本發(fā)明涉及人體生理學(xué)及血液動(dòng)力學(xué)的計(jì)算分析的系統(tǒng)和方法，更具體而言涉及一種應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)來(lái)模擬計(jì)算血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)的系統(tǒng)，和為血管樹的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模型設(shè)置相應(yīng)的入口邊界條件和出口邊界條件的方法。

背景技術(shù)：

冠心病主要病因是動(dòng)脈硬化所致的冠脈狹窄。冠脈狹窄可引起冠脈血流量及其它血液動(dòng)力學(xué)的重大改變，引起心肌相對(duì)和絕對(duì)缺血。冠脈造影及血管內(nèi)超聲均被認(rèn)為是診斷冠心病的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但它們只能對(duì)狹窄程度進(jìn)行影像學(xué)評(píng)價(jià)，而狹窄到底對(duì)遠(yuǎn)端血流產(chǎn)生了多大影響(功能評(píng)價(jià))卻不得而知。自1995年P(guān)ijls等人提出通過(guò)壓力測(cè)量推算冠脈血流的新指標(biāo)-血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)(Fractional Flow Reserve，F(xiàn)FR)(Pijls NH,Van Gelder B,Van der Voort P,Peels K,Bracke FA,Bonnier HJ,El Gamal MI.Fractional flow reserve a useful index to evaluate the influence of an epicardial coronary stenosis on myocardial blood flow.Circulation.1995Dec 1；92(11):3183-93通過(guò)引用結(jié)合于此以供參考)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的基礎(chǔ)及臨床研究，F(xiàn)FR已經(jīng)成為對(duì)冠脈狹窄功能性評(píng)價(jià)的“金標(biāo)準(zhǔn)”，以及冠狀動(dòng)脈重建術(shù)不可或缺的指導(dǎo)性工具。

FFR作為有創(chuàng)測(cè)量(即侵入式測(cè)量)，不可避免地會(huì)帶有一定風(fēng)險(xiǎn)以及可能會(huì)對(duì)機(jī)體造成一定程度的創(chuàng)傷。隨著科技及研究水平的發(fā)展，尤其是醫(yī)療圖像成像及重建技術(shù)、計(jì)算流體力學(xué)、高性能計(jì)算等領(lǐng)域，數(shù)值模擬計(jì)算FFR(虛擬FFR)正成為一個(gè)快速發(fā)展的前沿方向。相比于有創(chuàng)FFR，虛擬FFR為無(wú)創(chuàng)測(cè)量。根據(jù)臨床試驗(yàn)對(duì)比，虛擬FFR在細(xì)致到病人個(gè)體的各個(gè)血管級(jí)別的尺度上，從準(zhǔn)確性、敏感性、特異性、陽(yáng)性預(yù)測(cè)值、陰性預(yù)測(cè)值上對(duì)心肌缺血的診斷具有非常高的能力，在與通過(guò)影像學(xué)評(píng)價(jià)的方法的對(duì)比上更顯優(yōu)越。

因?yàn)樘摂MFFR的無(wú)創(chuàng)、量化分析及診斷能力的優(yōu)越性，越來(lái)越多科研及商業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)該技術(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)及臨床研究。由于這是一個(gè)新興方向，各種相關(guān)的研究及改進(jìn)方法、方式均有涉獵，但總體可歸結(jié)為兩個(gè)大方向：1.醫(yī)療圖像的應(yīng)用及模型重建2.作為計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的準(zhǔn)確性的一個(gè)重要因素：符合人體生理學(xué)特征的邊界條件的研究及處理。目前主流的計(jì)算系統(tǒng)包括基于冠狀動(dòng)脈計(jì)算機(jī)X射線斷層攝影血管造影術(shù)的FFR_CT，基于旋轉(zhuǎn)血管造影的vFFR,基于定量冠狀動(dòng)脈造影及心肌梗死溶栓的FFR_QCA等。

