用于个人化血液动力学建模和监控的系统和方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2013年3月14日提交的题为"SYSTEMANDMET册DFOR 阳RSONALIZED肥MODYNAMICSMODELINGANDMONITORING"的美国临时专利申请 No. 61/782, 597的优先权，其整体内容通过引用合并于此。
技术领域
[0003] 本发明设及用于评估屯、脏参数和形成个人化屯、脏模型的系统和方法，并且具体 地，设及其中抽象个人化屯、脏模型并且利用其监控屯、脏参数的运样的系统和方法。
【背景技术】
[0004] 多年来科学家尝试预测屯、血管系统的功能并且具体地预测屯、脏的功能。运些尝试 跨越各种科学领域而在方法上有所变化。数学建模是已尝试预测作为各个部分W及作为整 体系统二者的屯、脏的功能的一种方法。然而对屯、脏建模是复杂的，因为存在动态且相关的 大量变量。大部分屯、脏变量是难于预测的，并且由于极大地依赖于诸如人类行为、各种非屯、 脏疾病、环境条件、屯、脏重新建模和非预测事件的各种因素，因而更加复杂。
[0005] 屯、血管系统和/或循环系统作为封闭系统工作，因此系统的一个部分的作用转而 影响系统的所有其他部分，导致其复杂性和动态本质。例如，如果人的血压上升（高血压）， 则在静脉系统中存在相应的血压降低，由于静脉管比动脉管更屈从，因此该降低比动脉侧 的增加小得多。在循环系统中，关键分量是屯、脏。对屯、脏的任何分量的任何改变将具有遍 及整个系统感受的影响。
[0006] 屯、脏的主要功能是将充氧血液递送到遍及身体的组织。该功能在若干连续步骤中 完成，每个步骤与屯、脏解剖的特定腔室相关。最初在屯、脏的右屯、房中接收去氧血液。该去 氧血液通过屯、脏的右屯、室累浦到肺，其中血液被充氧。最初在屯、脏的左屯、房中接收充氧血 液并且充氧血液最终被屯、脏的左屯、室累浦遍及身体。在该过程中屯、脏的左屯、室具有特别的 重要性，因为其负责通过主动脉瓣累浦充氧血液并且最终遍及整个血管系统。
[0007] 屯、血管系统的建模需要同时考虑屯、脏的每个腔室W及协同行为。特别地，屯、血管 系统的适当建模应解释和/或考虑屯、血管系统的不同的异常，例如高血压和屯、力衰竭。
[0008] 现今报道的最常见的屯、血管异常保持在高血压和充血性屯、力衰竭。运些公知的血 液动力学失调反映了循环系统中牵设的力和物理机制之间的平衡的改变和/或异常，并且 可W指示与屯、脏的腔室和/或整体解剖相关联的改变。
[0009] 为了解决与屯、脏功能相关联的问题并且为了理解导致它们的起因和/或准确地 监控诸如高血压的屯、血管改变，许多研究人员将问题分解成更多的可管理的问题，仅将他 们的关注和注意放在屯、血管系统的特定方面并且对其建模，例如左屯、室。
[0010] 例如，一些研究人员对大的人动脉的血液动力学建模，其他研究人员仅对屯、脏的 几何特征和肌肉纤维组织建模并且一些研究人员研究细胞生理学和屯、肌细胞内部的生物 过程。
[0011] 为了对整个屯、血管系统建模，调查人员通常使用集中参数方法，其中通过电位和 电流分别对平均压力和流量建模。通过使用阻抗描述动脉血管，阻抗由电阻器、电容器和电 感器的适当组合表示。
[0012] 尽管有W.Harvey、L.化ler、D.Bernoulli、J.化iseuille和其他科学家的初创工 作，但是描述完整的屯、血管系统的特征并且实现基于基础物理（流体动力学和弹性）定律 的计算机化数值解的综合模型仍没有被充分开发用于医疗实践或其他现实生活应用。
[0013] 大部分数学模型通常对疾病或其他健康生物过程的特定方面进行仿真，并不详尽 提供全局的一体化过程。例如，在本领域中用于屯、输出量、血压、射血分数等屯、脏生理过程 的数学建模分别是已知的。然而，已寻求在诸如器官的特定生物层级处使运些表面上个体 的模型组合并且相关成为综合模型W能够分析、预测或解释生物现象的能力，但该问题仍 然是突出的。
[0014] 整体内容通过引用合并于此的授予Adirovich的美国专利公布No. 2011/0144967 教导了一种集成建模系统，其对整个屯、脏建模，但是其没有提供能够产生可W识别不易于 测量的血液动力学参数的稳定化和个人化的血液动力学监控。
