用于預(yù)測(cè)冠狀動(dòng)脈病變的位置、開始、和/或變化的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于預(yù)測(cè)冠狀動(dòng)脈病變的位置、開始、和/或變化的系統(tǒng)和 方法
[00011優(yōu)先權(quán)
[0002] 本申請(qǐng)要求于2013年8月27日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?4/011，151的優(yōu)先權(quán)益，所 述申請(qǐng)以引用方式全部并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本公開的各種實(shí)施方案總體上涉及醫(yī)學(xué)成像和相關(guān)方法。更具體地說，本公開的 各種實(shí)施方案涉及用于根據(jù)諸如血管幾何形狀、生理學(xué)、以及血液動(dòng)力學(xué)等因素預(yù)測(cè)冠狀 動(dòng)脈病變的位置、開始、和/或變化的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0004] 冠狀動(dòng)脈疾病（"CAD"）可在提供血液至心臟的血管中產(chǎn)生冠狀動(dòng)脈病變諸如狹窄 (血管異常變窄）。因此，流向心臟血液可能受到限制。罹患冠狀動(dòng)脈疾病的患者可能經(jīng)歷胸 痛，這在強(qiáng)體力活動(dòng)過程中被稱為"慢性穩(wěn)定型心絞痛"或者在患者休息時(shí)被稱為"不穩(wěn)定 型心絞痛"。更嚴(yán)重的疾病表現(xiàn)可能導(dǎo)致心肌梗塞或心臟病發(fā)作。
[0005] 需要提供關(guān)于冠狀動(dòng)脈病變的更準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，例如大小、形狀、位置、功能意義（例 如，病變是否影響血流)等。罹患胸痛和/或展現(xiàn)冠狀動(dòng)脈疾病癥狀的患者可能經(jīng)受可提供 關(guān)于冠狀動(dòng)脈病變的一些間接證據(jù)的一種或多種測(cè)試。例如，非侵入性測(cè)試可包括心電圖、 來自血液測(cè)試的生物標(biāo)志物評(píng)估、平板運(yùn)動(dòng)測(cè)試、超聲心動(dòng)描記術(shù)、單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層 成像術(shù)(SPECT)、正電子發(fā)射斷層攝影(PET)、以及計(jì)算機(jī)斷層掃描血管造影術(shù)(CCTA)。非侵 入性測(cè)試可通過查看心臟電活動(dòng)的變化（例如，使用心電描記法(ECG))、心肌運(yùn)動(dòng)的變化 (例如，使用負(fù)荷超聲心動(dòng)描記術(shù)）、心肌灌注的變化(例如，使用PET或SPECT)或新陳代謝變 化(例如，使用生物標(biāo)志物)來提供冠狀動(dòng)脈病變的間接證據(jù)。然而，這些非侵入性測(cè)試通常 不提供冠狀動(dòng)脈病變的直接評(píng)定或評(píng)定血流速度。因此，患者也可需要侵入性測(cè)試，如診斷 性心導(dǎo)管插入術(shù)，來顯示冠狀動(dòng)脈病變。診斷性心導(dǎo)管插入術(shù)可包括執(zhí)行常規(guī)冠狀動(dòng)脈血 管造影術(shù)(CCA)，以通過向醫(yī)師提供具有動(dòng)脈大小和形狀的圖像來收集關(guān)于冠狀動(dòng)脈病變 的解剖學(xué)數(shù)據(jù)。
[0006] 然而，用于CAD的侵入性和非侵入性測(cè)試均僅用于確定已經(jīng)產(chǎn)生的疾病的數(shù)量和/ 或心臟病發(fā)作的風(fēng)險(xiǎn)。即用于CAD的測(cè)試不能夠預(yù)測(cè)斑塊堆積、狹窄、或其他基于個(gè)體的其 他已知的特征可能發(fā)生的CAD的未來數(shù)量。盡管已知CAD與各種風(fēng)險(xiǎn)因素（包括吸煙、糖尿 病、高血壓、以及飲食習(xí)慣)相關(guān)聯(lián)，但是不存在用于預(yù)測(cè)CAD開始的技術(shù)。因此，不存在用于 預(yù)測(cè)根據(jù)個(gè)體的其他已知的特征可能發(fā)生的斑塊的類型和位置的技術(shù)。
[0007] 因此，本公開描述了用于根據(jù)諸如血管幾何形狀、生理學(xué)、以及血液動(dòng)力學(xué)等因素 預(yù)測(cè)冠狀動(dòng)脈病變的位置、開始、和/或變化的新方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 公開了用于根據(jù)諸如血管幾何形狀、生理學(xué)、以及血液動(dòng)力學(xué)等因素預(yù)測(cè)冠狀動(dòng) 脈病變的位置、開始、和/或變化的系統(tǒng)和方法。