作為一個(gè)前沿技術(shù)，虛擬FFR同樣面對(duì)各種技術(shù)挑戰(zhàn)及難題。其中，計(jì)算時(shí)間是該技術(shù)能否作為臨床推廣及新的“金標(biāo)準(zhǔn)”的一個(gè)關(guān)鍵。對(duì)于以準(zhǔn)確性及模型復(fù)雜度為主導(dǎo)的方法，計(jì)算一個(gè)病例時(shí)間花費(fèi)甚至長(zhǎng)達(dá)100多個(gè)小時(shí)；對(duì)于快速計(jì)算的方法，最優(yōu)時(shí)間可以縮短至10分鐘以內(nèi)，但這要求有經(jīng)驗(yàn)的分析師進(jìn)行操作，需要有創(chuàng)測(cè)量的幫助，以及對(duì)復(fù)雜的血管樹模型的處理能力還受到限制等。即便在速度及準(zhǔn)確性之間進(jìn)行均衡，應(yīng)用虛擬FFR進(jìn)行模擬計(jì)算需時(shí)估計(jì)仍超7小時(shí)，這對(duì)該方法的臨床推廣造成很大的限制。此外，在準(zhǔn)確性方面，應(yīng)用CFD于虛擬FFR計(jì)算的另一主要挑戰(zhàn)在于如何合理獲得/設(shè)置CFD模型的邊界條件。邊界條件的合適與否，最大程度上決定了模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性。

目前，幾乎所有主流前沿的血管計(jì)算系統(tǒng)在設(shè)置CFD模型的邊界條件時(shí)，均需假定或統(tǒng)計(jì)得到人體血管樹的流量分布比例，這也是現(xiàn)有計(jì)算方法在針對(duì)病人個(gè)體、甚至細(xì)化到病人自身各個(gè)血管的生理特征準(zhǔn)確性的一個(gè)瓶頸。基于這種假定或統(tǒng)計(jì)所設(shè)置的邊界條件不能體現(xiàn)個(gè)體的特異性，影響了模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性。此外，現(xiàn)有的血管計(jì)算系統(tǒng)為了自動(dòng)且準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)臨床關(guān)注的血管分支的流體參數(shù)，通常需要對(duì)相關(guān)的整個(gè)血管樹(例如冠狀動(dòng)脈的整個(gè)血管樹)進(jìn)行CFD建模和計(jì)算，耗時(shí)久，且消耗計(jì)算資源大，為此阻礙了其進(jìn)入臨床推廣。

因此，需要一種能夠經(jīng)由CFD來(lái)快速且自動(dòng)地模擬計(jì)算FFR的系統(tǒng)和為血管樹的流體力學(xué)模型設(shè)置相應(yīng)的入口邊界條件和出口邊界條件的方法，該系統(tǒng)和方法能針對(duì)病人個(gè)體，獨(dú)立(不依賴于分析師的經(jīng)驗(yàn)也無(wú)需有創(chuàng)測(cè)量的介入)、自動(dòng)、迅速且準(zhǔn)確地得出對(duì)諸如冠狀動(dòng)脈的血管樹各處的流體參數(shù)，并據(jù)此得到其功能性評(píng)價(jià)，包括FFR以及對(duì)疑似病變位置、病變對(duì)心肌缺血的影響、復(fù)雜的血管狹窄情況(如單支、多支血管病變，同一血管多處病變，中度狹窄病變，連續(xù)的病變，彌漫性病變，支架內(nèi)再狹窄等)等的評(píng)估等。最好該系統(tǒng)和方法還能夠針對(duì)臨床關(guān)注的血管分支進(jìn)行計(jì)算資源的傾斜，從而在計(jì)算資源有限的前提下，能夠兼顧整個(gè)血管樹的計(jì)算速度和臨床關(guān)注的血管分支的計(jì)算的準(zhǔn)確性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)以上意識(shí)到的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)來(lái)模擬計(jì)算血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)的系統(tǒng)，以及為血管樹的CFD模型設(shè)置相應(yīng)的入口邊界條件和出口邊界條件的方法，該系統(tǒng)和方法在邊界條件的設(shè)置上對(duì)血管樹的具體流量分布比例不做任何假設(shè)或統(tǒng)計(jì)，而是通過(guò)計(jì)算(例如根據(jù)個(gè)體的醫(yī)學(xué)圖像計(jì)算或者血管樹的CFD計(jì)算)實(shí)際預(yù)測(cè)得出，從而確保邊界條件是個(gè)體特異性的，由此提高了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。并且，本系統(tǒng)和方法的另一個(gè)重要應(yīng)用是能實(shí)際準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)下臨床關(guān)注的各個(gè)血管出口的流量，如腦部血管，且兼顧總體計(jì)算時(shí)間，能夠?qū)⒖傮w計(jì)算時(shí)間控制在臨床適用的范圍內(nèi)。并且，本系統(tǒng)和方法能夠完全無(wú)創(chuàng)且自動(dòng)化地實(shí)現(xiàn)，分析師無(wú)需豐富經(jīng)驗(yàn)即可方便使用，也無(wú)需有創(chuàng)醫(yī)療圖像的支持，減輕了分析師的負(fù)擔(dān)同時(shí)也減少了病人的痛苦。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)來(lái)模擬計(jì)算血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)的系統(tǒng)，包括：