【发明内容】
[0015] 本发明通过提供用于评估血液动力学和/或屯、脏参数并且形成随后被用于监控 屯、脏参数的个人化屯、脏模型的系统和方法而克服了【背景技术】的缺陷。本发明的屯、脏建模的 特征在于，按屯、动周期的事件抽象模型，其中屯、动周期的每个事件被单独建模W形成整个 屯、脏的个人血液动力学模型。最优选地，各个屯、动周期被分成15个情况和/或事件的集合。 最优选地，通过多个屯、脏函数对15个屯、动周期事件中的每个建模。
[0016] 本发明的实施例提供了一种用于在两阶段处理中监控多个屯、脏参数的方法。该两 阶段处理包括第一阶段和第二阶段，在第一阶段中针对包括多个屯、脏参数的主数据集合抽 象个人化血液动力学模型，而在第二阶段中使用个人化屯、脏模型监控多个所监控的屯、脏参 数。可选地并且最优选地，所监控的屯、脏参数提供了在屯、动周期期间动态改变的血液动力 学和/或屯、脏参数的桐察，而运些参数通过非侵入手段是难于获得和/或达成的。最优选 地，输出的所监控的屯、脏参数基于监控输入集合，其包括至少一个用于推断多个所监控的 血液动力学参数的输入监控屯、脏参数。可选地，监控输入参数可W包括例如，但不限于，任 何动力学屯、脏参数压力、血管直径、腔室内部的速度、屯、室容积、血管中的速度、通过瓣膜的 速度、在循环期间改变的参数等，或者它们的任何组合。可选地，监控输入参数可W例如获 得自直接测量参数、推断参数、曲线图等。
[0017] 可选地，可W利用多个输入监控屯、脏参数。
[0018] 在本申请的上下文中，术语"辅助装置"指的是可W与本发明的系统通信（接收或 发送）和/或交换数据的任何装置。辅助装置可W包括例如，但不限于，图像处理装置、计 算机、服务器、移动通信装置、智能电话、植入装置、健康护理者系统、健康护理者数据库、决 策支持系统、超声波屯、动描记器、超声、押、131、？61\图像处理器、非影像测量装置、传感器、 植入传感器、数据存储装置、在线监控装置、血压测量计、血压装置、直接导管插入装置、电 子装置、植入装置、屯、动电流描记器巧CG或邸0、实验室测试装置、血液工作参数。
[0019] 在本申请的上下文中，术语"屯、脏函数"指的是重复屯、血管生理学的至少一个方面 的任何函数和/或数学模型。
[0020] 在本申请的上下文中，术语"主集合"指的是用于抽象模型的集合，包括输入测量 集合、补充随机化数据集合、模型集合部分。
[0021] 在本申请的上下文中，术语"输入测量集合"指的是最优选地来自影像数据、超声 波屯、动描记器的测量参数集合。
[0022] 在本申请的上下文中，术语"补充随机化数据集合"指的是补充到输入集合用于 (填孔）使从输入集合不能获得的任何屯、脏数据完整的数据集合。
[0023] 在本申请的上下文中，术语"建模数据集合"指的是在初始化进程期间（在仿真之 前）确定的系数、常数的数据集合，用于基于输入集合和补充集合确定提供系统数据。
[0024] 在本申请的上下文中，术语"监控输入数据集合"指的是包括至少一个或更多个并 且高达约屯个屯、脏参数的屯、脏参数数据集合。最优选地，监控输入数据集合优选地用于推 断多个所监控的屯、脏参数。
[0025] 在本申请的上下文中，术语"所监控的屯、脏参数数据集合"指的是屯、脏参数的数据 集合，其包括通过基于监控输入集合抽象/推断/计算/确定的个人化屯、脏模型确定的多 个参数。
[0026] 在本申请的上下文中，术语"屯、脏函数"指的是描述屯、血管系统的血液动力学、屯、 脏功能和生理学的数学函数或其推导，其得自多个数学建模函数，包括例如，但不限于，从 广义胡克定律得到的弹性方程；被动杨氏模量；主动杨氏模量；欧拉方程;Moen方程；质量 守恒定律和能量守恒定律。
[0027] 在本申请的上下文中，术语"屯、动周期内事件"指的是共同描述单个屯、动周期的15 个事件和/或情况，运15个事件和/或情况中的每个描述屯、动周期的快照（snapshot)。
[0028] 在本申请的上下文中，术语"功能屯、脏工作流"指的是被描述用于确定15个屯、动 周期事件中的哪个代表可用数据集合的工作流。
