本發(fā)明應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，尤其涉及應(yīng)用在基于影像修正計(jì)算機(jī)流體力學(xué)(CFD)仿真得到的血管壓力差及FFR的快速計(jì)算方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

常規(guī)心血管成像技術(shù)如冠狀動(dòng)脈X射線造影、冠狀動(dòng)脈CT造影，以及腔內(nèi)成像技術(shù)等，可對(duì)冠狀動(dòng)脈解剖進(jìn)行成像，顯示血管的損傷部位與損傷范圍，但對(duì)于確定損傷是否造成缺血以及定位犯罪血管存在一定的局限性。血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)FFR可以彌補(bǔ)上述影像技術(shù)的不足，優(yōu)化缺血性心臟病的診斷與犯罪血管的選擇，減少不必要的支架植入，且提高患者的長期治療療效，已成為臨床上評(píng)價(jià)缺血性心臟病的金標(biāo)準(zhǔn)。

FFR可以由心外膜冠狀動(dòng)脈狹窄存在的情況下最大心肌血流量除以血管正常時(shí)的最大血流量得到。在最大充血情況下，血流量的比值可以用壓力值來代替，因此，利用一個(gè)對(duì)壓力敏感的冠脈導(dǎo)管，在最大充血情況下，F(xiàn)FR可以通過冠脈遠(yuǎn)端狹窄處的壓力(Pd)和血液動(dòng)力學(xué)壓力傳感器得到的大動(dòng)脈壓力(Pa)相比計(jì)算得到。壓力導(dǎo)絲引導(dǎo)的FFR是冠脈狹窄的血液動(dòng)力學(xué)重要指標(biāo)，但是存在一些局限性，比如有些病人在注入腺苷時(shí)反應(yīng)不適，且壓力導(dǎo)絲造價(jià)太高。在現(xiàn)有技術(shù)中，在如公開號(hào)為CN102905614A的專利文獻(xiàn)，則采用了介入式的方式，通過采集壓力及速度，以積分方式計(jì)算FFR值；又如公開號(hào)為CN 103829933A的專利文獻(xiàn)中，通過將兩個(gè)壓力傳感(壓力傳感器1和壓力傳感器2)介入人體血管中，分別測量兩個(gè)壓力傳感器的數(shù)值，根據(jù)這兩個(gè)壓力傳感器測量數(shù)值的壓力差，來判斷這兩個(gè)壓力傳感器之間是否出現(xiàn)血管狹窄，并通過閾值設(shè)置，將測量結(jié)果報(bào)送醫(yī)生診斷；在又如公開號(hào)為WO2010033971A1的專利文獻(xiàn)中，同樣采用了植入傳感器的方式，計(jì)算FFR值。上述方式均通過介入式獲取FFR值，適用范圍有限，且給病人帶來了較大的痛苦。

而在通過幾何參數(shù)等方式的現(xiàn)有技術(shù)中，例如公開號(hào)為US20150268039A1的專利文獻(xiàn)，通過設(shè)置不同位置處的直徑等幾何參數(shù)的方式，來計(jì)算某段血管近端和遠(yuǎn)端的FFR。此外，涂圣賢等人提出了一種新的計(jì)算血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)(FFR)的計(jì)算機(jī)模型。首先利用三維定量冠脈造影(QCA)得到血管的幾何模型，利用三維QCA和TIMI數(shù)幀法得到充血狀態(tài)下的平均血流量，把充血狀態(tài)下的平均血流量和導(dǎo)管測得的平均血流壓力當(dāng)做計(jì)算流體力學(xué)仿真的入口邊界條件，求解流體力學(xué)方程得到FFR的計(jì)算值。另外，Taylor等人將計(jì)算機(jī)流體力學(xué)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)斷層掃描冠狀動(dòng)脈造影(CTA)，得到計(jì)算FFR的非侵入式方法。利用CTA得到的冠脈解剖數(shù)據(jù)，包括血管供應(yīng)心肌的體積與質(zhì)量等，估計(jì)出最大冠脈血流量，模擬出血管下游微循環(huán)阻力，作為計(jì)算流體力學(xué)仿真的邊界條件進(jìn)行流體方程求解，獲得FFR的計(jì)算值。

上述現(xiàn)有的技術(shù)盡管從不同角度、不同計(jì)算方法中給出了確定血管壓降的方法，但其仍具有至少以下一種或多個(gè)技術(shù)缺陷：(1)采用壓力導(dǎo)絲介入血管采集血管的有關(guān)幾何參數(shù)，成本高昂，且給病人帶來身體損害；(2)采用單一尺度計(jì)算方法，盡管可以獲得常規(guī)血管狹窄情況下的壓降情況，但卻無法正確區(qū)分評(píng)估不同程度(如局限性和彌漫性病變并存的血管)狹窄下幾何參數(shù)改變對(duì)血流壓力的不同影響。(3)根據(jù)冠脈造影或CT重建的幾何模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)流體力學(xué)(CFD)仿真，計(jì)算復(fù)雜度高，計(jì)算量大，耗時(shí)長。(4)依賴于人為評(píng)估病變的尺寸，如病變長度，具有很大的主觀性和誤差，尤其是彌漫性病變。(5)需要利用腺苷誘導(dǎo)冠脈最大充血來計(jì)算充血血流速度，操作復(fù)雜且加大病人的痛苦。(6)需要對(duì)病變血管的分支都進(jìn)行三維重建，工作量大；(7)在血管具有分叉的情況下，由于參考管腔面積的變化，不能準(zhǔn)確計(jì)算FFR。