血管樹模型生成模塊，用于獲取醫(yī)學(xué)圖像、執(zhí)行分割并重建個(gè)體的血管樹的幾何模型；

計(jì)算網(wǎng)格生成模塊，用于為所述血管樹的幾何模型生成計(jì)算網(wǎng)格，從而建立所述血管樹的CFD模型，包括三維(3D)CFD模型；

邊界條件設(shè)置模塊，用于為所建立的所述血管樹的CFD模型設(shè)置相應(yīng)的入口邊界條件和出口邊界條件；

屬性設(shè)置模塊，用于設(shè)置血液的物理屬性以及流動(dòng)方程；

求解器，用于基于所述入口邊界條件和出口邊界條件、所設(shè)置的物理屬性和流動(dòng)方程，對(duì)所建立的所述血管樹的CFD模型進(jìn)行求解，以得到血管樹各處的流體參數(shù)；以及

后處理模塊，用于對(duì)由所述求解器對(duì)所建立的血管樹的3D CFD模型進(jìn)行求解所得到的所述流體參數(shù)進(jìn)行后處理，以得到血管樹各處的血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)，其中，

所述入口邊界條件和所述出口邊界條件，至少用于血管樹的三維計(jì)算流體力學(xué)模型以便得到供后處理的流體參數(shù)的那些邊界條件，為個(gè)體特異性的。

所述血管樹的CFD模型連同相應(yīng)的入口邊界條件和出口邊界條件，有時(shí)可用于求解得到血管各處的流體參數(shù)，但有時(shí)僅僅用于模擬得到中間數(shù)據(jù)，例如用于確定所述3D CFD模型的入口邊界條件和出口邊界條件，該入口和出口邊界條件良好體現(xiàn)了個(gè)體特異性。不管哪種用途，體現(xiàn)個(gè)體特異性的入口邊界條件和出口邊界條件，均能夠提高模擬計(jì)算的準(zhǔn)確度。

優(yōu)選地，用于所述3D CFD模型以供求解得到流體參數(shù)的所述入口邊界條件為各個(gè)入口處的流量，且根據(jù)個(gè)體的醫(yī)學(xué)圖像來(lái)確定。

優(yōu)選地，所述計(jì)算網(wǎng)格生成模塊所建立的所述血管樹的CFD模型還包括一維(1D)CFD模型；所述求解器還對(duì)所述血管樹的1D CFD模型進(jìn)行求解，以得到血管樹各處的流體參數(shù)；所述邊界條件設(shè)置模塊將用于所述血管樹的3D CFD模型以供求解得到流體參數(shù)的入口處的所述入口邊界條件和/或出口處的所述出口邊界條件設(shè)置為所述求解器對(duì)所述血管樹的1D CFD模型進(jìn)行求解所得到的血管樹對(duì)應(yīng)各處的所述流體參數(shù)。所述流體參數(shù)通?？梢允茄旱牧髁?、速度和壓力中的任何一種，入口和出口邊界條件可以設(shè)置相同或不同種的流體參數(shù)，只要求解時(shí)收斂較好。

