基于个性化冠状动脉分支血流量的FFRCT计算方法与流程

本发明涉及生物力学、血流动力学领域，特别是涉及一种血流动力学数值模拟技术，可用于人体冠状动脉血流动力学仿真计算的个性化边界条件设置，进而实现FFR_CT的数值模拟计算。

背景技术：

冠脉FFR技术是目前临床上用于诊断冠脉狭窄是否造成下游心肌缺血的“金标准”，但由于其有创性、费用昂贵等问题，临床应用受到很大限制，于是催生出冠脉FFR_CT技术。冠脉FFR_CT技术是基于患者冠脉CT图像，利用数值模拟方法实现冠脉的血流动力学仿真，通过提取狭窄冠脉上、下游压力值无创的获得其FFR值，即FFR_CT值。在FFR_CT技术中，冠脉三维模型重建的质量和流体力学计算边界条件的设置是影响计算结果准确性的两个主要因素。本研究重点关注后者。

在压力——流量边界条件中，冠脉各出口流量设置的准确性将直接影响到FFR_CT计算结果的准确性。出口流量的确定主要依赖两方面：一是冠脉血流量的计算；二是冠脉各分支的流量分配。以下就两个方面分别进行阐述。

关于冠脉血流量，目前主要有两种估算方法。一是按照冠脉血流量约占心输出量的4%～5%进行估算。这种方法最简单、直接，但误差也最大，对心功能不全、左室功能障碍的患者容易造成低估。二是按照心肌质量与冠脉血流量存在0.75的幂律关系对冠脉血流量进行估算。该方法从心肌需求角度估算冠脉血流量，相对于第一种方法准确性有了提高。然而心肌质量仅是一方面，不同患者还有心肌灌注水平的差异，因此单一的心肌质量因素很难实现个性化冠脉血流量的估算。

关于冠脉各分支的流量分配，两种主流方法分别为基于血管长度的血流分配和基于血管管径的血流分配。从结构——功能关系理论考虑，血管长度和血管管径均会对流量分配产生一定影响。基于分支血管长度的血流分配方法可能会忽略掉相同长度但管径不同的血管分流量的差异，而基于血管管径的血流分配方法在管径测量位置、分支血管的分级等问题上较复杂，难以规则化。因此，单独考虑其中任一种因素均有可能带来误差。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于个性化冠状动脉分支血流量的FFR_CT计算方法，能够为人体冠状动脉血流动力学的数值模拟提供一种较简便、直接的边界条件设置方法，并能够在一定程度上保证其准确性。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种个性化确定患者冠脉血流量的方法，并建立患者最大充血状态下冠脉血流量计算的经验公式。同时提出一种基于冠脉分支血管体积的流量分配方法，联合泊肃叶定律即可得到冠脉各分支出口的血流量。以冠脉各出口的血流量作为计算的边界条件对患者冠脉血流进行数值模拟，通过对结果的后处理无创的获得冠脉FFR_CT值。

所述的个性化，是在普适性规律的基础上综合考虑患者个人区别于其他患者的生理条件，包括心肌质量、心率、血压，使所关注的生理参数更接近于患者的真实值。

所述的冠状动脉分支血管体积，包括冠状动脉的左前降支（LAD）、左回旋支（LCX）和右冠状动脉（RCA）三大分支。

所述的冠脉血流量，为全冠脉血流量，区别于局部分支冠脉的血流量。

所述的最大充血状态，为患者注射腺苷等血管扩张药物后，使冠脉微循环阻力降到最低，冠脉获得最大灌注量时的状态。

确定冠脉各分支血流量的具体步骤如下。

步骤一，最大充血状态下冠脉血流量计算的经验公式。该公式纳入考虑了患者心肌质量、心率和舒张压，以数学表达式的形式对患者冠状动脉血流量进行计算求解，具体求解过程如下。

上式中M_myo为患者的全心肌质量，即包含左、右室心肌质量及其他心肌细胞质量；HR为患者心率，为健康人群的心率均值；DP为患者舒张压，为健康人群的舒张压均值；α为一常值。

本方法通过左室心肌质量（M_L）与全心肌质量之间的占比关系，利用左室心肌质量对全心肌质量进行推算。相关临床研究表明，左室心肌质量约占全心肌质量的75%。医学统计分析得到健康人群的心率和舒张压均值分别为75次/min、85mmHg。同时，最大充血状态下，人体心肌血流量的平均水平为3.3～3.5mL/min/g。于是有

步骤二，基于冠脉分支血管体积的流量分配方法。测量LAD、LCX和RCA三大冠脉分支的血管体积，依据局部冠脉血管体积与血流量之间的规律得到冠脉分支的流量分配比，具体推导过程如下

研究表明，患者局部心肌质量与相对应的局部冠脉血管体积成正比，对应到冠脉三大分支即

M_LAD=kV_vesselLAD；M_LCX=kV_vesselLCX；M_RCA=kV_vesselRCA

其中M_LAD、M_LCX、M_RCA分别为LAD、LCX、RCA对应区域的心肌质量；V_vesselLAD、V_vesselLCX、V_vesselRCA分别为LAD、LCX、RCA的血管体积；k为一比例常数。