[0029] 在本申请的上下文中，术语"右屯、脏"指的是屯、脏的右侧，包括右屯、室和右屯、房。
[0030] 在本申请的上下文中，术语"左屯、脏"指的是屯、脏的左侧，包括左屯、室和左屯、房。
[0031] 在本申请的上下文中，W下符号和/或缩写可W在本申请通篇中使用；
[003引RA右屯、房；
[0033]RV 右屯、室；
[0034] LA 左屯、房；
[0035] LV 左屯、室；
[0036] P 屯、包；
[0037] Pa肺动脉；
[00測 L1虚拟肺动脉；
[0039] L2虚拟肺毛细管；
[0040] L3虚拟肺静脉；
[00川 Pv肺静脉；
[0042]Ao主动脉；
[004引B1全身动脉；
[0044] B2全身毛细管；
[004引B3全身静脉；
[004引Vc腔静脉。
[0047]Tr=尖瓣；
[004引化二尖瓣；
[0049]PLA压力左屯、房；
[0050]PLV压力左屯、室；
[0051]PRA压力右屯、房；
[0052] PRV压力右屯、室；
[0053]PAo主动脉内压；
[0054]PPa压力肺动脉；
[00巧]Ipred_LA左屯、房复极化-去极化定时
[0056]Ipred_LV左屯、室复极化-去极化定时
[0057]IprecLRA右屯、房复极化-去极化定时
[005引 Ipred_RV右屯、室复极化-去极化定时
[005引Ea主动杨氏模量
[0060] Ep被动杨氏模量
[0061] 最优选地，在第一阶段中，针对包括多个屯、脏参数的主集合抽象屯、脏血液动力学 模型，其中抽象屯、脏血液动力学模型W配合并准确地反映多个屯、脏参数。最优选地，主数据 集合包括测量的屯、脏参数的输入集合、补充随机化数据集合和建模数据集合。
[0062] 最优选地，通过最优选地尝试构建和/或抽象准确的个人化屯、脏模型的屯、脏血液 动力学模型抽象器和/或构建器和/或仿真器来抽象个人化屯、脏模型，其准确地反映和/ 或重建多个屯、脏参数的输入数据集合。
[0063] 最优选地，基于抽象的屯、脏血液动力学模型重建多个屯、脏参数的输入数据集合的 坚持和/或能力来评估其质量。最优选地，在评估处理中评估屯、脏血液动力学模型，该评估 处理通过确定关于所抽象的屯、脏模型的损失分值（penaltyscore)来评估所抽象的模型。 最优选地，基于模型预测多个屯、脏参数的输入集合的能力来确定损失。可选地和优选地，针 对损失阔值水平来评估损失，如果损失在阔值W下，则所抽象的模型可W被接受，如果损失 分值在阔值W上，则拒绝所抽象的模型并且开始抽象新模型的处理。
[0064] 最优选地，通过最初获得测量的屯、脏参数的输入集合并且在其上构建跟随有建模 数据集合的补充随机化数据集合来形成主数据集合。
[0065] 最优选地，输入集合是最优选地借助于图像分析和/或直接测量的测量数据集 合。可选地，输入数据集合由本领域已知的可选的图像处理技术提供，包括例如，但不限于， 超声、多普勒超声、超声波屯、动图、血管造影片、CT、MRI、PET等或它们的任何组合。
[0066] 最优选地，补充随机化数据集合是补充到输入数据集合的系统生成的屯、脏参数的 数据集合，包括在输入集合中不能获得的和/或找不到的屯、脏参数。最优选地，补充数据集 合包括设置有基于参数类型和预期值的给定（逻辑）数据范围内和/或给定标准值范围内 的随机化值的参数。最优选地，补充数据集合由抽象器生成和/或随机化。最优选地，在抽 象器对初始值进行随机化之后，系统检查所抽象的补充数据集合的有效性。可选地，根据基 于规则的和/或相对于所生成的参数的逻辑的层级来提供有效性检查。例如，屯、脏腔室的 内部直径不大于同一屯、脏腔室的外部直径。
[0067] 最优选地，建模数据集合包括利用与屯、动周期的各个15个事件相关联的屯、脏函 数所需的参数、系数、常数等数学数据。可选地和最优选地，建模数据集合由屯、脏血液动力 学模型抽象器确定并且在初始化处理期间基于输入数据集合并且最优选地基于输入集合 和补充数据集合二者来确定。
[0068] 最优选地，主数据集合包括多个屯、脏参数，最优选地如下表1中所示：
[0069]
[0070]