優(yōu)選地，用于所述3D CFD模型以供求解得到流體參數(shù)的所述出口邊界條件為個(gè)體的血管樹的各個(gè)出口處的微血管阻力?；蛘?，所述出口邊界條件通過(guò)對(duì)血管樹的1D CFD模型求解來(lái)得到，具體說(shuō)來(lái)，所述計(jì)算網(wǎng)格生成模塊所建立的所述血管樹的CFD模型還包括1D CFD模型；所述求解器還對(duì)所述血管樹的1D CFD模型進(jìn)行求解，以得到血管樹各處的壓力；所述邊界條件設(shè)置模塊將所述血管樹的3D CFD模型的出口處的所述出口邊界條件設(shè)置為所述求解器對(duì)所述血管樹的1D CFD模型進(jìn)行求解所得到的血管樹對(duì)應(yīng)各處的壓力。

所述系統(tǒng)能夠通過(guò)多種方法來(lái)計(jì)算個(gè)體的血管樹的各個(gè)出口處的微血管阻力。例如，在所述系統(tǒng)中，所述邊界條件設(shè)置模塊還為所述血管樹的3D CFD模型設(shè)置靜息狀態(tài)下的入口邊界條件和出口邊界條件；所述求解器還基于靜息狀態(tài)下的入口邊界條件和出口邊界條件對(duì)所述血管樹的3D CFD模型進(jìn)行求解，以得到血管樹各個(gè)出口處的壓力及流量；所述邊界條件設(shè)置模塊根據(jù)所述求解器在靜息狀態(tài)下的入口邊界條件和出口邊界條件下進(jìn)行求解所得到的血管樹各個(gè)出口處的壓力和流量，或者根據(jù)所述求解器在靜息狀態(tài)下的入口邊界條件和出口邊界條件下進(jìn)行求解所得到的血管樹各個(gè)出口處的流量以及所述靜息狀態(tài)下的出口壓力，來(lái)計(jì)算個(gè)體的血管樹的各個(gè)出口處的微血管阻力。

優(yōu)選地，為所述血管樹的3D CFD模型設(shè)置的入口邊界條件和出口邊界條件不限于靜息狀態(tài)下的入口邊界條件和出口邊界條件，也可以根據(jù)個(gè)體醫(yī)學(xué)圖像和/或經(jīng)驗(yàn)公式為所述血管樹的三維計(jì)算流體力學(xué)模型設(shè)置初始的入口邊界條件和出口邊界條件，所述求解器還基于所述初始的入口邊界條件和出口邊界條件對(duì)所述血管樹的三維計(jì)算流體力學(xué)模型進(jìn)行求解，以得到血管樹各個(gè)出口處的壓力及流量。這些初始的入口邊界條件和出口邊界條件求解得到的流體參數(shù)不能直接供后處理，但對(duì)于計(jì)算出口處的微血管阻力來(lái)說(shuō)準(zhǔn)確度卻夠了，所得到的出口處的微血管阻力作為出口邊界條件能夠體現(xiàn)個(gè)體的特異性，且能夠?qū)崿F(xiàn)CFD模型的良好收斂。所述邊界條件設(shè)置模塊根據(jù)所述求解器在所述初始的入口邊界條件和出口邊界條件下進(jìn)行求解所得到的血管樹各個(gè)出口處的壓力和流量，來(lái)計(jì)算個(gè)體的血管樹的各個(gè)出口處的微血管阻力