因此需要提供一種準(zhǔn)確的血管壓降快速計(jì)算方法，其能夠克服上述部分或全部技術(shù)缺陷，快速準(zhǔn)確地計(jì)算FFR數(shù)值。在血管重建過程中，對(duì)于評(píng)估分叉狹窄嚴(yán)重性是一個(gè)經(jīng)常遇到的問題，主要是難以確定分叉中心的血管參考管腔，從而影響了從近端主血管到遠(yuǎn)端血管的狹窄的綜合分析。涂圣賢等人提出了建立一種新的模型，利用大量彎曲橢圓平面來測量分叉中心，從而解決了確定分叉中心狹窄嚴(yán)重性的不明確問題，但是精確度仍然受到限制。一般在CFD仿真重建血管時(shí)需要考慮到所有分叉的情況，從而需要很繁重的工作量，難以達(dá)到快速計(jì)算FFR的作用，如果在CFD仿真時(shí)只考慮單支主血管的情況，忽略其他小分叉，計(jì)算得到的壓力會(huì)不準(zhǔn)確，從而影響到FFR的準(zhǔn)確性。因此，需要通過單支穩(wěn)態(tài)CFD仿真快速計(jì)算壓力分布，利用參考管腔直徑對(duì)壓力分布進(jìn)行校正，準(zhǔn)確計(jì)算含有分叉的血管的血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種基于CFD仿真的分叉血管壓力差的快速計(jì)算方法，包括：

接收一段有分叉血管的幾何參數(shù)和幾何模型，該血管包括近端終點(diǎn)和遠(yuǎn)端終點(diǎn)，所述幾何參數(shù)包括第一幾何參數(shù)，代表該血管段近端橫截面的面積或直徑；第二幾何參數(shù)，代表該血管段遠(yuǎn)端橫截面的面積或直徑；第三幾何參數(shù)，代表該血管段位于近端終點(diǎn)和遠(yuǎn)端終點(diǎn)之間的第一位置的橫截面面積或直徑；優(yōu)選的，所述幾何模型是基于冠脈影像對(duì)分叉血管的主支進(jìn)行三維重建后血管解剖結(jié)構(gòu)，該血管解剖結(jié)構(gòu)為管腔面積或直徑；

接收該分叉血管段近端終點(diǎn)處的入口血流量及血流壓力；

基于所述第一幾何參數(shù)、第二幾何參數(shù)、第三幾何參數(shù)以及第一位置的位置數(shù)據(jù)計(jì)算該血管第一位置處的參考管腔直徑；所述第一位置的位置數(shù)據(jù)是第一位置到血管近端終點(diǎn)之間的距離；

基于所述幾何模型和近端終點(diǎn)處入口血流量及血流壓力，利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)仿真得到所述幾何模型上的壓力分布；

基于所述第一幾何參數(shù)和第三幾何參數(shù)，利用壓力校正公式對(duì)上述壓力分布進(jìn)行校正，計(jì)算獲得所述血管近端終點(diǎn)處的第一血流壓力和第一位置處的第二血流壓力之間的壓力差數(shù)值ΔP。

優(yōu)選的，所述方法進(jìn)一步還包括：以近端終點(diǎn)為參考平面(記作第0平面)，根據(jù)冠脈影像的最大分辨率，對(duì)上述幾何模型沿主支方向進(jìn)行劃分，分別記作第1平面，第2平面，...，遠(yuǎn)端終點(diǎn)為第n平面，所述n為大于1的自然數(shù)值。

優(yōu)選的，所述方法進(jìn)一步還包括：所述CFD仿真是穩(wěn)態(tài)血流仿真，設(shè)置入口邊界條件為近端終點(diǎn)處入口血流量及血流壓力，出口邊界條件為充分發(fā)展的流動(dòng)；基于所述CFD穩(wěn)態(tài)仿真，計(jì)算主支血管第i個(gè)平面上的平血血流壓力值P_i。

優(yōu)選的，所述方法進(jìn)一步還包括：以近端終點(diǎn)為參考點(diǎn)，根據(jù)第一幾何參數(shù)、第二幾何參數(shù)，以及血管段上某點(diǎn)到參考點(diǎn)的距離x，計(jì)算出參考管腔直徑函數(shù)；所述參考管腔直徑函數(shù)用于代表該段血管不同位置上的參考管腔直徑隨著該位置到參考點(diǎn)的距離x變化的函數(shù)；

優(yōu)選的，計(jì)算參考管腔直徑函數(shù)包括對(duì)血管段的從血管段近端終點(diǎn)到遠(yuǎn)端終點(diǎn)范圍內(nèi)的位置參數(shù)進(jìn)行線性歸一化處理。

優(yōu)選的，所述方法進(jìn)一步還包括：基于上述參考管腔直徑函數(shù)，計(jì)算第i個(gè)平面處主支的參考管腔直徑，記作D_i。其中i＝0,1,...,n。

優(yōu)選的，所述方法進(jìn)一步還包括：根據(jù)第i個(gè)平面的參考管腔直徑D_i、平均血流壓力值P_i，血管段近端橫截面的直徑D₀以及近端終點(diǎn)處入口血流壓力P₀，對(duì)第i個(gè)平面的平均血流壓力P_i進(jìn)行校正，得到校正后第i個(gè)平面的壓力值P_i'；所述壓力校正公式為：

i＝1,2,...,n。

優(yōu)選的，所述方法進(jìn)一步還包括：利用所述校正后的壓力值P_i'，可計(jì)算獲得第i平面位置的血流壓力和和近端終點(diǎn)處入口血流壓力P₀的壓力差。