同时，局部心肌体积与对应区域的冠脉血流量之间存在0.75的幂律关系，即有

Q_LAD=lM_LAD^0.75；Q_LCX=lM_LCX^0.75；Q_RCA=lM_RCA^0.75

其中Q_LAD、Q_LCX、Q_RCA分别为LAD、LCX、RCA的血流量；l为一比例常数。

由以上两式，可推导得出下式

Q_LAD=lkV_vesselLAD^0.75；Q_LCX=lkV_vesselLCX^0.75；Q_RCA=lkV_vesselRCA^0.75

即局部冠脉血流量与对应的冠脉血管体积之间存在0.75的幂律关系。

由此，可得出LAD、LCX、RCA三大冠脉分支的分流比为

Q_LAD:Q_LCX:Q_RCA=V_vesselLAD^0.75:V_vesselLCX^0.75:V_vesselRCA^0.75

步骤三，三大冠脉分支的血流量的确定。

全冠脉血流量为LAD、LCX、RCA分支血流量之和，即

Q_cor=Q_LAD+Q_LCX+Q_RCA

于是LAD、LCX、RCA分支血流量分别为

步骤四，冠脉各分支出口流量的确定。

由泊肃叶定律和血管能量耗散理论可知，理想状态下，一根血管内的流量与血管管径的3次方成正比，即

其中，Q为血管内流量，d为血管直径，μ为血液动力粘度系数，λ为一比例常数，表示血管单位体积新陈代谢所耗的能量。

设LAD各出口管径为a₁,a₂,......,a_n，LCX各出口管径为b₁,b₂,......,b_m，RCA各出口管径为c₁,c₂,......,c_s，于是LAD、LCX和RCA各出口流量为

将上述方式确定的冠脉各出口血流量作为边界条件，施加到基于患者CT图像重建的冠脉三维模型中进行血流动力学仿真计算，从流体计算结果中提取狭窄冠脉上、下游血压（P_a和P_d），利用公式计算求得冠脉FFR_CT值。

本发明的有益效果是：本发明能够实现人体冠脉FFR的无创计算，个性化的冠脉流量边界可使仿真结果更加接近患者冠脉最大充血状态下真实的血流状态，从而提高冠脉FFR_CT的计算准确率。

附图说明

图1是人体冠状动脉三维结构示意图；

图2是本发明的流程示意图；

具体实施方式

下面参照本发明的流程示意图，对本发明的一个实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

步骤一，采集患者的心率、舒张压和心肌质量等临床生理参数。

步骤二，以冠脉血流量和心肌质量的0.75的幂律关系为基础，纳入心率、舒张压因素，建立冠脉血流量计算的经验公式，

步骤三，代入心率均值75次/min、舒张压均值85mmHg、左室心肌质量，并以人体最大充血状态下心肌灌注平均水平3.3～3.5mL/min/g计算得到修正参数α=12，进而得出最大充血状态下冠脉血流量计算的经验公式为

步骤四，将待分析患者的心肌质量、心率和舒张压等生理参数代入到最大充血状态下冠脉血流量计算的经验公式中计算出该患者的冠脉血流量。

步骤五，基于该患者冠脉CT图像重建出冠脉三维模型，并对模型进行平滑等预处理。

步骤六，测量冠脉三大分支血管LAD、LCX和RCA的体积。

步骤七，基于分支血管体积获得三大分支的分流比。

M_LAD=kV_vesselLAD；M_LCX=kV_vesselLCX；M_RCA=kV_vesselRCA

Q_LAD=lM_LAD^0.75；Q_LCX=lM_LCX^0.75；Q_RCA=lM_RCA^0.75

于是有

Q_LAD=lkV_vesselLAD^0.75；Q_LCX=lkV_vesselLCX^0.75；Q_RCA=lkV_vesselRCA^0.75

Q_LAD:Q_LCX:Q_RCA=V_vesselLAD^0.75:V_vesselLCX^0.75:V_vesselRCA^0.75

步骤八，结合冠脉血流量和三大分支分流比，获得冠脉三大分支的血流量。

步骤九，联合泊肃叶定律，获得冠脉各分支出口的血流量。

步骤十，将冠脉各出口流量作为血流动力学计算的边界条件，同时主动脉根部入口施加心输出量、出口施加平均动脉压，进行血流动力学仿真计算。

步骤十一，仿真计算结果的后处理，提取狭窄冠脉上、下游血压（P_a和P_d），利用公式计算求得冠脉FFR_CT值。

根据以上方法步骤，完成了8例患者共10支狭窄冠脉的FFR_CT计算，现将仿真计算结果与临床实测FFR值的对比汇总在表1中。

表1冠脉FFR_CT与临床实测FFR的对比汇总

从表1中数据可看出，利用该方法仿真计算得到的FFR_CT进行心肌缺血判定（FFR_CT≤0.8）的结果与临床实测FFR基本一致。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。