[0009] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，公開了一種用于預(yù)測(cè)關(guān)于冠狀動(dòng)脈病變的信息的方法。所述 方法包括:針對(duì)多個(gè)個(gè)體中的每一個(gè)，獲得所述個(gè)體的血管系統(tǒng)的至少一部分的幾何模型、 血流特性、以及斑塊信息;針對(duì)所述幾何模型中的多個(gè)點(diǎn)的每一個(gè)，識(shí)別預(yù)測(cè)所述多個(gè)個(gè)體 的幾何模型和血流特性內(nèi)存在斑塊的特征;基于針對(duì)所述多個(gè)個(gè)體中的每一個(gè)的幾何模型 和血流特性以及預(yù)測(cè)特征，訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法;針對(duì)患者，獲得所述患者的血管系統(tǒng)的至少 一部分的幾何模型和血流特性；以及在所述患者的幾何模型和血流特性上執(zhí)行所述機(jī)器學(xué) 習(xí)算法以針對(duì)所述患者的幾何模型中的至少一個(gè)點(diǎn)基于所述預(yù)測(cè)特征確定所述患者的斑 塊信息。
[0010] 根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案，公開了一種用于預(yù)測(cè)關(guān)于冠狀動(dòng)脈病變的信息的系統(tǒng)。所 述系統(tǒng)包括存儲(chǔ)用于預(yù)測(cè)關(guān)于冠狀動(dòng)脈病變的信息的指令的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置;和被配置來執(zhí) 行所述指令以進(jìn)行方法的處理器，所述方法包括以下步驟:針對(duì)多個(gè)個(gè)體中的每一個(gè)，獲得 所述個(gè)體的血管系統(tǒng)的至少一部分的幾何模型、血流特性、以及斑塊信息;針對(duì)所述幾何模 型中的多個(gè)點(diǎn)的每一個(gè)，識(shí)別預(yù)測(cè)所述多個(gè)個(gè)體的幾何模型和血流特性內(nèi)存在斑塊的特 征;基于針對(duì)所述多個(gè)個(gè)體中的每一個(gè)的幾何模型和血流特性以及預(yù)測(cè)特征，訓(xùn)練機(jī)器學(xué) 習(xí)算法;針對(duì)患者，獲得所述患者的血管系統(tǒng)的至少一部分的幾何模型和血流特性；以及在 所述患者的幾何模型和血流特性上執(zhí)行所述機(jī)器學(xué)習(xí)算法以針對(duì)所述患者的幾何模型中 的至少一個(gè)點(diǎn)基于所述預(yù)測(cè)特征確定所述患者的斑塊信息。
[0011] 根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案，公開了一種存儲(chǔ)指令的非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，當(dāng)所述 指令由計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí)，引起所述計(jì)算機(jī)進(jìn)行用于預(yù)測(cè)關(guān)于冠狀動(dòng)脈病變的信息的方法，所 述方法包括:針對(duì)多個(gè)個(gè)體中的每一個(gè)，獲得所述個(gè)體的血管系統(tǒng)的至少一部分的幾何模 型、血流特性、以及斑塊信息;針對(duì)所述幾何模型中的多個(gè)點(diǎn)的每一個(gè)，識(shí)別預(yù)測(cè)所述多個(gè) 個(gè)體的幾何模型和血流特性內(nèi)存在斑塊的特征;基于針對(duì)所述多個(gè)個(gè)體中的每一個(gè)的幾何 模型和血流特性以及預(yù)測(cè)特征，訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法;針對(duì)患者，獲得所述患者的血管系統(tǒng)的 至少一部分的幾何模型和血流特性；以及在所述患者的幾何模型和血流特性上執(zhí)行所述機(jī) 器學(xué)習(xí)算法以針對(duì)所述患者的幾何模型中的至少一個(gè)點(diǎn)基于所述預(yù)測(cè)特征確定所述患者 的斑塊信息。