同時(shí)，本發(fā)明還提供了一種基于CFD仿真的分叉血管FFR的快速計(jì)算方法，包括：

接收一段有分叉血管的幾何參數(shù)和幾何模型，該血管包括近端終點(diǎn)和遠(yuǎn)端終點(diǎn)，所述幾何參數(shù)包括第一幾何參數(shù)，代表該血管段近端橫截面的面積或直徑；第二幾何參數(shù)，代表該血管段遠(yuǎn)端橫截面的面積或直徑；第三幾何參數(shù)，代表該血管段位于近端終點(diǎn)和遠(yuǎn)端終點(diǎn)之間的第一位置的橫截面面積或直徑；優(yōu)選的，所述幾何模型是基于冠脈影像對(duì)分叉血管的主支進(jìn)行三維重建后的結(jié)果；

接收該分叉血管段近端終點(diǎn)處的入口充血血流量及血流壓力；所述入口充血血流量是該分叉血管在最大充血狀態(tài)下的血流量；

基于所述第一幾何參數(shù)、第二幾何參數(shù)、第三幾何參數(shù)以及第一位置的位置數(shù)據(jù)計(jì)算該血管第一位置處的參考管腔直徑；所述第一位置的位置數(shù)據(jù)是第一位置到血管近端終點(diǎn)之間的距離；

基于所述幾何模型和近端終點(diǎn)處入口充血血流量及血流壓力，利用穩(wěn)態(tài)計(jì)算流體力學(xué)(CFD)仿真得到所述幾何模型上的壓力分布；

基于所述第一幾何參數(shù)和第三幾何參數(shù)，利用壓力校正公式對(duì)上述壓力分布進(jìn)行校正，計(jì)算獲得所述血管近端終點(diǎn)處的第一血流壓力和第一位置處的第二血流壓力之間的比值，即為血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)。

另外，本發(fā)明還提供了一種基于CFD仿真的分叉血管壓力差的快速計(jì)算系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

幾何數(shù)據(jù)獲取模塊，用于獲得血管的幾何參數(shù)和幾何模型，該血管包括近端終點(diǎn)和遠(yuǎn)端終點(diǎn)，所述幾何參數(shù)包括第一幾何參數(shù)，代表該血管段近端橫截面的面積或直徑；第二幾何參數(shù)，代表該血管段遠(yuǎn)端橫截面的面積或直徑；第三幾何參數(shù)，代表該血管段位于近端終點(diǎn)和遠(yuǎn)端終點(diǎn)之間的第一位置的橫截面面積或直徑；優(yōu)選的，所述幾何模型是基于冠脈影像對(duì)分叉血管的主支進(jìn)行三維重建后的血管解剖結(jié)構(gòu)，該血管解剖結(jié)構(gòu)為管腔面積或直徑；

參考管腔直徑計(jì)算模塊，基于所述第一幾何參數(shù)、第二幾何參數(shù)、第三幾何參數(shù)以及第一位置的位置數(shù)據(jù)計(jì)算該血管第一位置處的參考管腔直徑；

主支血管段平面劃分模塊，以近端終點(diǎn)為參考平面(記作第0平面)，根據(jù)冠脈影像的最大分辨率，對(duì)上述幾何模型沿主支方向進(jìn)行劃分，分別記作第1平面，第2平面，...，遠(yuǎn)端終點(diǎn)為第n平面，所述n為大于1的自然數(shù)值。

CFD壓力仿真模塊，基于所述幾何模型和近端終點(diǎn)處入口血流量及血流壓力，利用穩(wěn)態(tài)CFD仿真得到所述幾何模型上的壓力分布，即主支血管段上每一個(gè)平面的平均血流壓力；

壓力校正模塊，基于參考管腔直徑利用壓力校正公式對(duì)上述壓力分布進(jìn)行校正，并計(jì)算出所述血管近端終點(diǎn)處的第一血流壓力和第i平面處的第二血流壓力之間的壓力差數(shù)值ΔP_i。

優(yōu)選的，所述參考管腔直徑計(jì)算模塊，以近端終點(diǎn)為參考點(diǎn)，根據(jù)第一幾何參數(shù)、第二幾何參數(shù)，以及血管段上某點(diǎn)到參考點(diǎn)的距離x，計(jì)算出參考管腔直徑函數(shù)；所述參考管腔直徑函數(shù)用于代表該段血管不同位置上的參考管腔直徑隨著該位置到參考點(diǎn)的距離x變化的函數(shù)；

優(yōu)選的，該系統(tǒng)還包括歸一化模塊，用于在計(jì)算參考管腔直徑函數(shù)過程中，對(duì)血管段的從血管段近端終點(diǎn)到遠(yuǎn)端終點(diǎn)范圍內(nèi)的位置參數(shù)進(jìn)行線性歸一化處理。

優(yōu)選的，所述壓力校正模塊，是根據(jù)第i個(gè)平面的參考管腔直徑D_i、平均血流壓力值P_i，血管段近端橫截面的直徑D₀以及近端終點(diǎn)處入口血流壓力P₀，對(duì)第i個(gè)平面的平均血流壓力P_i進(jìn)行校正，得到校正后第i個(gè)平面的壓力值P_i'；所述壓力校正公式為：

i＝1,2,...,n。

另外，本發(fā)明還提供了一種基于CFD的分叉血管血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)FFR快速計(jì)算系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

