预测支架术后血液动力学指标的方法和系统的制作方法
【专利说明】
[0001] 本申请要求2014年6月30日提交的美国临时申请62/018, 800的优先权，其公开 内容通过引用包含于此。
技术领域
[0002] 本发明涉及动脉狭窄的治疗规划，并且更确切而言涉及预测动脉狭窄的支架术后 血液动力学指标。
【背景技术】
[0003] 心血管疾病（CVD)在全世界来说是主要致死原因。在多种CVD中，冠状动脉疾病 (CAD)占据了这些死亡中的近50%。血管的局部变窄，或者说狭窄，代表了心血管疾病的一 大成因。这种狭窄典型地随时间逐渐形成，并且会在动脉循环的不同部分，诸如冠状动脉、 肾动脉、末梢动脉、颈动脉、脑动脉等中发展。这种局部变窄也可以是先天缺陷的后果。世 界范围内一个用于治疗动脉狭窄的疗法是支架术，即，将金属或聚合物支架放置在动脉中 以打开该内腔，并且因此有利于血液流动。当处理冠状动脉狭窄时，支架术疗法被称作经皮 冠状动脉介入（PCI)。
[0004] 近年来，对于用于计算人体心血管系统中的血液流动的计算方法获得颇多关注。 在结合从医学图像中提取的患者特定解剖模型被使用时，这种计算技术能提供对于心血管 系统的结构和功能的重要理解。为了预测PCI的效果和最优规划其，提出了依赖于计算建 模的技术来在提取自医学图像的解剖几何模型中进行支架的虚拟放置，以及计算在修改的 支架术后几何中的血流和压力。
【发明内容】
[0005] 本发明提供了用于预测支架术后血液动力学指标以进行动脉狭窄治疗规划的方 法和系统。本发明的实施例利用结合通过支架术前医学成像采集的数据的计算建模来计算 支架术后血液动力学指标，诸如流动、压力或其它导出的血液动力学指标如血流储备分数 (FFR)。本发明的实施例不要求修改脉管解剖的支架术前几何模型来获得支架术后几何模 型。而是，本发明的实施例修改压降模型以直接计算支架对血流和压力的影响。从而，本发 明的实施例在无需对支架术后解剖模型进行中间计算的条件下根据支架术前解剖模型直 接计算支架术后功能模型。
[0006] 在本发明的一个实施例中，从患者的医学图像数据中提取冠状动脉支架术前患者 特定解剖模型。借助用于计算在所述支架术前的患者特定解剖模型中在目标狭窄区域上的 压降的修改的压降模型，模拟在冠状动脉的所述支架术前的患者特定解剖模型中的血流， 其中修改的压降模型模拟支架术对所述目标狭窄区域的影响。基于利用修改的压降模型 计算的在目标狭窄区域上的压降，对于目标狭窄区域计算所预测的支架术后血液动力学指 标。
[0007] 在本发明的另一实施例中，从患者的医学图像数据中提取冠状动脉支架术前患者 特定解剖模型。基于在冠状动脉支架术前患者特定解剖模型中模拟的血流和压力，对于在 冠状动脉支架术前患者特定解剖模型中的多个狭窄区域计算支架术前血流储备分数（FFR) 值。基于对于所述多个狭窄区域计算的支架术前FFR值，确定多个虚拟支架术策略。对于 所述多个狭窄区域预测得自所述多个虚拟支架术策略中的每个的支架术后FFR值，其中， 每个虚拟支架术策略指定所述狭窄区域中的一个或多个来进行支架术，并且，对于每个虚 拟支架术策略，对于所述多个狭窄区域预测的支架术后FFR值是通过如下方式计算的，即， 借助相应的用于对于在该支架术策略中指定为待进行支架术的狭窄区域中的一个或多个 中的每个，计算支架术后压降的修改的压降模型，来模拟在冠状动脉支架术前患者特定解 剖模型中的血流。
[0008] 本发明的这些和其它优点将通过参考下面的详细描述和附图而对于本领域普通 技术人员变得显然。