再例如，在所述系統(tǒng)中，所述計(jì)算網(wǎng)格生成模塊所建立的所述血管樹的CFD模型還包括1D CFD模型；所述求解器還對(duì)所述血管樹的1D CFD模型進(jìn)行求解，以得到血管樹各處的流量和壓力；所述邊界條件設(shè)置模塊根據(jù)所述求解器對(duì)所述血管樹的1D CFD模型進(jìn)行求解所得到的血管樹對(duì)應(yīng)各處的流量和壓力，來(lái)計(jì)算個(gè)體的血管樹的各個(gè)出口處的微血管阻力。

優(yōu)選地，用于所述3D CFD模型以供求解得到流體參數(shù)的出口邊界條件也可以不依賴于血管樹的微血管阻力的計(jì)算，而是通過(guò)3D-1D的耦合計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體說(shuō)來(lái)，所述計(jì)算網(wǎng)格生成模塊為所述血管樹的幾何模型的整體或分支生成計(jì)算網(wǎng)格，從而建立所述血管樹的整體的1D CFD模型，并且建立所述血管樹的整體或分支的3D CFD模型；所述邊界條件設(shè)置模塊將所述血管樹的整體的1D CFD模型的入口邊界條件設(shè)置為充血狀態(tài)下入口處的血流量，將其出口邊界條件設(shè)置為靜脈壓力，且當(dāng)建立所述血管樹的整體的3D CFD模型以供求解得到流體參數(shù)時(shí)，所述邊界條件設(shè)置模塊將相應(yīng)的入口邊界條件設(shè)置為充血狀態(tài)下入口處的流體參數(shù)；而當(dāng)建立所述血管樹的分支的3D CFD模型以供求解得到流體參數(shù)時(shí)，所述邊界條件設(shè)置模塊將相應(yīng)的入口邊界條件設(shè)置為所述求解器對(duì)所述血管樹的整體的1D CFD模型進(jìn)行求解所得到的血管樹對(duì)應(yīng)各處的流體參數(shù)。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種為血管樹的CFD模型設(shè)置相應(yīng)的入口邊界條件和出口邊界條件的方法，所述CFD模型通過(guò)獲取醫(yī)學(xué)圖像、執(zhí)行分割并重建個(gè)體的血管樹的幾何模型，然后為所述血管樹的幾何模型生成計(jì)算網(wǎng)格來(lái)建立，且包括3D CFD模型，其中，至少用于血管樹的三維計(jì)算流體力學(xué)模型的所述入口邊界條件和所述出口邊界條件均為個(gè)體特異性的。

所述入口邊界條件能夠通過(guò)多種方式設(shè)置為個(gè)體特異性的。優(yōu)選地，用于所述3D CFD模型以供求解得到流體參數(shù)的所述入口邊界條件為各個(gè)入口處的流量，且根據(jù)個(gè)體的醫(yī)學(xué)圖像來(lái)確定。

更優(yōu)選地，所建立的所述血管樹的CFD模型還包括1D CFD模型，所述方法還包括：對(duì)所述血管樹的1D CFD模型進(jìn)行求解，以得到血管樹各處的流體參數(shù)，以及將用于所述3D CFD模型以供求解得到流體參數(shù)的入口處的所述入口邊界條件和/或出口處的所述出口邊界條件設(shè)置為通過(guò)對(duì)所述血管樹的1D CFD模型進(jìn)行求解所得到的血管樹對(duì)應(yīng)各處的所述流體參數(shù)。所述流體參數(shù)可以是血液的流量、速度和壓力中的任何一種。入口邊界條件和出口邊界條件可以采用相同或不同種類的流體參數(shù)，只要確保良好的收斂過(guò)程。