幾何數(shù)據(jù)獲取模塊，用于獲得血管的幾何參數(shù)和幾何模型，該血管包括近端終點(diǎn)和遠(yuǎn)端終點(diǎn)，所述幾何參數(shù)包括第一幾何參數(shù)，代表該血管段近端橫截面的面積或直徑；第二幾何參數(shù)，代表該血管段遠(yuǎn)端橫截面的面積或直徑；第三幾何參數(shù)，代表該血管段位于近端終點(diǎn)和遠(yuǎn)端終點(diǎn)之間的第一位置的橫截面面積或直徑；

優(yōu)選的，所述幾何模型是基于冠脈影像對(duì)分叉血管的主支進(jìn)行三維重建后的血管解剖結(jié)構(gòu)，該血管解剖結(jié)構(gòu)為管腔面積或直徑；

參考管腔直徑計(jì)算模塊，基于所述第一幾何參數(shù)、第二幾何參數(shù)、第三幾何參數(shù)以及第一位置的位置數(shù)據(jù)計(jì)算該血管的第一位置處的參考管腔直徑；

主支血管段平面劃分模塊，以近端終點(diǎn)為參考平面(記作第0平面)，根據(jù)冠脈影像的最大分辨率，對(duì)上述幾何模型沿主支方向進(jìn)行劃分，分別記作第1平面，第2平面，…，遠(yuǎn)端終點(diǎn)為第n平面，所述n為大于1的自然數(shù)值；

CFD壓力仿真模塊，基于所述幾何模型和近端終點(diǎn)處入口血流量及血流壓力，利用穩(wěn)態(tài)CFD仿真得到所述幾何模型上的壓力分布，即主支血管段上每一個(gè)平面的平均血流壓力；

壓力校正模塊，基于參考管腔直徑利用壓力校正公式對(duì)上述壓力分布進(jìn)行校正，并計(jì)算出所述血管近端終點(diǎn)處的第一血流壓力和第i平面處的第二血流壓力之間的壓力差數(shù)值ΔP_i。

優(yōu)選地，第i個(gè)平面位置與近端終點(diǎn)處的校正壓力差，利用CFD仿真后得到的第i個(gè)平面的平均血流壓力和幾何參數(shù)獲得，所述公式為

其中，i＝1,2,…,n。P_i'為校正后的第i個(gè)平面的平均血流壓力值，D_i為第i個(gè)平面的參考管腔直徑，P_i第i個(gè)平面的平均血流壓力值，D₀為血管段近端橫截面的直徑，P₀為近端終點(diǎn)入口處入口血流壓力。

優(yōu)選地，所述CFD壓力仿真模塊，基于所述幾何模型和近端終點(diǎn)處入口血流量及血流壓力，利用穩(wěn)態(tài)CFD仿真得到所述幾何模型上的壓力分布，即主支血管段上每一個(gè)平面的平均血流壓力。

優(yōu)選地，所述第i個(gè)平面的血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)的計(jì)算公式為

其中，ΔP_i是第i個(gè)平面位置的壓力差，P₀為近端終點(diǎn)入口處入口血流壓力。

當(dāng)i的值為n時(shí)，即遠(yuǎn)端終點(diǎn)時(shí)，遠(yuǎn)端終點(diǎn)處的血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)的計(jì)算公式為

其中，ΔP_n是遠(yuǎn)端終點(diǎn)處到近端終點(diǎn)的壓力差，P₀為近端終點(diǎn)入口處入口血流壓力，n為大于1的自然數(shù)。

優(yōu)選地，所述參考管腔直徑計(jì)算模塊，以近端終點(diǎn)為參考點(diǎn)，根據(jù)第一幾何參數(shù)、第二幾何參數(shù)，以及血管段上某點(diǎn)到參考點(diǎn)的距離x，計(jì)算出參考管腔直徑函數(shù)；所述參考管腔直徑函數(shù)用于代表該段血管不同位置上的參考管腔直徑隨著該位置到參考點(diǎn)的距離x變化的函數(shù)；第一幾何參數(shù)代表該血管段近端橫截面的面積或直徑，第二幾何參數(shù)代表該血管段遠(yuǎn)端橫截面的面積或直徑。

優(yōu)選地，該系統(tǒng)還包括歸一化模塊，計(jì)算參考管腔直徑函數(shù)包括對(duì)血管段的從血管段近端終點(diǎn)到遠(yuǎn)端終點(diǎn)范圍內(nèi)的位置參數(shù)進(jìn)行線性歸一化處理。通過歸一化后的參數(shù)，形成參考管腔直徑與實(shí)際管腔直徑之間的函數(shù)關(guān)系。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)將利用血管的參考管腔直徑，對(duì)CFD仿真的結(jié)果進(jìn)行校正的算法思想融合進(jìn)了血管血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)的計(jì)算中來，通過單支穩(wěn)態(tài)CFD仿真快速計(jì)算壓力分布，利用參考管腔直徑進(jìn)行壓力校正，準(zhǔn)確計(jì)算含有分叉的血管的血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)，很好地解決了在對(duì)CFD仿真過程中，帶有血管分支的情況下，對(duì)血管主支中某一特定平面的血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)計(jì)算中的快速準(zhǔn)確重建問題，大大提高了血管數(shù)據(jù)重建速度，并且有效校正了在具有血管分支的情況下，CFD仿真的單支血管壓力分布存在誤差的情況，利用參考管腔直徑對(duì)壓力分布進(jìn)行了精確的校正，從而使得血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)更加接近實(shí)際值，對(duì)現(xiàn)有的血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)的計(jì)算進(jìn)行了改進(jìn)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。

圖1為本發(fā)明的實(shí)際分叉血管管腔與參考血管管腔結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖；

