无创计算冠状动脉狭窄的血液动力学指标的方法和系统的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本发明申请要求于2014年5月9日所提交的美国专利临时申请号61/990, 775的 优先权权益，其内容通过引用结合于此。
技术领域
[0003] 本发明涉及冠状动脉狭窄的无创的功能评价，尤其是涉及根据医学图像数据和血 流模拟进行冠状动脉狭窄的无创的功能评价。
【背景技术】
[0004] 心血管疾病（CVD)是世界范围内的主要致死原因。在各种CVD中，冠状动脉疾病 (CAD)占据这些死亡人数的近一半。尽管在医学成像和其他诊断方法上有了显著改进，CAD 患者的早期发病率和死亡率的增长仍然较高。目前进行诊断和控制冠状狭窄的临床实践包 括或者视觉上或者通过定量冠状血管造影术（QCA)对病变血管进行评价。这种评价向医生 提供关于狭窄片段和载瘤动脉（parentvessel)的解剖上的概览，包括面积减小、损害长度 和最窄管腔直径，但不提供该损伤对流过血管的血流的影响的功能评价。
[0005] 已经提出瞬时无波型比率（iFR)作为把冠状动脉狭窄归为在血液动力上严重和 不严重的一个指标。测量iFR通常需要在患者静息状态下将冠状压力导丝插入到狭窄血管 中，在狭窄的近侧和远侧进行有创压力测量。然后将舒张无波期的狭窄远侧的平均压除以 无波期的平均主动脉压来计算iFR。然而，使用压力进行有创压力测量涉及插入压力导丝到 狭窄血管必然带来的与介入相关的风险，并且对于非常窄的狭窄，压力导丝可导致额外的 压力降低。
【发明内容】
[0006] 本发明提供一种对冠状动脉狭窄的血液动力学指标进行无创计算的方法和系统。 本发明的实施方式提供一种在患者静息状态下获得的血管医疗图像得到的贯穿冠状动脉 狭窄的压差以及根据压差得到的血液动力学指标的无创计算方法。本发明的实施方式从医 疗图像计算狭窄的瞬时无波型比率（iFR)，而不需要将压力导丝插入到狭窄处。iFR和其他 血液动力度量可以用来进行冠状动脉狭窄的功能评价。
[0007] 在本发明的一个实施方式中，从患者的医学图像数据中提取患者特定的冠状动脉 解剖测量。表示冠状动脉的冠状循环的计算模型的患者特定的边界条件基于患者特定的冠 状动脉解剖测量计算。使用冠状动脉的计算模型和患者特定的边界条件来模拟冠状动脉的 血流和血压，并且在冠状动脉的血流和血压的模拟过程中对冠脉自我调节进行建模。根据 模拟的血流和血压计算冠状动脉的至少一个狭窄区域的血液动力学指标。在模拟冠状动脉 的血流和血压中的至少一个模拟心动周期中识别无波期，该至少一个狭窄区域的血液动力 学指标可以是基于在至少一个模拟心动周期中识别的无波期中的模拟血压值计算的瞬时 无波型比率（iFR)。
[0008] 本发明的这些和其他优点通过参考下面的详细描述及附图对本领域技术人员来 说是显而易见的。
【附图说明】
[0009] 图1示出了根据本发明的一个实施方式的对冠状动脉狭窄的血液动力学指标进 行无创计算的方法；
[0010] 图2示出了根据本发明的一个实施方式的冠状动脉循环的一个计算模型；
[0011] 图3示出了冠状循环自我调节；
[0012] 图4示出了根据本发明的一个实施方式的在计算血流模拟中对冠状循环自我调 节进行建模的算法；
[0013] 图5示出了在冠状循环自我调节算法中使用的带有分支标志的示意性冠状动脉 树；
[0014] 图6示出了在静息状态下的一个心动周期过程中瞬时血压、血流速度和微脉管阻 抗图中的无波期。
