用于在从估计的心脏射血输出导出的患者特异性边界条件下模拟血流量的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及基于通过医学成像技术采集的信息来模拟通过靶向心血管结构(例如但不限于，左心室流出道的患者特异性几何结构、包括主动脉瓣(AV)的主动脉根部、以及上升主动脉)的血流量的领域。
【背景技术】
[0002]如G.M.Feuchtner、W.Dichtl 等的 “Multislice Computed Tomography forDetect1n of Patients With Aortic Valve Stenosis and Quantificat1n ofSeverity，，，Journal of the American College of Card1logy 2006，47 (7)，1410 - 1417页中描述的，在年龄超过65岁的西欧和北美人群中，退行性主动脉瓣狭窄(AS)是发生率2-7%的第二最常见的心血管疾病，。
[0003]对具有退行性AS的患者的管理取决于疾病的严重程度。对主动脉瓣(AV)的狭窄的严重程度的评估可以涉及不同的成像模态。对严重性的当前评估主要基于对AV区域的超声和多普勒测量或基于从AV区域的磁共振成像(MRI)或计算机断层摄影(CT)图像导出的几何结构测量。
[0004]对于约60-70%的患者，超声可以被用于对瓣膜成像并经由多普勒测量来测量血流速度。对于狭窄的瓣膜，由于降低的有效开口面积，血液必须以较高的速度流动，并且多普勒测量的结果可以被用作对主动脉瓣狭窄(AS)的指示。
[0005]使用心电图(ECG)门控，CT和MRI允许根据选定的狭窄的心动周期间隔重建或采集图像，并给出对示出在相对短的打开状态下的瓣膜的图像的访问。G.M.Feuchtner,W.Dichtl 等的‘‘Multislice Computed Tomography for Detect1n of Patients WithAortic Valve Stenosis and Quantificat1n of Severity，，，Journal of the AmericanCollege of Card1logy 2006，47 (7)，1410 - 1417 页，以及 Y.Westermann、A.GeigenmUller等的 “Planimetry of the aortic valve orifice area:Comparison of mult1-slicespiral CT and MRIv, European Journal of Rad1logy 2011，77，426-435 页建议使用打开的瓣膜的图像，以使用几个选定的成角度切割的平面并描绘明显的瓣膜孔来测量瓣膜开口。这种孔的测得的面积随后被用于评估狭窄的程度。这种技术被称为AV区域测面积法。
[0006]然而，对于来自CT或MRI的AV区域的测面积法测量，仅分析二维(2D)切口。没有对瓣膜小叶是否在下游的某些其他区域中的合缝线处会合进行分析。对三维(3D)血流量的影响因此可能未完全通过这样的2D测量所评估。这样测得的区域和狭窄瓣膜的生理影响之间的关系(例如增加的压力梯度)因此是不清楚的。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是根据患者特异性边界条件来导出针对所考虑的患者的生理参数的目标值。
[0008]该目的是通过根据权利要求1所述的装置、根据权利要求5所述的方法和根据权利要求15所述的计算机程序产品来实现的。
[0009]因此，心血管结构(诸如左心室流出道、包括主动脉瓣(AV)的主动脉根部、加上上升主动脉、心室体积、主动脉或血流过的任何其他空腔的血液空腔)的体积网格是基于心血管结构的分区数字图像而生成的，每次心搏的心脏射血输出(cardiac eject1noutput)是根据来自在两个或更多个不同时间点上的不同充盈状态下患者的心脏腔室的体积的量或暂时表现来估计的。随后从每次心搏的心脏射血输出导出心血管结构的至少一种患者特异性边界条件(其可以包括时间相关的边界条件)，并且通过在考虑患者特异性边界条件的情况下模拟通过体积网格的血流量来获得模拟血流量。
[0010]因此，在患者特异性边界条件下通过靶向心血管结构的患者特异性几何结构的血流量是从每次心搏的心脏射血输出导出的。模拟的结果产生针对生理学相关参数的目标值，例如所述心血管结构中的压降、平均血液停留时间、流率、壁剪切应力和血液漩涡中的一个或多个。
[0011]根据第一方面，建模电路可以被提供用于基于对所述心血管结构的分区分割数字图像来生成所述心血管结构的所述体积网格。由此，所述体积网格可以被直接生成，而不需要从远程设备或网络导出或加载。