【附图说明】
[0009] 图1示出了根据本发明的一个实施例的对于患者的一个或多个冠状动脉狭窄预 测血液动力学指标的方法；
[0010] 图2示出了对于生成冠状脉管树的支架术前患者特定解剖模型的示例性结果；
[0011] 图3示出了根据本发明的一个实施例的冠脉循环的示例性多尺度计算模型；
[0012] 图4示出了用于示例性狭窄区段的压降模型的参数；
[0013] 图5示出了根据本发明的一个实施例的用于修改压降模型和计算在冠状动脉狭 窄上的压降的方法；
[0014] 图6示出了根据本发明的一个实施例的支架治疗规划方法；
[0015] 图7示出了对于冠状动脉树中的三个狭窄区域的示例性支架术前FFR计算结果；
[0016] 图8-14示出了对于用于在图7的冠状动脉狭窄上执行虚拟PCI的不同支架术策 略所预测的支架术后FFR值；以及
[0017] 图15是能够执行本发明的计算机的高级框图。
【具体实施方式】
[0018] 本发明涉及用于预测支架术后血液动力学指标以进行动脉狭窄治疗规划的方法 和系统。在此描述本发明的实施例以给出对于预测动脉狭窄的支架术后血液动力学指标的 方法的视觉理解。数字图像通常由一个或多个对象（或形状）的数字表示构成。对象的数 字表示在此通常在识别和操纵对象方面进行描述。这种操纵是在计算机系统的存储器或其 它电路/硬件中完成的虚拟操纵。从而，要理解的是，可以在对存储在计算机系统中的数据 进行利用的计算机系统内执行本发明的实施例。
[0019] 为了预测用于对冠状动脉中的狭窄进行支架术的经皮冠状动脉介入（PCI)的效 果，提出了依赖于计算模型的技术来执行在提取自医学图像的解剖几何模型中虚拟地放置 支架和在修改的支架术后几何中计算血流和压力。早先的方法中的一个共同方面是生成支 架术后解剖模型和支架术后功能模型的方式。如在此使用的，"支架术后解剖模型"指的是 将支架放置在脉管中之后的内腔几何模型，而"支架术后功能模型"值得是将支架放置在脉 管中之后内腔中的流动/压力计算。在早先的方法中，使用三步法，其中在第一步中从在 支架术前采集的医学图像中提取脉管解剖的3D几何模型，在第二步中修改支架术前解剖 模型以模拟支架在脉管中的放置从而得到支架术后解剖模型，并且在第三步中在修改的支 架术后解剖模型中进行计算的流体动力学（CFD)计算以评估支架对血流的影响从而得到 支架术后功能模型。该方法中的第二步（即生成支架术后解剖模型）典型地通过将支架 和/或脉管内腔建模为可形变对象以及利用诸如有限元方法（FEM)的计算机制的技术来实 现，以求解由于支架引起的内腔的形变。虽然也提出了用于建模支架或内腔的其他技术，但 是所有早先的方法中共同的主题是修改解剖模型以创建虚拟支架术后几何，其然后被用于 CFD模拟以计算支架术后流动和压力相关的指标。应注意的是，生成支架术后解剖模型是一 个复杂的步骤，其要求许多假设，诸如脉管壁的材料特性、支架的精确几何和材料特性、气 球力（或者在自扩张式支架情况下的预应力）等。此外，必须修改支架术前解剖模型以创 建不同的支架术后解剖模型来对于每个狭窄或狭窄的组合建模PCI支架术。