[0012] 根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案，公開了一種用于預(yù)測(cè)關(guān)于冠狀動(dòng)脈病變的信息的計(jì)算機(jī)實(shí) 現(xiàn)的方法。一種方法包括針對(duì)患者，通過網(wǎng)絡(luò)獲得所述患者的血管系統(tǒng)的至少一部分的幾 何模型和血流特性;并且針對(duì)所述患者的幾何模型中的至少一個(gè)點(diǎn)，通過在所述患者的幾 何模型和血流特性上執(zhí)行基于衍生自針對(duì)多個(gè)個(gè)體中的每一個(gè)所獲得的幾何模型、血流特 性、以及斑塊信息的斑塊預(yù)測(cè)特征訓(xùn)練的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，來確定所述患者的斑塊信息。
[0013] 所公開實(shí)施方案的其它目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)部分將在以下描述中予以闡述，并且部分將根 據(jù)描述顯而易見，或者可以通過實(shí)踐所公開實(shí)施方案來習(xí)得。所公開實(shí)施方案的目標(biāo)和優(yōu) 點(diǎn)將借助于所附權(quán)利要求中特別指出的要素和組合來實(shí)現(xiàn)和獲得。
[0014] 應(yīng)理解的是，上文一般性描述與下文詳述兩者均僅為為示例性和說明性的，并且 不限制所要求保護(hù)的所公開實(shí)施方案。
【附圖說明】
[0015] 并入本說明書中并且構(gòu)成本說明書的一部分的附圖示出各種示例性實(shí)施方案并 且連同描述一起用于解釋所公開實(shí)施方案的原理。
[0016] 圖1為根據(jù)本公開的示例性實(shí)施方案的用于根據(jù)諸如血管幾何形狀、生理學(xué)、以及 血液動(dòng)力學(xué)等因素預(yù)測(cè)冠狀動(dòng)脈病變的位置、開始、和/或變化的示例性系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的框 圖。
[0017] 圖2為根據(jù)本公開的示例性實(shí)施方案的用于根據(jù)諸如血管幾何形狀、生理學(xué)、以及 血液動(dòng)力學(xué)等因素預(yù)測(cè)冠狀動(dòng)脈病變的位置、開始、和/或變化的幾何模型的示例性三維網(wǎng) 格的圖。
[0018] 圖3A為根據(jù)本公開的示例性實(shí)施方案的訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)的示例性方法的框圖， 所述系統(tǒng)用于根據(jù)諸如血管幾何形狀、生理學(xué)、以及血液動(dòng)力學(xué)等因素預(yù)測(cè)冠狀動(dòng)脈病變 的位置、開始、和/或變化。
[0019] 圖3B為根據(jù)本公開的示例性實(shí)施方案的使用經(jīng)訓(xùn)練的機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)的示例性方 法的框圖，所述系統(tǒng)用于根據(jù)諸如血管幾何形狀、生理學(xué)、以及血液動(dòng)力學(xué)等因素預(yù)測(cè)冠狀 動(dòng)脈病變的位置、開始、和/或變化。
[0020] 圖4A為根據(jù)本公開的示例性實(shí)施方案的訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)的示例性方法的框圖， 所述系統(tǒng)用于根據(jù)諸如血管幾何形狀、生理學(xué)、以及血液動(dòng)力學(xué)等因素預(yù)測(cè)冠狀動(dòng)脈病變 的位置。
[0021] 圖4B為根據(jù)本公開的示例性實(shí)施方案的使用經(jīng)訓(xùn)練的機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)的示例性方 法的框圖，所述系統(tǒng)用于根據(jù)諸如血管幾何形狀、生理學(xué)、以及血液動(dòng)力學(xué)等因素預(yù)測(cè)冠狀 動(dòng)脈病變的位置。
[0022] 圖5A為根據(jù)本公開的示例性實(shí)施方案的訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)的示例性方法的框圖， 所述系統(tǒng)用于根據(jù)血管幾何形狀、生理學(xué)、以及血液動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)冠狀動(dòng)脈病變的開始、和/ 或變化(例如，生長(zhǎng)率/收縮率）。