[0015] 图7示出了左冠状动脉树中对波的识别；
[0016] 图8示出了解剖上严重狭窄的血流和血压模拟中示意性的感兴趣量；
[0017] 图9示出了解剖上中度狭窄的血流和血压模拟中示意性的感兴趣量；
[0018] 图10示出了解剖上轻微狭窄的血流和血压模拟中示意性的感兴趣量；
[0019] 图11示出了在医疗图像上可视化计算的iFR数值的例子；
[0020] 图12示出了沿血管的选定位置处的计算的iFR数值的示例图；以及
[0021] 图13示出了能够实施本发明的计算机高层次块状图。
【具体实施方式】
[0022] 本发明涉及一种使用医学图像数据和血流模拟对冠状动脉狭窄的血液动力学指 标进行无创计算的方法和系统。此处描述的本发明的实施方式可使视觉上理解该模拟血流 和评价冠状动脉狭窄的方法。数字图像通常包括一个或多个对象（或形状）的数字表示。 对象的数字表示此处通常在识别或操作该对象方面被描述。这种操作是在计算机系统的存 储器或其他电路/硬件中实现的虚拟操作。相应地，能够理解本发明的实施方式可以在计 算机系统中使用存储在该计算机系统中的数据进行。
[0023] 图1示出了根据本发明的一个实施方式的对冠状动脉狭窄的血液动力学指标进 行无创计算的方法。图1中的方法转换患者的医学图像数据以提取患者冠状动脉的患者特 定的几何结构，生成冠状动脉循环的模型，模拟患者特定的冠状动脉中血流和血压，以及计 算冠状动脉狭窄的一个或多个血液动力学指标，而不需要使用通过穿过狭窄的压力导丝得 到的有创压力测量。如此处描述的，图1中的方法在不使用有创压力测量的条件下计算冠 状动脉狭窄的瞬时无波型比率（iFR)。然而，本发明不限制于iFR，图1中的方法也同样用 来计算其他血液动力学指标。
[0024] 参考图1，在步骤102中，接收患者的医学图像数据和无创临床测量值。可以接 收从一幅或多个图像模态的医学图像数据。例如，医学图像数据可以包括计算机断层扫描 (CT)、DynaCT、磁共振（MR)、血管造影术、超声、单光子发射计算机断层扫描（SPECT)和任 何其他医疗成像模态。医学图像数据可以是2D、3D或4D(3D+时间）的医学图像数据。医 学图像数据可以直接从一个或多个图像获得装置获得，例如CT扫描机、MR扫描机、血管造 影术扫描机、超声装置等，或者可以通过加载之前储存的患者的医学图像数据获得该医学 图像数据。
[0025] 在一个有利的实施方式中，在CT扫描机上获得3D冠状CT血管造影（CTA)图 像。CTA图像确保包括狭窄的血管的冠状脉管系统使用注入到患者体内的造影剂能够充 分成像。在这个阶段，医生可以通过交互观察图像来识别感兴趣的损害（狭窄）。也可 以在从图像数据获取的患者特定的解剖模型上进行该步骤（步骤104)。可替代地，狭 窄可以使用自动探测冠状动脉狭窄的算法在图像数据中自动探测，例如美国专利公开号 No. 2011/0224542公开的自动探测冠状动脉狭窄的方法，其内容通过引用包含于此。除了医 学图像数据，也获得其他无创临床测量，例如患者的心率和收缩舒张压。