圖2為本發(fā)明的沿主支方向血管段平面劃分示意圖；

圖3為本發(fā)明的分叉血管壓力差計(jì)算系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知曉，下述具體實(shí)施例或具體實(shí)施方式，是本發(fā)明為進(jìn)一步解釋具體的發(fā)明內(nèi)容而列舉的一系列優(yōu)化的設(shè)置方式，而該些設(shè)置方式之間均是可以相互結(jié)合或者相互關(guān)聯(lián)使用的，除非在本發(fā)明明確提出了某中某些或某一具體實(shí)施例或?qū)嵤┓绞綗o法與其他的實(shí)施例或?qū)嵤┓绞竭M(jìn)行關(guān)聯(lián)設(shè)置或共同使用。同時(shí)，下述的具體實(shí)施例或者實(shí)施方式僅作為最優(yōu)化的設(shè)置方式，而不作為限定本發(fā)明的保護(hù)范圍的理解。

實(shí)施例1：壓力差計(jì)算

在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例中，提供了一種基于CFD仿真的分叉血管壓力差的快速計(jì)算方法，包括：

接收一段有分叉血管的幾何參數(shù)和幾何模型，該血管包括近端終點(diǎn)和遠(yuǎn)端終點(diǎn)，所述幾何參數(shù)包括第一幾何參數(shù)，代表該血管段近端橫截面的面積或直徑；第二幾何參數(shù)，代表該血管段遠(yuǎn)端橫截面的面積或直徑；第三幾何參數(shù)，代表該血管段位于近端終點(diǎn)和遠(yuǎn)端終點(diǎn)之間的第一位置的橫截面面積或直徑；優(yōu)選的，所述幾何模型是基于冠脈影像對(duì)分叉血管的主支進(jìn)行三維重建后的血管解剖結(jié)構(gòu)，該血管解剖結(jié)構(gòu)為管腔面積或直徑；

接收該分叉血管段近端終點(diǎn)處的入口血流量及血流壓力；

基于所述第一幾何參數(shù)、第二幾何參數(shù)、第三幾何參數(shù)以及第一位置的位置數(shù)據(jù)計(jì)算該血管第一位置處的參考管腔直徑；所述第一位置的位置數(shù)據(jù)是第一位置到血管近端終點(diǎn)之間的距離；

基于所述幾何模型和近端終點(diǎn)處入口血流量及血流壓力，利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)仿真得到所述幾何模型上的壓力分布；

基于所述第一幾何參數(shù)和第三幾何參數(shù)，利用壓力校正公式對(duì)上述壓力分布進(jìn)行校正，計(jì)算獲得所述血管近端終點(diǎn)處的第一血流壓力和第一位置處的第二血流壓力之間的壓力差數(shù)值ΔP。

參考圖1，示例出本發(fā)明中涉及到的血管參考管腔直徑的獲取方式。

在血管基于冠脈影像對(duì)分叉血管的主支進(jìn)行三維重建中，在獲取到管腔的實(shí)際直徑的不同點(diǎn)處的參數(shù)后，可以通過構(gòu)建參考管腔直徑函數(shù)的方式，模擬出血管的參考管腔直徑變化，從而求得在任意距離處的血管參考管腔直徑，為壓力差的校正及血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)的計(jì)算提供依據(jù)。

在一個(gè)具體的實(shí)施方式中，該參考管腔直徑計(jì)算函數(shù)可通過如下方式獲得，以近端終點(diǎn)為參考點(diǎn)，根據(jù)第一幾何參數(shù)、第二幾何參數(shù)以及血管段上某點(diǎn)到參考點(diǎn)的距離x，計(jì)算出參考管腔直徑函數(shù)；所述參考管腔直徑函數(shù)用于代表該段血管不同位置上的參考管腔直徑隨著該位置到參考點(diǎn)的距離x變化的函數(shù)；

第一幾何參數(shù)代表該血管段近端橫截面的面積或直徑，第二幾何參數(shù)代表該血管段遠(yuǎn)端橫截面的面積或直徑。

優(yōu)選地，計(jì)算參考管腔直徑函數(shù)包括對(duì)血管段的從血管段近端終點(diǎn)到遠(yuǎn)端終點(diǎn)范圍內(nèi)的位置參數(shù)進(jìn)行線性歸一化處理。通過歸一化后的參數(shù)，形成參考管腔直徑與實(shí)際管腔直徑之間的函數(shù)關(guān)系。

參考圖2，對(duì)CFD仿真得到所述幾何模型上的壓力分布為例進(jìn)行說明。

目前，在CFD仿真重建血管時(shí)需要考慮到所有分叉的情況，重建出所有的分叉血管，需要很繁重的工作量，難以達(dá)到快速計(jì)算FFR的作用，如果在CFD仿真時(shí)只考慮單支主血管的情況，忽略其他小分叉，計(jì)算得到的壓力會(huì)不準(zhǔn)確，從而影響FFR的準(zhǔn)確性。本發(fā)明的技術(shù)方案，是利用參考管腔直徑對(duì)單支穩(wěn)態(tài)CFD仿真得到的壓力分布進(jìn)行校正，從而能準(zhǔn)確計(jì)算含有分叉的血管的血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)。

如圖2所示，考慮一段有分叉的血管，以近端終點(diǎn)所在的平面為參考平面(記作第0平面)，根據(jù)冠脈影像的最大分辨率，對(duì)上述幾何模型沿主支方向進(jìn)行劃分，分別記作第1平面，第2平面，…，遠(yuǎn)端終點(diǎn)所在的平面是第n平面，所述n為大于1的自然數(shù)值。

