronary artery heart disease)，簡稱冠心病，是一種 最常見的心臟病。是指因冠狀動脈狹窄、供血不足而引起的心肌機(jī)能障礙和/或器質(zhì)性病 變。
[0003] 冠狀動脈是主動脈的分支，負(fù)責(zé)供應(yīng)氧和營養(yǎng)素予心肌，并且沒有旁支。當(dāng)冠狀動 脈被粥樣硬化斑塊或血凝塊堵塞時，便會引致心臟供血不足。如果動脈粥樣硬化斑塊發(fā)生 在冠狀動脈，演化至后期引起的后果是心肌需氧大于供氧，心肌供氧量和需氧量失衡時會 出現(xiàn)心肌缺血伴收縮功能減退、心律失常甚至心肌梗死、心臟病突發(fā)等?；颊邥惺艿叫?痛、慢性穩(wěn)定型心絞痛或不穩(wěn)定型心絞痛等等癥狀，最嚴(yán)重的可導(dǎo)致死亡。根據(jù)世界衛(wèi)生組 織的數(shù)據(jù)，心血管疾病無論在中國范圍內(nèi)還是世界范圍內(nèi)，都是造成人類疾病死亡的頭號 死因。
[0004] 動脈粥樣硬化其發(fā)生和演變可以維持很長時間，而沒有臨床癥狀。當(dāng)粥樣硬化斑 塊引起血管內(nèi)壁狹窄超過60%時，在血液供應(yīng)需求增加的時候就會出現(xiàn)缺血。因此臨床上 需要進(jìn)行檢查以得到患者心臟的冠狀動脈損傷的區(qū)域大小、形狀、位置、危險程度、是否影 響血流供應(yīng)等信息。
[0005] 現(xiàn)有醫(yī)學(xué)成像技術(shù)中，對于血管狹窄的檢測還處于CT和介入的動脈造影影像學(xué) 階段；以及FFR的侵入性測量階段，單純通過解剖學(xué)影像很難判斷患者心肌供血是否充足， 尤其是對于臨界狀態(tài)的病變；另外，造影和FFR測量需要放置傳感器、壓力導(dǎo)絲等到患者體 內(nèi)測量，其有創(chuàng)性無疑對病人的身體帶來傷害，造成了病人心理和生理的痛苦，增加了醫(yī)療 成本并且增加了患者的死亡風(fēng)險。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 在下文中給出關(guān)于本發(fā)明的簡要概述，以便提供關(guān)于本發(fā)明的某些方面的基本理 解。應(yīng)當(dāng)理解，這個概述并不是關(guān)于本發(fā)明的窮舉性概述。它并不是意圖確定本發(fā)明的關(guān) 鍵或重要部分，也不是意圖限定本發(fā)明的范圍。其目的僅僅是以簡化的形式給出某些概念， 以此作為稍后論述的更詳細(xì)描述的前序。
[0007] -方面，本發(fā)明提供一種基于計算流體力學(xué)的冠狀動脈血流仿真系統(tǒng)，包括：
[0008] 計算機(jī)斷層掃描數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，所述計算機(jī)斷層掃描數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)用于獲取人體 心血管的計算機(jī)斷層掃描圖像序列；
[0009] 血管三維模型重建系統(tǒng)，所述血管三維模型重建系統(tǒng)用于對所述計算機(jī)斷層掃描 數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，根據(jù)所述人體心血管的計算機(jī)斷層掃描圖像序列提取冠狀動脈血管的斷層 掃描圖像序列，對提取出的圖像序列三維重建得到三維冠狀動脈血管模型；
[0010] CFD前處理系統(tǒng)，所述前處理系統(tǒng)用于對所述三維冠狀動脈血管模型進(jìn)行流體力 學(xué)計算所需的前處理，所述前處理包括：在所述三維冠狀動脈血管模型加載計算設(shè)置以及 邊界條件參數(shù)，進(jìn)行網(wǎng)格劃分；
[0011] CFD計算系統(tǒng)，所述CFD計算系統(tǒng)用于解算血液在冠狀動脈血管內(nèi)的三維流動 控制方程，輸出計算結(jié)果，所述計算結(jié)果包括壓力、血流儲備分?jǐn)?shù)、血液流速中的一種或多 種；
[0012] 后處理系統(tǒng)，所述后處理系統(tǒng)將所述計算結(jié)果附加到所述三維冠狀動脈血管模型 的對應(yīng)位置，并進(jìn)行壓力、血液流速、血流儲備分?jǐn)?shù)的彩色云圖顯示。