作為可選方案，用于所述3D CFD模型以供求解得到流體參數(shù)的所述出口邊界條件為個(gè)體的血管樹的各個(gè)出口處的微血管阻力。所述個(gè)體的血管樹的各個(gè)出口處的微血管阻力可以通過(guò)各種方式來(lái)計(jì)算。優(yōu)選地，個(gè)體的血管樹的各個(gè)出口處的微血管阻力如下計(jì)算得到：為所述血管樹的3D CFD模型設(shè)置靜息狀態(tài)下的入口邊界條件和出口邊界條件；基于靜息狀態(tài)下的入口邊界條件和出口邊界條件對(duì)所述血管樹的3D CFD模型進(jìn)行求解，以得到血管樹各個(gè)出口處的壓力及流量；根據(jù)靜息狀態(tài)下的入口邊界條件和出口邊界條件下進(jìn)行求解所得到的血管樹各個(gè)出處的流量以及所述靜息狀態(tài)下的出口壓力，或者根據(jù)靜息狀態(tài)下的入口邊界條件和出口邊界條件下進(jìn)行求解所得到的血管樹各個(gè)出處的壓力和流量，來(lái)計(jì)算各個(gè)出口處的微血管阻力。

優(yōu)選地，個(gè)體的血管樹的各個(gè)出口處的微血管阻力可以如下計(jì)算得到：根據(jù)個(gè)體醫(yī)學(xué)圖像和/或經(jīng)驗(yàn)公式為所述血管樹的三維計(jì)算流體力學(xué)模型設(shè)置初始的入口邊界條件和出口邊界條件；基于所述初始的入口邊界條件和出口邊界條件對(duì)所述血管樹的三維計(jì)算流體力學(xué)模型進(jìn)行求解，以得到血管樹各個(gè)出口處的壓力及流量；根據(jù)在所述初始的入口邊界條件和出口邊界條件下進(jìn)行求解所得到的血管樹各個(gè)出口處的壓力和流量，來(lái)計(jì)算個(gè)體的血管樹的各個(gè)出口處的微血管阻力。

另外，優(yōu)選地，個(gè)體的血管樹的各個(gè)出口處的微血管阻力如下計(jì)算得到：建立所述血管樹的1D CFD模型；對(duì)所述血管樹的1D CFD模型進(jìn)行求解，以得到血管樹各處的流量和壓力；根據(jù)對(duì)所述血管樹的1D CFD模型進(jìn)行求解所得到的血管樹對(duì)應(yīng)各處的流量和壓力，來(lái)計(jì)算個(gè)體的血管樹的各個(gè)出口處的微血管阻力。

優(yōu)選地，所述方法還可以通過(guò)如下方式來(lái)設(shè)置用于所述3D CFD模型以供求解得到流體參數(shù)的出口邊界條件：所建立的所述血管樹的CFD模型還包括1D CFD模型；對(duì)所述血管樹的1D CFD模型進(jìn)行求解，以得到血管樹各處的壓力；以及將用于所述血管樹的3D CFD模型以供求解得到流體參數(shù)的出口處的所述出口邊界條件設(shè)置為通過(guò)對(duì)所述血管樹的1D CFD模型進(jìn)行求解所得到的血管樹對(duì)應(yīng)各處的壓力。

優(yōu)選地，所述方法還可以通過(guò)3D-1D耦合計(jì)算的方式來(lái)設(shè)置所述3D CFD模型的入口邊界條件：建立的所述血管樹的CFD模型包括所述血管樹的整體的1D CFD模型，以及所述血管樹的整體或分支的3D CFD模型；將所述血管樹的整體的1D CFD模型的入口邊界條件設(shè)置為充血狀態(tài)下入口處的血流量，將其出口邊界條件設(shè)置為靜脈壓力；且當(dāng)建立所述血管樹的整體的3D CFD模型以供求解得到流體參數(shù)時(shí)，將相應(yīng)的入口邊界條件設(shè)置為充血狀態(tài)下入口處的血流量；而當(dāng)建立所述血管樹的分支的3D CFD模型以供求解得到流體參數(shù)時(shí)，將相應(yīng)的入口邊界條件設(shè)置為通過(guò)對(duì)所述血管樹的整體的1D CFD模型進(jìn)行求解所得到的血管樹對(duì)應(yīng)各處的流量。

附圖說(shuō)明

下面參考附圖對(duì)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，其中

圖1示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)來(lái)模擬計(jì)算血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)的系統(tǒng)的框圖；