設(shè)置入口邊界條件為近端終點(diǎn)處入口血流量及血流壓力，出口邊界條件為充分發(fā)展的流動(dòng)，基于CFD穩(wěn)態(tài)仿真，計(jì)算主支血管第i個(gè)平面上的平血血流壓力值Pi。

因?yàn)樵贑FD仿真時(shí)，僅考慮了主支血管的情況，而忽略了分叉的情況，從而仿真時(shí)高估了主支血管遠(yuǎn)端終點(diǎn)的血流量，導(dǎo)致最終得到的血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)比真實(shí)值大，因此需要校正CFD穩(wěn)態(tài)仿真得到的壓力差。

根據(jù)參考管腔直徑函數(shù)，對(duì)第i個(gè)平面處與近端終點(diǎn)的壓力差進(jìn)行校正，可以利用壓力校正公式得到。壓力校正公式為：

其中，i＝1,2,…,n。Pi'為校正后的第i個(gè)平面的平均血流壓力值，D_i為第i個(gè)平面的參考管腔直徑，P_i第i個(gè)平面的平均血流壓力值，D₀為血管段近端橫截面的直徑，P₀為近端終點(diǎn)入口處入口血流壓力。

根據(jù)校正后的壓力值，獲得第i個(gè)平面位置的血流壓力和近端終點(diǎn)處入口血流壓力的壓力差，因此，第i個(gè)平面位置的壓力差ΔP_i的計(jì)算公式為

ΔP_i＝P′_i-P₀

其中，P_i'為校正后的第i個(gè)平面的平均血流壓力值，P₀為近端終點(diǎn)入口處入口血流壓力。

遠(yuǎn)端終點(diǎn)為第n平面，即當(dāng)i的值為n時(shí)，遠(yuǎn)端終點(diǎn)處的血流壓力和近端終點(diǎn)入口血流壓力的壓力差為：

ΔP_n＝P′_n-P₀

當(dāng)計(jì)算血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)時(shí)，壓力差應(yīng)該為根據(jù)血管的幾何參數(shù)修正后的壓力差，不能直接使用CFD仿真單支血管后的壓力值，否則該壓力值會(huì)比真實(shí)情況大，導(dǎo)致最終血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)的計(jì)算值比實(shí)際值偏小。

由上述例子可見，需要對(duì)CFD穩(wěn)態(tài)仿真后得到的壓力分布進(jìn)行校正，才能得到比較準(zhǔn)確的壓力差值，從而得到比較準(zhǔn)確的血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)。

實(shí)施例2:FFR計(jì)算

在又一個(gè)具體的實(shí)施例中，本發(fā)明還提供了一種基于CFD的血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)快速計(jì)算方法，該方法包括：

接收一段有分叉血管的幾何參數(shù)和幾何模型，該血管包括近端終點(diǎn)和遠(yuǎn)端終點(diǎn)，所述幾何參數(shù)包括第一幾何參數(shù)，代表該血管段近端橫截面的面積或直徑；第二幾何參數(shù)，代表該血管段遠(yuǎn)端橫截面的面積或直徑；第三幾何參數(shù)，代表該血管段位于近端終點(diǎn)和遠(yuǎn)端終點(diǎn)之間的第一位置的橫截面面積或直徑；

接收該分叉血管段近端終點(diǎn)處的入口充血血流量及血流壓力；所述入口充血血流量是該分叉血管在最大充血狀態(tài)下的血流量；

基于所述第一幾何參數(shù)、第二幾何參數(shù)、第三幾何參數(shù)以及第一位置的位置數(shù)據(jù)計(jì)算該血管第一位置處的參考管腔直徑；所述第一位置的位置數(shù)據(jù)是第一位置到血管近端終點(diǎn)之間的距離；

基于所述幾何模型和近端終點(diǎn)處入口充血血流量及血流壓力，利用穩(wěn)態(tài)計(jì)算流體力學(xué)(CFD)仿真得到所述幾何模型上的壓力分布；

基于所述第一幾何參數(shù)和第三幾何參數(shù)，利用壓力校正公式對(duì)上述壓力分布進(jìn)行校正，計(jì)算獲得所述血管近端終點(diǎn)處的第一血流壓力和第一位置處的第二血流壓力之間的比值，即為血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)。

優(yōu)選地，所述血管的幾何模型是基于冠脈影像對(duì)分叉血管的主支進(jìn)行三維重建后的血管解剖結(jié)構(gòu)，該血管解剖結(jié)構(gòu)為管腔面積或直徑。

優(yōu)選地，所述CFD仿真是穩(wěn)態(tài)血流仿真，入口邊界條件為近端終點(diǎn)處入口血流量及血流壓力，出口邊界條件是充分發(fā)展的流動(dòng)。

在一個(gè)具體的實(shí)施方式中，所述的血管的參考直徑的獲取方式可以采用以下方式，以近端終點(diǎn)為參考點(diǎn)，根據(jù)第一幾何參數(shù)、第二幾何參數(shù)，以及血管段上某點(diǎn)到參考點(diǎn)的距離x，計(jì)算出參考管腔直徑函數(shù)；所述參考管腔直徑函數(shù)用于代表該段血管不同位置上的參考管腔直徑隨著該位置到參考點(diǎn)的距離x變化的函數(shù)；第一幾何參數(shù)代表該血管段近端橫截面的面積或直徑，第二幾何參數(shù)代表該血管段遠(yuǎn)端橫截面的面積或直徑。