[0013] 另一方面，本發(fā)明還提供了一種基于計算流體力學(xué)的冠狀動脈血流仿真方法，包 括：
[0014] 獲取人體心血管的計算機(jī)斷層掃描圖像序列；
[0015] 根據(jù)所述人體心血管的計算機(jī)斷層掃描圖像序列提取出冠狀動脈血管的計算機(jī) 斷層掃描數(shù)據(jù)，對提取出的圖像序列進(jìn)行三維重建得到三維冠狀動脈血管模型；
[0016] 對所述三維冠狀動脈血管模型進(jìn)行流體力學(xué)計算所需的前處理，包括劃分網(wǎng)格、 加載計算設(shè)置以及邊界條件參數(shù)；
[0017] 解算血液在冠狀動脈血管內(nèi)的三維流動控制方程，輸出計算結(jié)果，所述計算結(jié)果 包括壓力、血流儲備分?jǐn)?shù)、血液流速中的一種或多種；
[0018] 將所述計算結(jié)果附加到所述三維冠狀動脈血管模型的對應(yīng)位置，進(jìn)行壓力、速度、 血流儲備分?jǐn)?shù)的彩色云圖顯示。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明包括以下優(yōu)點(diǎn)：
[0020] 1、本發(fā)明采用計算冠狀動脈FFR作為評估冠狀動脈功能的標(biāo)準(zhǔn)，避免了冠狀動脈 造影、心臟CT(CTA)等技術(shù)通過冠狀動脈解剖學(xué)角度判斷心肌供血情況帶來的不足。尤其 對病變處于臨界狀態(tài)時的臨床案例有較好的參考價值。
[0021] 2、本發(fā)明不同于FFR值測量時要侵入性地放置壓力導(dǎo)絲到患者體內(nèi)，而是基于非 侵入性測量手段和CFD方法，不需要放置傳感器、導(dǎo)絲等到患者體內(nèi)測量，因而減輕了病人 心理和生理痛苦，降低了患者死亡風(fēng)險醫(yī)療成本。
[0022] 3、本發(fā)明采用的基于計算流體力學(xué)的冠狀動脈血流仿真方法和系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理 的效率和可靠性都較高。
【附圖說明】
[0023] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0024] 圖1為本發(fā)明中基于計算流體力學(xué)的冠狀動脈血流仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖框圖；
[0025] 圖2為本發(fā)明中的仿真方法流程圖；
[0026] 圖3為本發(fā)明中的心血管三維重建示意圖；
[0027] 圖4為本發(fā)明中的心血管三維模型及網(wǎng)格劃分示意圖；
[0028] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例中獲取的原始CT圖像；
[0029] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例中重建三維模型步驟流程圖；
[0030] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例中64排CTA數(shù)據(jù)重建出的部分冠狀動脈三維模型；
[0031] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例中計算域和解析域示意圖；
[0032] 圖9為本發(fā)明實(shí)施例中模型劃分的網(wǎng)格局部放大示意圖；
[0033] 圖10為本發(fā)明實(shí)施例中瞬態(tài)計算步驟示意圖；
[0034] 圖11為本發(fā)明實(shí)施例中FFR值計算原理示意圖；
[0035] 圖12為本發(fā)明實(shí)施例中結(jié)果后處理流程示意圖；
[0036] 圖13為本發(fā)明實(shí)施例中計算出的FFR的示例；