[0026] 在步骤104中，从医学图像数据中提取患者特定的冠状动脉解剖测量。在一个有 利的实施方式中，医学图像数据在静息状态下获得，并且从静息状态下获得的医学图像数 据提取冠状动脉的测量。可通过从医学图像数据中生成患者特定的冠状动脉树解剖模型来 提取冠状动脉的测量。患者特定的解剖模型可以是整个患者冠状动脉树的任意部分的患者 特定的解剖模型。为了生成患者特定的冠状动脉树解剖模型，可以使用冠状动脉中线自动 提取算法在3D医疗图像中分割冠状动脉。例如，可以在CT体积中分割冠状动脉，使用美国 专利公开号2010/0067760公开的方法，其内容通过引用结合于此。一旦提取到冠状动脉中 心线树，可以在中心线树的每个点生成横截面轮廓。在每个中心线点的横截面轮廓给出了 冠状动脉在该点处相应的横截面的面积测量。针对所分割的冠状动脉生成表面几何模型。 例如，美国专利号7, 860, 290和美国专利号7, 953, 266描述了冠状动脉解剖建模方法，二者 的内容通过引用结合于此。除了冠状脉，患者特定的解剖模型可包括连带主动脉近侧部分 的主动脉根。使用相似的算法可以提取每个狭窄处的详细3D模型，其包括近端血管直径和 面积、远端血管直径和面积、最细管腔直径和面积以及狭窄长度的定量。
[0027] 上述解剖建模任务可以自动执行或者用户驱动的，因此允许用户（医生）交互地 改变解剖模型以分析这种改变对随后FFR计算的影响。除了冠状动脉树，也可以在医学图 像数据中（自动或者手动）分割心肌来估计左心室质量，在一个可能的实施中，其可以用来 估计患者的绝对静息血流，该静息血流可用来计算血流和血压模拟计算中的边界条件。可 替代地，可以基于所分割的冠状树的总容量或者不同冠状血管的流出半径计算静息血流。 在一个示例性实施方式中，从图像数据自动生成的患者特定的心脏解剖模型可用来实现此 目的。解剖心脏模型是一个具有多个心脏部分的多部分模型，包括四个腔室（左心室、左 心房、右心室、右心房）。解剖心脏模型也可以包括例如心脏瓣膜（主动脉瓣、二尖瓣、三尖 瓣、肺动脉瓣）和主动脉的部分。这种心脏的复杂模型用来获取大量形态、功能和病理上 的改变。建模或分级方法可以用来降低解剖复杂性，并且有助于对个别解剖结构进行有效 灵活的估计。4D心脏解剖模型可以通过生成每个心脏部分的单个模型来生成，例如使用边 缘空间学习（MSL)，然后通过建立网格点对应来整合各心脏部分模型。在美国专利公开号 No. 2012/0022843中描述了关于生成这种4D患者特定的心脏模型的其他内容，其内容通过 引用结合于此。
[0028] 在步骤106中，基于患者特定的冠状动脉解剖测量来生成冠状动脉循环的计算模 型，并且计算入口和出口边界条件。在图1的方法中，狭窄的iFR值是基于通过模拟静息状 态下患者的冠状动脉树的血流和血压计算的血压值。为了有效地在临床工作流程中通过血 流和血压模拟来评价iFR，需要平衡模型复杂性和计算时间，而不牺牲结果精确性。在本发 明的一个有利的实施方式中，可以对患者特定的血流模拟使用降阶的模型，其可对冠状动 脉狭窄的功能严重程度进行评价。该降阶的模型正确估计分布在血管树上的血流和血压， 并且是计算方面有效的，因此可以和临床工作流程无缝整合。虽然此处描述冠状动脉循环 的降阶的模型，本发明不限制于此，也可使用全尺寸模型或多尺寸模型。
[0029] 图2示出了根据本发明的一个实施方式的冠状动脉循环的一个计算模型。如图2 所示，在主动脉的根部耦合心脏模型202。心脏模型202可以如图2所示通过患者特定的 数据参数化为集总模型或构建为完整的3D心脏模型。大动脉，例如主动脉204和由主动脉 供应的大动脉（例如锁骨下动脉、头臂动脉、颈动脉等），左冠状动脉（LCA) 206以及右冠状 动脉208可以由ID血流模型或完整的3D模型来表示。而且，半解析循环模型可以对某些 动脉片段单独使用，或者嵌入在ID或3D模型中。血管壁可以建模成完全弹性的或粘弹性