基于计算流体力学的冠状动脉血流仿真系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及计算机仿真技术领域，特别涉及一种基于计算流体力学的冠状动脉血 流仿真系统和方法。
【背景技术】
[0002] 冠状动脉性心脏病（CHD, coronary artery heart disease)，简称冠心病，是一种 最常见的心脏病。是指因冠状动脉狭窄、供血不足而引起的心肌机能障碍和/或器质性病 变。
[0003] 冠状动脉是主动脉的分支，负责供应氧和营养素予心肌，并且没有旁支。当冠状动 脉被粥样硬化斑块或血凝块堵塞时，便会引致心脏供血不足。如果动脉粥样硬化斑块发生 在冠状动脉，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时会 出现心肌缺血伴收缩功能减退、心律失常甚至心肌梗死、心脏病突发等。患者会感受到胸 痛、慢性稳定型心绞痛或不稳定型心绞痛等等症状，最严重的可导致死亡。根据世界卫生组 织的数据，心血管疾病无论在中国范围内还是世界范围内，都是造成人类疾病死亡的头号 死因。
[0004] 动脉粥样硬化其发生和演变可以维持很长时间，而没有临床症状。当粥样硬化斑 块引起血管内壁狭窄超过60%时，在血液供应需求增加的时候就会出现缺血。因此临床上 需要进行检查以得到患者心脏的冠状动脉损伤的区域大小、形状、位置、危险程度、是否影 响血流供应等信息。
[0005] 现有医学成像技术中，对于血管狭窄的检测还处于CT和介入的动脉造影影像学 阶段；以及FFR的侵入性测量阶段，单纯通过解剖学影像很难判断患者心肌供血是否充足， 尤其是对于临界状态的病变；另外，造影和FFR测量需要放置传感器、压力导丝等到患者体 内测量，其有创性无疑对病人的身体带来伤害，造成了病人心理和生理的痛苦，增加了医疗 成本并且增加了患者的死亡风险。
【发明内容】
[0006] 在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理 解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关 键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念， 以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
[0007] -方面，本发明提供一种基于计算流体力学的冠状动脉血流仿真系统，包括：
[0008] 计算机断层扫描数据获取系统，所述计算机断层扫描数据获取系统用于获取人体 心血管的计算机断层扫描图像序列；
[0009] 血管三维模型重建系统，所述血管三维模型重建系统用于对所述计算机断层扫描 数据进行提取，根据所述人体心血管的计算机断层扫描图像序列提取冠状动脉血管的断层 扫描图像序列，对提取出的图像序列三维重建得到三维冠状动脉血管模型；
[0010] CFD前处理系统，所述前处理系统用于对所述三维冠状动脉血管模型进行流体力 学计算所需的前处理，所述前处理包括：在所述三维冠状动脉血管模型加载计算设置以及 边界条件参数，进行网格划分；
[0011] CFD计算系统，所述CFD计算系统用于解算血液在冠状动脉血管内的三维流动 控制方程，输出计算结果，所述计算结果包括压力、血流储备分数、血液流速中的一种或多 种；
[0012] 后处理系统，所述后处理系统将所述计算结果附加到所述三维冠状动脉血管模型 的对应位置，并进行压力、血液流速、血流储备分数的彩色云图显示。
[0013] 另一方面，本发明还提供了一种基于计算流体力学的冠状动脉血流仿真方法，包 括：
[0014] 获取人体心血管的计算机断层扫描图像序列；
[0015] 根据所述人体心血管的计算机断层扫描图像序列提取出冠状动脉血管的计算机 断层扫描数据，对提取出的图像序列进行三维重建得到三维冠状动脉血管模型；
[0016] 对所述三维冠状动脉血管模型进行流体力学计算所需的前处理，包括划分网格、 加载计算设置以及边界条件参数；
[0017] 解算血液在冠状动脉血管内的三维流动控制方程，输出计算结果，所述计算结果 包括压力、血流储备分数、血液流速中的一种或多种；
[0018] 将所述计算结果附加到所述三维冠状动脉血管模型的对应位置，进行压力、速度、 血流储备分数的彩色云图显示。
[0019] 与现有技术相比，本发明包括以下优点：
[0020] 1、本发明采用计算冠状动脉FFR作为评估冠状动脉功能的标准，避免了冠状动脉 造影、心脏CT(CTA)等技术通过冠状动脉解剖学角度判断心肌供血情况带来的不足。尤其 对病变处于临界状态时的临床案例有较好的参考价值。
[0021] 2、本发明不同于FFR值测量时要侵入性地放置压力导丝到患者体内，而是基于非 侵入性测量手段和CFD方法，不需要放置传感器、导丝等到患者体内测量，因而减轻了病人 心理和生理痛苦，降低了患者死亡风险医疗成本。
