了冠状动脉之外，患者特定解剖模型可包括 主动脉根部和主动脉的近端部分。每个狭窄的详细3D模型还可以利用相似的算法来提取， 其包括对近端脉管直径和面积、远端脉管直径和面积、最小内腔直径和面积以及狭窄的长 度进行量化。
[0024] 图2示出了对于生成冠脉树的支架术前患者特定解剖模型的示例性结果。图2的 图200示出了冠状CTA数据。图210示出了从CTA数据中提取的中心线树212。图220示 出了在中心线树212的每个点上提取的横截面轮廓222。图230示出了冠状动脉、主动脉根 和主动脉的近端部分的2D表面网格232。应理解的是，可以例如在计算机系统的显示屏上 输出和显示患者的冠脉树解剖模型。
[0025] 上面详细描述的解剖建模任务可以自动执行或者可以用户驱动地执行，在此允许 用户（医师）交互地改变解剖模型以分析这些变化对随后的FFR计算的影响。除了冠脉树 之外，还可以在医学图像数据中（自动地或手动地）分割心肌以确定对于左心室质量的估 计，其在可能的实施方式中可以用于估计患者的绝对静止流，其被用于计算对于计算的血 流和压力模拟的边界条件。替选地，还可以基于所分割的冠脉树的总容积或者根据不同的 冠脉的出口半径来计算静止流。在一个示例性实施例中，可以将根据图像数据自动生成的 心脏患者特定解剖模型用于该目的。解剖心脏模型是多部件模型，其包括多个心脏部件，其 中包括四个腔室（左心室、左心房、右心室、右心房）。解剖心脏模型还可以包括如下部件， 诸如心脏瓣膜（主动脉膜、二尖瓣、三尖瓣和肺动脉瓣）以及主动脉。心脏的这样的复杂模 型被用于捕获大量形态、功能和病理变型。模块化和分层级的方法可以用于降低解剖复杂 度和便于有效且灵活地估计各个解剖结构。4D解剖心脏模型可以通过如下来生成，S卩，通过 例如利用边缘空间学习（MSL)生成各个心脏部件的个别模型，并且然后通过建立网格点对 应将心脏部件模型集成。在通过引用完全包含于此的美国公开专利申请2012/0022843中 描述了与生成这种4D患者特定心脏模型有关的附加细节。
[0026] 在步骤106,利用冠状动脉狭窄的修改的压降模型模拟在冠状动脉支架术前解剖 模型中的血流和压力。尤其，在冠状动脉支架术前解剖模型中模拟血流并且基于利用修改 的压降模型模拟的血流来计算狭窄的支架术后压降。可以利用CFD计算或者任何其他标准 数值技术诸如有限元方法、有限差方法、有限体积方法、边界元方法、嵌入式边界方法、侵入 边界法、格子玻尔兹曼方法等来模拟在支架术前解剖模型中的血流和压力。根据本发明的 一个有利实施例，冠脉循环的多尺度计算模型可以用于在一系列时间步骤上计算在冠状动 脉支架术前解剖模型中的血流和压力。例如，可以对于与一个完整心脏周期或者多个心脏 周期对应的多个时间步骤执行模拟。冠脉循环的计算模型利用压降模型来建模在狭窄或者 冠状动脉中的其它变窄（例如钙化、血栓、分支等）上的压力损失。应理解的是，贯穿本公 开地，术语狭窄用于一般化地指脉管中任何类型的变窄。用于特定狭窄的压降模型计算狭 窄上的由于脉管变窄而造成的压降，而不执行在脉管的该区域中的明显的流动计算。
[0027]图3示出了根据本发明的一个实施例的示例性冠脉循环多尺度计算模型。如在图 3中所示，心脏模型302在主动脉根处被耦合。心脏模型302可以被实施为通过图3中所示 那样的患者特定数据来参数化的集总式模型，或者可以实施为完全3D的心脏模型。大的动 脉，诸如主动脉304和由主动脉供血的大动脉（例如锁骨下动脉、头臂动脉、颈总动脉等）、 左冠状动脉（LCA) 306和右冠状动脉（RCA) 308可以被表示为1D血流模型或者完全3D模型。 此外，可以对于特定动脉区段单独地或者嵌入1D或3D模型内地使用半解析式循环模型。脉 管壁可以以纯弹性或粘弹性材料来建模。可以通过适于所测量的数据的经验关系或者基于 对壁屈服度的患者特定的估计来确定壁性质。在图3的冠脉循环模型中，通过说明了施加 至血流的阻抗和远端脉管屈服度的集总式参数模型310模拟所有微脉管床。冠状脉管床是 通过这种集总式参数模型310建模的，其通过如下方式适配于冠脉循环，S卩，它们考虑心肌 收缩对流波形的影响。在冠脉循环模型中示出狭窄区段312和314(即脉管中的检测到狭窄 或变窄的区域）。狭窄区段312和314不能利用1D血流模型模拟，因为横截面面积和狭窄 的形状变化很大，其影响血流行为和尤其是跨狭窄压降，其在评估这种狭窄的功能重要程 度方面起主要作用。根据本发明的一个有利实施例，可以对于每个狭窄区段312和314使用 (与完全3D模型相比）降阶的压降模型。在题为"MethodandSystemforMulti-Scale AnatomicalandFunctionalModelingofCoronaryCirculation'，的美国专利公告 2013/0132054,题为"MethodandSystemforNon-InvasiveFunctionalAssessmentof CoronaryArteryStenosis" 的美国专利公告 2013/0246034,题为"MethodandSystem forNon-InvasiveFunctionalAssessmentofCoronaryArteryStenosis'，的美国专利 公告 2014/00058715 以及题为"MethodandSystemforNon-InvasiveComputationof HemodynamicIndicesforCoronaryArteryStenosis" 的美国专利申请 14/689, 083(其 全都通过引用完全包含于此）描述了有关于冠脉循环多尺度计算模型的附加细节，以及对 于血流和压力计算的静息状态和充血状态边界条件的计算。