圖2示出由圖1所示的系統(tǒng)的各個(gè)構(gòu)件所依序執(zhí)行的流程的示意圖；

圖3(a)-圖3(c)示出根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的CFD模型及邊界條件的示例，其中，圖3(a)示出醫(yī)學(xué)圖像的截面圖與分割重建的幾何模型之間的關(guān)系，圖3(b)示出分割重建所得到的包括主動(dòng)脈、左右動(dòng)脈及血管分支的血管樹的三維幾何模型，圖3(c)示出左動(dòng)脈的血管樹的CFD模型及相應(yīng)邊界條件，包括血管壁以及入口和出口邊界條件。

圖4示出根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的進(jìn)行3D-1D耦合計(jì)算的系統(tǒng)和方法所得到的左動(dòng)脈及其分支的3D-1D耦合網(wǎng)絡(luò)的示意圖。

圖5示出根據(jù)本發(fā)明所述另一個(gè)實(shí)施例的進(jìn)行3D-1D耦合計(jì)算的系統(tǒng)和方法所計(jì)算得到的個(gè)體的左動(dòng)脈中各處的FFR的圖示。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)來(lái)模擬計(jì)算血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)的系統(tǒng)1，所述系統(tǒng)1包括：血管樹模型生成模塊11，用于獲取醫(yī)學(xué)圖像、執(zhí)行分割并重建個(gè)體的血管樹的幾何模型，例如，所獲取的醫(yī)學(xué)圖像的截面圖及分割重建的幾何模型如圖3(a)中所示；計(jì)算網(wǎng)格生成模塊12，用于為所述血管樹的幾何模型生成計(jì)算網(wǎng)格，從而建立所述血管樹的CFD模型，所述CFD模型包括3D CFD模型；邊界條件設(shè)置模塊13，用于為所建立的所述血管樹的CFD模型設(shè)置相應(yīng)的入口邊界條件和出口邊界條件；屬性設(shè)置模塊14，用于設(shè)置血液的物理屬性以及流動(dòng)方程；求解器15，用于基于所述入口邊界條件和出口邊界條件、所設(shè)置的物理屬性和流動(dòng)方程，對(duì)所建立的所述血管樹的CFD模型進(jìn)行求解，以得到血管樹各處的流體參數(shù)；以及后處理模塊16，用于對(duì)由所述求解器對(duì)所建立的血管樹的3D CFD模型進(jìn)行求解所得到的所述流體參數(shù)進(jìn)行后處理，以得到血管樹各處的血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)，其中，由所述邊界條件模塊至少為3D CFD模型設(shè)置個(gè)體特異性的所述入口邊界條件和所述出口邊界條件，以便計(jì)算供后處理的血管樹各處的流體參數(shù)。由此確保個(gè)體血管樹各處的流體參數(shù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)血管樹中臨床關(guān)注的各個(gè)血管分支處的流體參數(shù)。

所述系統(tǒng)的上述各個(gè)構(gòu)件共同完成完整的FFR計(jì)算，涉及多個(gè)重要環(huán)節(jié)，包括醫(yī)學(xué)圖像的處理、血管樹的分割及三維重建、幾何模型及CFD計(jì)算網(wǎng)格的生成、CFD模擬計(jì)算及后處理等。下面以圖2為例說(shuō)明圖1所示的系統(tǒng)的各個(gè)構(gòu)件所依序執(zhí)行的流程。

FFR計(jì)算的前處理由血管樹模型生成模塊11完成，其基于對(duì)個(gè)體的醫(yī)學(xué)圖像，例如符合DICOM規(guī)格的各種醫(yī)學(xué)圖像的血管進(jìn)行分析和分割的結(jié)果，重建個(gè)體的血管樹的幾何模型。所述血管樹模型生成模塊11，例如能夠利用包括vmtk(The Vascular Modeling Toolkit)的各種開源軟件，基于對(duì)所述血管進(jìn)行分析和分割的結(jié)果，計(jì)算并重建生成血管樹的血管中心線及血管壁，從而構(gòu)成所述血管樹的幾何模型。