在一個(gè)具體的實(shí)施方式中，計(jì)算參考管腔直徑函數(shù)包括對(duì)血管段的從血管段近端終點(diǎn)到遠(yuǎn)端終點(diǎn)范圍內(nèi)的位置參數(shù)進(jìn)行線性歸一化處理。通過歸一化后的參數(shù)，形成參考管腔直徑與實(shí)際管腔直徑之間的函數(shù)關(guān)系。

在一個(gè)具體的實(shí)施方式中，主支血管段上每一個(gè)平面的平均血流壓力，可以利用穩(wěn)態(tài)CFD仿真得到，所述CFD仿真的入口邊界條件為近端終點(diǎn)處入口血流量及血流壓力，出口邊界條件是充分發(fā)展的流動(dòng)，以近端終點(diǎn)為參考平面(記作第0平面)，根據(jù)冠脈影像的最大分辨率，對(duì)所述幾何模型沿主支方向進(jìn)行劃分，分別記作第1平面，第2平面，…，遠(yuǎn)端終點(diǎn)為第n平面，所述n為大于1的自然數(shù)值。

基于所述CFD仿真，確定主支血管第i個(gè)平面上的平血血流壓力值P_i。而在CFD仿真時(shí)考慮的是單支血管的情況，需要對(duì)血管的壓力分布進(jìn)行校正。因此，我們根據(jù)參考管腔直徑函數(shù)，獲得第i個(gè)平面處主支的參考管腔直徑D_i，第i個(gè)平面處與近端終點(diǎn)的校正壓力差，利用壓力校正公式得到。壓力校正公式為

其中，i＝1,2,…,n。P_i'為校正后的第i個(gè)平面的平均血流壓力值，D_i為第i個(gè)平面的參考管腔直徑，P_i第i個(gè)平面的平均血流壓力值，D₀為血管段近端橫截面的直徑，P₀為近端終點(diǎn)入口處入口血流壓力。

根據(jù)校正后的壓力值，獲得第i個(gè)平面位置的血流壓力和近端終點(diǎn)處入口血流壓力的壓力差，所述壓力差ΔP_i的計(jì)算公式為

ΔP_i＝P′_i-P₀

其中，P_i'為校正后的第i個(gè)平面的平均血流壓力值，P₀為近端終點(diǎn)入口處入口血流壓力。

由此可得，第i個(gè)平面的血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)的計(jì)算公式為：

其中，ΔP_i是第i個(gè)平面位置的壓力差，P₀為近端終點(diǎn)入口處入口血流壓力。

考慮到遠(yuǎn)端終點(diǎn)為第n個(gè)平面，即當(dāng)i的值為n時(shí)，遠(yuǎn)端終點(diǎn)處的血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)的計(jì)算公式為

其中，ΔP_n是遠(yuǎn)端終點(diǎn)處到近端終點(diǎn)的壓力差，P₀為近端終點(diǎn)入口處入口血流壓力。

所述血管有n個(gè)平面，n是大于1的自然數(shù)。

當(dāng)計(jì)算血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)時(shí)，壓力差應(yīng)該為根據(jù)血管的幾何參數(shù)修正后的壓力差，不能直接使用CFD仿真單支血管后的壓力值，否則將會(huì)造成FFR計(jì)算值比實(shí)際值偏小。

實(shí)施例3：壓力差計(jì)算系統(tǒng)

在又一個(gè)具體的實(shí)施例中，本發(fā)明還提供了一種基于CFD的分叉血管壓力差計(jì)算系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以執(zhí)行或采用例如實(shí)施例1和2中所介紹的具體的方法，結(jié)合圖3所示，該系統(tǒng)包括：

幾何數(shù)據(jù)獲取模塊，用于獲得血管的幾何參數(shù)和幾何模型，該血管包括近端終點(diǎn)和遠(yuǎn)端終點(diǎn)，所述幾何參數(shù)包括第一幾何參數(shù)，代表該血管段近端橫截面的面積或直徑；第二幾何參數(shù)，代表該血管段遠(yuǎn)端橫截面的面積或直徑；第三幾何參數(shù)，代表該血管段位于近端終點(diǎn)和遠(yuǎn)端終點(diǎn)之間的第一位置的橫截面面積或直徑；所述幾何模型是基于冠脈影像對(duì)分叉血管的主支進(jìn)行三維重建后的結(jié)果；

參考管腔直徑計(jì)算模塊，基于所述第一幾何參數(shù)、第二幾何參數(shù)、第三幾何參數(shù)以及第一位置的位置數(shù)據(jù)計(jì)算該血管的第一位置處的參考管腔直徑；

主支血管段平面劃分模塊，以近端終點(diǎn)為參考平面(記作第0平面)，根據(jù)冠脈影像的最大分辨率，對(duì)上述幾何模型沿主支方向進(jìn)行劃分，分別記作第1平面，第2平面，…，遠(yuǎn)端終點(diǎn)為第n平面，所述n為大于1的自然數(shù)值。

CFD壓力仿真模塊，基于所述幾何模型和近端終點(diǎn)處入口血流量及血流壓力，利用穩(wěn)態(tài)CFD仿真得到所述幾何模型上的壓力分布，即主支血管段上每一個(gè)平面的平均血流壓力。

壓力校正模塊，基于參考管腔直徑利用壓力校正公式對(duì)上述壓力分布進(jìn)行校正，并計(jì)算出所述血管近端終點(diǎn)處的第一血流壓力和第i平面處的第二血流壓力之間的壓力差數(shù)值ΔP_i。

在一個(gè)具體的實(shí)施方式中，所述系統(tǒng)還包含血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)計(jì)算模塊，基于所述近端終點(diǎn)的壓力，以及第i個(gè)平面與所述近端終點(diǎn)處的校正壓力差，確定血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)。