[0028] 如上面描述的将压降模型用于在不执行狭窄区域中的明显的流计算的情况下计 算在冠状动脉支架术前解剖模型中的每个狭窄区域（例如图3的312和314)上的压降。 可以使用不同的压降模型。例如，用于狭窄的压降模型可以是完全解析的模型或者可以是 包括解析和经验项的组合的模型。包括解析和经验项的组合的压降模型在此称作"半经验 的压降模型"。还可以使用其它压降模型，诸如基于压降模型的机器学习，其被利用机器学 习算法来训练以将从狭窄导出的解剖和流特征映射至与狭窄关联的压降。根据一个有利的 实施例，为了预测对冠脉狭窄进行支架术的效果，直接修改用于该狭窄的压降模型并且借 助该修改的压降模型进行在冠状动脉支架术前解剖模型中的血流和压力模拟。如在此使用 的，"直接修改"用于冠状动脉狭窄的压降模型指的是在不修改所基于的冠状动脉支架术前 患者特定的解剖模型的情况下修改压降模型中的参数。用于该狭窄的压降模型可以被修改 以表示完全成功的治疗或者部分成功的治疗。修改压降模型的目的是虚拟地模拟脉管由于 支架术而扩大的效果，而不明显地修改实际的患者特定几何。
[0029] 下面对于全解析压降模型和半经验压降模型描述修改压降模型以表示部分成功 和完全成功的治疗的示例。应理解的是，本发明并不限于这些特定示例并且可以类似地应 用于其它压降模型。
[0030] 全解析压降模型
[0031] 在一个示例性实施方式中，可以通过下式给出用于狭窄的全解析压降模型：
[0033] 在等式（1)中，ΔΡ表示在脉管的狭窄区域上的压降，Q表示流速，p表示血液密 度，μ表示粘度，并且X表示沿着狭窄区域中的脉管的中心线的位置。图4示出了用于示 例性狭窄区段的压降模型的参数。如在图4中所示，箭头402表示流过冠状动脉的狭窄区 段400的血流的方向。狭窄区段400的近端或输入侧被称作"顶部"，而狭窄区段400的远 端或输出侧被称作"底部"。CSAin是在狭窄区段的顶部的横截面积。05六_是在狭窄区段的 底部的横截面积。CSAstan是沿着狭窄的最小横截面积。在等式（1)中，CSA指的是在狭窄区 段中的给定点X处的横截面积。α表示其中流速均匀的非粘性核的无量纲半径。α=在 狭窄的入口处的半径，〇〈α〈从入口至具有发展完全的流的区域的半径，并且在具有发展完 全的流的区域中a=(LLstan指的是其中半径最小且恒定的狭窄区域的长度，而LTCS^指的 是对其计算压降的狭窄区段的整个长度。等式（1)的全解析压降模型包括三个压降计算。 等式（1)的第一项计算对流压降，第二和第三项计算粘滞压降，而第四项计算扩展压降。
[0034] 根据本发明的一个有利实施例，可以通过修改等式（1)的全解析压降模型来计算 两个修改的治疗后（支架术后）压降模型，其对应于狭窄区域的部分成功的治疗和狭窄区 域的完全成功的治疗。
[0035] 为了模拟部分成功的治疗的效果，可以通过生成如下两个参数的假设值来计算 虚拟的支架术后压降模型：在狭窄区段的远端（底部）部分中的横截面积（CSA^pJ和 沿着狭窄的最小横截面积值（CSAstenpcJ。CSAstenpcist可以被设置得等于或大于治疗前的 值（CSU。例如，如果在狭窄区段的近端中的横截面积大于用于CSA^的治疗前的值，则 CSA^ ^t可设置成大于或等于CSA_并且小于或等于CSAιη的值。CSAstanpcist被设置成大 于治疗前的值CSAstOT并且小于CSA10和CSA_ 的值，因此表示其中狭窄区域的扩张仅部 分成功的情况。例如，CSAstenjrost可以设置成CSAιη或者CSA_ 的预定百分比，并且该百 分比可以被调整以预测在部分成功的不同等级上的治疗的效果。在一个可能的实施例中， CSAstanpcist可以被设置为CSAinSCSA^m的基于医学图像数据中的钙化自动确定的百分 比。下面更详细描述该实施例。然后可以使用下面的用于部分成功的治疗的支架术后压降 模型：
[0036]
[0037] 在等式（2)的支架术后压降模型中，基于在狭窄区段的远端部分的横截面积 CSA^ ^t的假设值来计算对流压降项（第一项）。将等式（1)中的两个粘滞压降项中的第 一个移除并且将第二粘滞压降项（等式（2)中的第二项）用于计算沿着整个狭窄区段的粘 滞压降。分别基于最小和远端横截面积CSAstanpcist和CSA^ ^t的最新假设值来计算扩展压 降项（等式⑵的第三项）。
[0038]对于完全成功的支架术后压降模型，可以通过生成用于狭窄区段的远端部分中的 横截面积CSA^ ^t的单个假设值来模拟治疗的效果。再次，可以将值选择为等 于或大于CSA。#。例如，如果CSAin大于CSA_，则可以将CSA^^t设置为大于或等于CSA_ 并且小于或等于CSAin的值。在可能的实施方式中，CSA^^t可以被设置为等于CSAin。该 实施方式假设横截面积是均匀的，并且沿着整个狭窄区段完全扩展，从而CSAin=CSAstanpcist =CSA^ ^t。如果对于C