[0037] 圖14為本發(fā)明實(shí)施例中計算出的血液在血管內(nèi)部速度矢量分布示例。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例 中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是 本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。在本發(fā)明的一個附圖或一種實(shí)施方式中描述 的元素和特征可以與一個或更多個其它附圖或?qū)嵤┓绞街惺境龅脑睾吞卣飨嘟Y(jié)合。應(yīng)當(dāng) 注意，為了清楚的目的，附圖和說明中省略了與本發(fā)明無關(guān)的、本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的 部件和處理的表示和描述。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有付出創(chuàng)造 性勞動的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0039] 實(shí)施例一：
[0040] 臨床上需要進(jìn)行檢查以得到患者心臟的冠狀動脈損傷的區(qū)域大小、形狀、位置、危 險程度、是否影響血流供應(yīng)等信息。其中，用來評估心臟冠狀動脈損傷的技術(shù)可以分成兩大 類：侵入式檢查和非侵入式檢查。侵入式檢查為有創(chuàng)性檢查，無疑對病人的身體帶來傷害， 造成了病人心理和生理的痛苦，增加了醫(yī)療成本并且增加了患者的死亡風(fēng)險。因此，非侵入 式檢查在一定程度上成為解決上述缺陷的研究熱點(diǎn)。
[0041] 非侵入式檢查包括：心電圖、心臟損傷標(biāo)記物檢查、運(yùn)動負(fù)荷試驗(yàn)、心肌灌注的單 光子發(fā)射計算機(jī)斷層成像術(shù)（Single-Photon Emission Computed Tomography，SPECT)和 正電子發(fā)射斷層成像術(shù)（Positron Emission Tomography,PET),這些檢測技術(shù)通過測量心 臟電位變化、心肌運(yùn)動或者心肌灌注改變等間接地評估冠狀動脈損傷。
[0042] 心血管磁共振顯像（CMR)、冠狀動脈CT血管造影（或心臟CT，Coronary Computed Tomography Angiography, CTA或者CCTA)可以得到冠狀動脈的各個位置斷層成像。然而 CTA能提供的僅僅是解剖學(xué)圖像的數(shù)據(jù)，也就是說能直觀看到血管狹窄了多少，但并不能提 供冠狀動脈內(nèi)壁損傷對血流影響的直接信息，諸如血流、血壓、心肌灌注狀態(tài)等信息，尤其 是內(nèi)壁狹窄對心肌供血的影響。
[0043] 現(xiàn)今最常用的CTA是一項(xiàng)將X光機(jī)和計算機(jī)圖像重建技術(shù)相結(jié)合的非侵入性診斷 方法，在測量過程中通過向患者血液中注入造影劑，來達(dá)到增強(qiáng)顯示血管的目的。如果患 者因?yàn)閯用}粥樣硬化或其他病理因素引起冠狀動脈狹窄（會造成心肌供血不足，引發(fā)心絞 痛、心肌梗死等），那么該處的血液流動就會受到阻礙甚至無法流過，在CT斷層掃描圖像中 會有顯示。通過醫(yī)學(xué)圖像三維重建技術(shù)，可以利用CT圖像重建出患者心血管（尤其是冠狀 動脈的）三維模型，其中狹窄部位與狹窄程度能比較清楚地直觀看出來。
[0044] 然而，臨床上心肌缺血程度并不與冠狀動脈狹窄程度成簡單正比關(guān)系，還與狹窄 部位、患者身體狀況（運(yùn)動、休息、血液粘性，精神條件）等等因素有關(guān)。并且，當(dāng)病變處于 臨界狀態(tài)時（如狹窄程度50%~75% )，不同的醫(yī)生有不同的診斷建議。因此需要引入心 肌FFR這個概念，來作為判斷患者病情是否嚴(yán)重到需要藥物或者介入治療的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)檠?流儲備分?jǐn)?shù)能真實(shí)反映下游心肌供血情況及心肌缺血嚴(yán)重程度。研究顯示當(dāng)FFR〈0. 75時， 意味著心肌供血不足已經(jīng)達(dá)到了需要人為干預(yù)治療的階段，介入治療或者藥物治療能夠取 得理想的效果。但由于FFR的臨床測定費(fèi)用高昂，且具有侵入性即創(chuàng)傷性，對患者有風(fēng)險和 痛苦，因此需要發(fā)展一種非侵入式的FFR值檢測方法。
[0045] 因此，有必要發(fā)展一種基于非侵入性手段