[0020] 本发明的实施例的有利之处在于，在不生成支架术后解剖模型的条件下利用支架 术前解剖模型直接获得支架术后功能模型。本发明的实施例可利用混合或者多尺度计算模 型来计算冠状动脉中的血流和压力，其将降阶的压降模型用于建模狭窄或脉管中的任何其 他变窄上的压力损失。压降模型计算由于脉管的变窄（例如狭窄，钙化、血栓、分支等）而 出现的有效压降，而不进行在脉管的该区域中的明确流动计算。本发明的实施例利用与患 者的支架术前医学图像数据结合的计算建模来计算支架术后血流储备分数（FFR)或者冠 状动脉狭窄的其他血液动力学指标。本发明的实施例不要求获得脉管解剖支架术前几何模 型的修改来在计算支架术后血液动力学指标之前首先获得支架术后几何模型。而是，本发 明的实施例通过直接修改用于特定狭窄的压降模型来计算支架对血流和压力的影响。结果 是，本发明的实施例在无需中间计算支架术后解剖模型的条件下计算支架术后功能模型。 在此描述本发明的实施例以预测冠状动脉狭窄支架术后血液动力学指标从而进行PCI治 疗规划。然而，应理解的是，这里描述的方法还可以类似地用于预测对于其它类型动脉的支 架术后血液动力学指标，诸如肾动脉、末梢动脉、颈动脉、脑动脉等。在此描述的方法还可以 应用于循环系统的其它部分，诸如静脉循环或者肺循环。本发明的实施例还可以被应用于 气道的治疗规划。
[0021] 图1示出了根据本发明的一个实施例的用于预测患者的一个或多个冠状动脉狭 窄的血液动力学指标的方法。参考图1，在步骤102,接收患者的支架术前医学图像数据。 在进行支架术，诸如用于冠状动脉狭窄的PCI之前采集支架术前医学图像数据。可以接收 来自一个或多个成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成像 (CT)、动态CT、磁共振（MR)、脉管造影术、超声、单光子发射计算断层成像（SPECT)和任意其 它类型的医学成像模态。医学图像数据可以是2D、3D或4D(3D+时间）医学图像数据。医 学图像数据可以直接从一个或多个图像采集设备，诸如CT扫描仪、MR扫描仪、脉管造影术 扫描仪、超声设备等接收，或者可以通过加载之前存储的患者的医学图像数据来接收医学 图像数据。
[0022] 在一个有利的实施例中，在CT扫描仪上需要3D冠脉CT脉管造影术（CTA)图像。 CTA图像保证了利用注射到患者中的造影剂充分地成像冠脉系统，包括含有狭窄的脉管。在 该阶段，可以向医师提供选项，即，通过交互地在图像上观看损伤（狭窄）来识别感兴趣的 损伤。该步骤还可以在从图像数据中提取（步骤104)的患者特定解剖模型上进行。替选地， 可以利用用于自动检测冠状动脉狭窄的算法，诸如在美国公开专利申请2011/0224542(其 通过引用包含于此）描述的用于自动检测冠状动脉狭窄的方法，来在图像数据中自动检测 狭窄。除了医学图像数据之外，还可以采集非侵入性临床测量，诸如患者心率和收缩及舒张 压。这些非侵入性临床测量可以用于建立CFD计算的边界条件。
[0023] 在步骤104,从支架术前医学图像数据中提取冠状动脉的支架术前患者特定解剖 模型。患者特定解剖模型可以是患者的全部的冠状动脉树的任何部分的患者特定解剖模 型。为了生成冠状动脉树的患者特定解剖模型，可以利用自动冠脉中心线提取算法在3D医 学图像数据中分割冠状动脉。例如，利用在美国公开专利申请2010/0067760(其通过引用 包含于此）描述的方法在CT体积中分割冠状动脉。如果提取了冠状动脉中心线树，则可以 在中心线树的每个点上生成横截面轮廓。在中心线树的每个点上的横截面轮廓给出了在 冠状动脉的该点上的对应的横截面面积测量。然后对于所分割的冠状动脉生成几何表面模 型。例如，在美国专利7, 860, 290和美国专利7, 953,266(两者都通过引用包含于此）中描 述了用于对冠状动脉进行解剖建模的方法。除