在一個(gè)具體的實(shí)施方式中，第i個(gè)平面位置與近端終點(diǎn)處的校正壓力差，利用CFD仿真后得到的第i個(gè)平面的平均血流壓力和幾何參數(shù)獲得，所述公式為

其中，i＝1,2,…,n。P_i'為校正后的第i個(gè)平面的平均血流壓力值，D_i為第i個(gè)平面的參考管腔直徑，P_i第i個(gè)平面的平均血流壓力值，D₀為血管段近端橫截面的直徑，P₀為近端終點(diǎn)入口處入口血流壓力。

實(shí)施例4：FFR快速計(jì)算系統(tǒng)

在又一個(gè)具體的實(shí)施例中，本發(fā)明還提供了一種基于CFD的分叉血管FFR快速計(jì)算系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以執(zhí)行或采用例如實(shí)施例1和2中所介紹的具體的方法，結(jié)合圖3所示，該系統(tǒng)包括：

幾何數(shù)據(jù)獲取模塊，用于獲得血管的幾何參數(shù)和幾何模型，該血管包括近端終點(diǎn)和遠(yuǎn)端終點(diǎn)，所述幾何參數(shù)包括第一幾何參數(shù)，代表該血管段近端橫截面的面積或直徑；第二幾何參數(shù)，代表該血管段遠(yuǎn)端橫截面的面積或直徑；第三幾何參數(shù)，代表該血管段位于近端終點(diǎn)和遠(yuǎn)端終點(diǎn)之間的第一位置的橫截面面積或直徑；所述幾何模型是基于冠脈影像對(duì)分叉血管的主支進(jìn)行三維重建后的結(jié)果；

參考管腔直徑計(jì)算模塊，基于所述第一幾何參數(shù)、第二幾何參數(shù)、第三幾何參數(shù)以及第一位置的位置數(shù)據(jù)計(jì)算該血管的第一位置處的參考管腔直徑；

主支血管段平面劃分模塊，以近端終點(diǎn)為參考平面(記作第0平面)，根據(jù)冠脈影像的最大分辨率，對(duì)上述幾何模型沿主支方向進(jìn)行劃分，分別記作第1平面，第2平面，…，遠(yuǎn)端終點(diǎn)為第n平面，所述n為大于1的自然數(shù)值。

CFD壓力仿真模塊，基于所述幾何模型和近端終點(diǎn)處入口充血血流量及血流壓力，利用穩(wěn)態(tài)CFD仿真得到所述幾何模型上的壓力分布，即主支血管段上每一個(gè)平面的平均血流壓力。

壓力校正模塊，基于參考管腔直徑利用壓力校正公式對(duì)上述壓力分布進(jìn)行校正，并計(jì)算出所述血管近端終點(diǎn)處的第一血流壓力和第i平面處的第二血流壓力之間的壓力差數(shù)值ΔP_i。

在一個(gè)具體的實(shí)施方式中，所述系統(tǒng)還包含血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)計(jì)算模塊，基于所述近端終點(diǎn)的壓力，以及第i個(gè)平面與所述近端終點(diǎn)處的校正壓力差，確定血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)。

在一個(gè)具體的實(shí)施方式中，第i個(gè)平面位置與近端終點(diǎn)處的校正壓力差，利用CFD仿真后得到的第i個(gè)平面的平均血流壓力和幾何參數(shù)獲得，所述公式為

其中，i＝1,2,…,n。P_i'為校正后的第i個(gè)平面的平均血流壓力值，D_i為第i個(gè)平面的參考管腔直徑，P_i第i個(gè)平面的平均血流壓力值，D₀為血管段近端橫截面的直徑，P₀為近端終點(diǎn)入口處入口血流壓力。

在一個(gè)具體的實(shí)施方式中，所述第i個(gè)平面的血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)的計(jì)算公式為

其中，ΔP_i是第i個(gè)平面位置的壓力差，P₀為近端終點(diǎn)入口處入口血流壓力。

當(dāng)i的值為n時(shí)，即遠(yuǎn)端終點(diǎn)時(shí)，遠(yuǎn)端終點(diǎn)處的血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)的計(jì)算公式為

其中，ΔP_n是遠(yuǎn)端終點(diǎn)處到近端終點(diǎn)的壓力差，P₀為近端終點(diǎn)入口處入口血流壓力，n為大于1的自然數(shù)。

所述的血管的參考直徑的獲取方式可以采用以下方式，以近端終點(diǎn)為參考點(diǎn)，根據(jù)第一幾何參數(shù)、第二幾何參數(shù)，以及血管段上某點(diǎn)到參考點(diǎn)的距離x，計(jì)算出參考管腔直徑函數(shù)；所述參考管腔直徑函數(shù)用于代表該段血管不同位置上的參考管腔直徑隨著該位置到參考點(diǎn)的距離x變化的函數(shù)；第一幾何參數(shù)代表該血管段近端橫截面的面積或直徑，第二幾何參數(shù)代表該血管段遠(yuǎn)端橫截面的面積或直徑。

在一個(gè)具體的實(shí)施方式中，計(jì)算參考管腔直徑函數(shù)包括對(duì)血管段的從血管段近端終點(diǎn)到遠(yuǎn)端終點(diǎn)范圍內(nèi)的位置參數(shù)進(jìn)行線性歸一化處理。通過歸一化后的參數(shù)，形成參考管腔直徑與實(shí)際管腔直徑之間的函數(shù)關(guān)系。