[0023]圖5B為根據(jù)本公開的示例性實(shí)施方案的使用經(jīng)訓(xùn)練的機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)的示例性方 法的框圖，所述系統(tǒng)用于根據(jù)血管幾何形狀、生理學(xué)、以及血液動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)冠狀動(dòng)脈病變的 開始、和/或變化(例如，生長(zhǎng)率/收縮率）。
[0024]圖6為可用以實(shí)施本公開的實(shí)施方案的示例性計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 現(xiàn)在將詳細(xì)參考本公開的示例性實(shí)施方案，所述示例性實(shí)施方案的實(shí)例在附圖中 示出。在任何可能的情況下，在整個(gè)附圖中將使用相同參考數(shù)字來指代相同或相似部分。
[0026] 本公開描述了一種用于提供冠狀動(dòng)脈疾?。?CAD"）的預(yù)后和用于基于患者特定的 幾何結(jié)構(gòu)和血流特性預(yù)測(cè)斑塊生長(zhǎng)/收縮的方法。具體地說，本公開描述了一種接收患者信 息（例如，3D心臟成像、患者人口統(tǒng)計(jì)學(xué)、以及病史)并且針對(duì)CAD的發(fā)病機(jī)制提供患者特定 和位置特定的風(fēng)險(xiǎn)分值的系統(tǒng)。盡管具體參考冠狀動(dòng)脈疾病描述了本公開，但相同系統(tǒng)和 方法適用于在除冠狀動(dòng)脈之外的其他血管系統(tǒng)創(chuàng)建病變形成的患者特定預(yù)測(cè)。
[0027] 更具體地說，本公開描述了用于使用患者的心臟成像的某些原理和實(shí)施方案，以： (1)導(dǎo)出冠狀動(dòng)脈血管的患者特定的幾何模型；并且(2)進(jìn)行冠狀動(dòng)脈流動(dòng)模擬以提取血液 動(dòng)力學(xué)特性、患者生理信息、以及邊界條件，以便預(yù)測(cè)冠狀動(dòng)脈病變的開始和位置。本公開 不限于血液流動(dòng)的基于物理學(xué)的模擬以預(yù)測(cè)易患斑塊形成的位置，而是通過并入各種風(fēng)險(xiǎn) 因素(包括患者人口統(tǒng)計(jì)學(xué)和冠狀動(dòng)脈幾何結(jié)構(gòu)、以及患者特定的生物物理學(xué)模擬的結(jié)果 (例如，血液動(dòng)力學(xué)特性））使用機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)病變位置。如果獲得額外的診斷性測(cè)試結(jié)果， 這些結(jié)果也可用于訓(xùn)練和預(yù)測(cè)中。根據(jù)某些實(shí)施方案，本公開的方法涉及兩個(gè)階段：（1)訓(xùn) 練階段，其中訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)以預(yù)測(cè)一個(gè)或多個(gè)冠狀動(dòng)脈病變的位置；以及（2)產(chǎn)生階 段，其中使用機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)來產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)冠狀動(dòng)脈病變的位置。
[0028] 現(xiàn)在參考圖1，描繪用于根據(jù)血管幾何形狀、生理學(xué)、以及血液動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)冠狀動(dòng) 脈病變的位置、開始和/或變化的示例性系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的框圖。具體地說，圖1描繪了多個(gè)醫(yī)生 裝置或系統(tǒng)102和第三方提供者裝置或系統(tǒng)104,它們中的任何一個(gè)可以通過一個(gè)或多個(gè)計(jì) 算機(jī)、服務(wù)器、和/或掌上型移動(dòng)裝置連接到電子網(wǎng)絡(luò)101，諸如因特網(wǎng)。分別與醫(yī)生裝置或 系統(tǒng)102和/或第三方提供者裝置或系統(tǒng)104相關(guān)聯(lián)的醫(yī)生和/或第三方提供者可創(chuàng)建或以 其他方式獲得一個(gè)或多個(gè)患者的心臟和/或血管系統(tǒng)的影像。醫(yī)生和/或第三方提供者還可 獲得患者特定的信息(諸如，年齡、病史、血壓、血液粘度等）的任何組合。醫(yī)生和/或第三方 提供者可以通過電子網(wǎng)絡(luò)101將心臟/血管影像和/或患者特定信息傳輸至服務(wù)器系統(tǒng)106。 服務(wù)器系統(tǒng)106