[0012]根据可以与以上的第一方面组合的第二方面，所述数字图像可以是CT图像或MRI图像或超声图像。因此，所提出的解决方案可以被用于宽范围的医学成像系统。
[0013]根据可以与以上的第一或第二方面组合的第三方面，所述数字图像可以通过使用基于模型的分割而被分区，以获得所述靶向心血管结构的表面网格。由此，可以通过将所述表面网格转换或变换为所述体积网格来容易地获得所述体积网格。
[0014]根据可以与以上第一至第三方面中的任一个组合的第四方面，所述模拟可以通过计算流体动力学(CFD)或流体-固体相互作用(FSI)模拟来完成。这有助于创建计算机模型的过程的自动化。
[0015]根据可以与以上第一至第四方面中的任一个组合的第五方面，所述每次心搏的心脏射血输出可以是基于心电图门控数字图像来估计的。这种测量保证图像生成的正确时间。
[0016]根据可以与以上第一至第五方面中的任一个组合的第六方面，所述每次心搏的心脏射血输出可以是基于在最大充盈状态和最小充盈状态下所述心室的数字图像来估计的。这提供了基于所述两种图像的直接解决方案。在具体范例中，所述每次心搏的心脏射血输出可以是基于在心脏收缩结束时和心脏舒张结束时所述患者的至少一个心脏腔室的体积来估计的。
[0017]根据可以与以上第一至第六方面中的任一个组合的第七方面，所估计的每次心搏的心脏射血输出可以被用于定义从心脏腔室到所述心血管结构的血流量。根据所述第五方面的具体范例，所述至少一个患者特异性边界条件可以通过估计穿过所述心室流出道的流量分布及其暂时表现来导出。因此，可以通过图像分析基于心室射血分数来确定(流量)边界条件(例如经由(CFD或FSI)模拟来估计所述靶向心血管结构上的压力降)。由此，不再需要非常耗时、非常复杂并且不能总是利用可用的临床数据来完成的完整的心脏模拟。流量分布可以通过定义脉动流量的二次分布或速度分布来估计。
[0018]应当理解，权利要求1所述的装置、权利要求5所述的方法和权利要求15所述的计算机程序产品类似的和/或相同的优选实施例，特别是如从属权利要求中所限定的优选实施例。
[0019]应当理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求与相应的独立权利要求的任意组合。
[0020]参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将是显而易见的，并且将参考下文描述的实施例对本发明的这些和其他方面进行说明。
【附图说明】
[0021]在附图中:
[0022]图1示出了根据本发明的实施例的对用于模拟血流量的患者特异性边界条件的生成和使用的示意性方框图；
[0023]图2a_f示出了分别用于开放的、钙化的中间开口和闭合的瓣膜的情况的分割瓣膜的示意性的重新格式化的视图；
[0024]图3示出了具有通过基于模型的分割提取的心脏腔室的体积曲线的图表；以及
[0025]图4示出了对通过主动脉瓣膜的血流量的模拟的示意性且示范性的可视化。
【具体实施方式】
[0026]现在基于在从每次心搏的心脏射血输出导出的患者特异性边界条件下对通过左心室(LV)流出道加上上升主动脉(作为靠近心脏的血液空腔或心血管结构的范例)的患者特异性几何结构的血流量的模拟来描述实施例，所述血液体积可以从在最大和最小充盈状态(例如，舒张期结束，收缩期结束)下的LV的(至少)两幅图像来计算。可以通过基于模型的分割来自动获得LV流出道的几何结构、包括AV的主动脉根部、加上上升主动脉和心室体积。
[0027]图1示出了图示对用于模拟通过主动脉瓣的流量的患者特异性边界条件的生成和使用的示意性方框图。图1的方框可以被视为适合于执行相应功能的硬件电路或者被视为对应方法的步骤或者可以被实现为包括用于当在计算机或处理器系统上运行时产生相关功能的代码单元的软件程序的过程。
[0028]首先，在分割步骤或电路(CT(OV))1中，LV流出道、包括AV的主动脉根部、加上上升主动脉在CT图像中被分隔为开放式瓣膜(OV)状态，以获得整个血液空腔的表面网格。如例如 0.Ecabert 等的 “Segmentat1n of the heart and great vessels in CT imagesusing a model-based adaptat1n framework，，，Medical Image Analysis 2011，15(6)，863-876页中所描述的，这可以使用基于模型的分割来完成。总体上，分割是将数字图像分区为多个段(即像素的集合)的过程。在分割中，体素被分配到特定的结构，例如通过添加标签或标记或颜色或轮廓等。这可以通过诸如阈值处理、边缘检测、区域生长等典型图像分割方法来实现。然后，在建模步骤或电路(VM) 12中，根据从分割步骤或电路10中获得的表面网格，使用已知的网格化工具来生成用于计算