[0022] 3、本发明采用的基于计算流体力学的冠状动脉血流仿真方法和系统中数据处理 的效率和可靠性都较高。
【附图说明】
[0023] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0024] 图1为本发明中基于计算流体力学的冠状动脉血流仿真系统的结构图框图；
[0025] 图2为本发明中的仿真方法流程图；
[0026] 图3为本发明中的心血管三维重建示意图；
[0027] 图4为本发明中的心血管三维模型及网格划分示意图；
[0028] 图5为本发明实施例中获取的原始CT图像；
[0029] 图6为本发明实施例中重建三维模型步骤流程图；
[0030] 图7为本发明实施例中64排CTA数据重建出的部分冠状动脉三维模型；
[0031] 图8为本发明实施例中计算域和解析域示意图；
[0032] 图9为本发明实施例中模型划分的网格局部放大示意图；
[0033] 图10为本发明实施例中瞬态计算步骤示意图；
[0034] 图11为本发明实施例中FFR值计算原理示意图；
[0035] 图12为本发明实施例中结果后处理流程示意图；
[0036] 图13为本发明实施例中计算出的FFR的示例；
[0037] 图14为本发明实施例中计算出的血液在血管内部速度矢量分布示例。
【具体实施方式】
[0038] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例 中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是 本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述 的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当 注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的 部件和处理的表示和描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造 性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039] 实施例一：
[0040] 临床上需要进行检查以得到患者心脏的冠状动脉损伤的区域大小、形状、位置、危 险程度、是否影响血流供应等信息。其中，用来评估心脏冠状动脉损伤的技术可以分成两大 类：侵入式检查和非侵入式检查。侵入式检查为有创性检查，无疑对病人的身体带来伤害， 造成了病人心理和生理的痛苦，增加了医疗成本并且增加了患者的死亡风险。因此，非侵入 式检查在一定程度上成为解决上述缺陷的研究热点。
[0041] 非侵入式检查包括：心电图、心脏损伤标记物检查、运动负荷试验、心肌灌注的单 光子发射计算机断层成像术（Single-Photon Emission Computed Tomography，SPECT)和 正电子发射断层成像术（Positron Emission Tomography,PET),这些检测技术通过测量心 脏电位变化、心肌运动或者心肌灌注改变等间接地评估冠状动脉损伤。
[0042] 心血管磁共振显像（CMR)、冠状动脉CT血管造影（或心脏CT，Coronary Computed Tomography Angiography, CTA或者CCTA)可以得到冠状动脉的各个位置断层成像。然而 CTA能提供的仅仅是解剖学图像的数据，也就是说能直观看到血管狭窄了多少，但并不能提 供冠状动脉内壁损伤对血流影响的直接信息，诸如血流、血压、心肌灌注状态等信息，尤其 是内壁狭窄对心肌供血的影响。
[0043] 现今最常用的CTA是一项将X光机和计算机图像重建技术相结合的非侵入性诊断 方法，在测量过程中通过向患者血液中注入造影剂，来达到增强显示血管的目的。如果患 者因为动脉粥样硬化或其他病理因素引起冠状动脉狭窄（会造成心肌供血不足，引发心绞 痛、心肌梗死等），那么该处的血液流动就会受到阻碍甚至无法流过，在CT断层扫描图像中 会有显示。通过医学图像三维重建技术，可以利用CT图像重建出患者心血管（尤其是冠状 动脉的）三维模型，其中狭窄部位与狭窄程度能比较清楚地直观看出来。
[0044] 然而，临床上心肌缺血程度并不与冠状动脉狭窄程度成简单正比关系，还与狭窄 部位、患者身体状况（运动、休息、血液粘性，精神条件）等等因素有关。并且，当病变处于 临界状态时（如狭窄程度50%~75% )，不同的医生有不同的诊断建议。因此需要引入心 肌FFR这个概念，来作为判断患者病情是否严重到需要药物或者介入治疗的标准，因为血 流储备分数能真实反映下游心肌供血情况及心肌缺血严重程度。研究显示当FFR〈0. 75时， 意味着心肌供血不足已经达到了需要人为干预治疗的阶段，介入治疗或者药物治疗能够取 得理想的效果。但由于FFR的临床测定费用高昂，且具有侵入性即创伤性，对患者有风险和 痛苦，因此需要发展一种非侵入式的FFR值检测方法。
[0045] 因此，有必要发展一种基于非侵入性手段