FFR計(jì)算的CFD計(jì)算部分流程由所述計(jì)算網(wǎng)格生成模塊12、邊界條件設(shè)置模塊13、屬性設(shè)置模塊14和求解器15配合完成。

具體說(shuō)來(lái)，所述計(jì)算網(wǎng)格生成模塊12利用包括vmtk的各種開源軟件，為所述血管樹的幾何模型生成滿足CFD計(jì)算要求的高質(zhì)量計(jì)算網(wǎng)格，從而建立所述血管樹的CFD模型，通常，建立所述血管樹的3D CFD模型以供計(jì)算血管樹各處的流體參數(shù)。如果單純建立所述血管樹的1D CFD模型并據(jù)此計(jì)算血管樹各處的流體參數(shù)雖則迅速，幾乎可以算得上是實(shí)時(shí)，但計(jì)算所得的血管樹各處的流體參數(shù)的準(zhǔn)確度尚不足以直接用于血管癥狀的臨床診斷，但作為血管樹的3D CFD模型的相應(yīng)入口和出口處的邊界條件是足夠的，且充分體現(xiàn)了個(gè)體的特異性，能夠大大提高3D CFD模型的模擬計(jì)算的準(zhǔn)確度。

所述邊界條件設(shè)置模塊13設(shè)置針對(duì)病人個(gè)體的符合人體生理學(xué)特性的邊界條件。CFD計(jì)算網(wǎng)格可認(rèn)為是由空間上代表實(shí)際幾何模型的點(diǎn)組成。準(zhǔn)確的人體的完整血管脈絡(luò)的CFD計(jì)算至少需要數(shù)十萬(wàn)網(wǎng)格，涉及數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的方程、矩陣計(jì)算，因此，工程應(yīng)用上幾乎無(wú)法模擬完整的人體血管脈絡(luò)。實(shí)際應(yīng)用上一般只考慮對(duì)結(jié)果感興趣的部分區(qū)域，即由邊界定義的部分區(qū)域，在下文中我們將其稱為血管樹，該血管樹可視臨床需求而不同，例如，可以是冠狀動(dòng)脈的完整的血管樹，入口邊界(下文中也簡(jiǎn)稱為“入口”)定義為左右主動(dòng)脈與主動(dòng)脈的分叉處，出口邊界(下文中也簡(jiǎn)稱為“出口”)定義為冠狀動(dòng)脈的血管樹的微血管處。通過(guò)邊界條件的設(shè)置，也可以定義不同的血管樹，以下僅僅以冠狀動(dòng)脈的完整的血管樹為例來(lái)說(shuō)明邊界條件的個(gè)體特異性設(shè)置，但血管樹不限于此。

圖3(a)-圖3(c)示出根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的CFD模型及邊界條件的示例，其中，圖3(a)示出醫(yī)學(xué)圖像的截面圖、分割重建的幾何模型以及兩者之間的關(guān)系，圖3(b)示出分割重建所得到的包括主動(dòng)脈、左右主動(dòng)脈及主要血管分支的血管樹的三維幾何模型，圖3(c)示出左主動(dòng)脈的血管樹的CFD模型及相應(yīng)邊界條件，包括血管壁以及入口和出口邊界條件(出口1，2，…，8)。

現(xiàn)有技術(shù)中，所述邊界條件設(shè)置模塊13只能通過(guò)統(tǒng)計(jì)或假設(shè)左右主動(dòng)脈的入口處的流量比例的方式，來(lái)設(shè)置所述血管樹的入口邊界條件?，F(xiàn)有技術(shù)還例如設(shè)置通用入口流量：利用大批量臨床病例FFR測(cè)量及模擬比較，確定對(duì)左、右主動(dòng)脈入口流量的優(yōu)化值，應(yīng)用該值于所有病例的計(jì)算。這種設(shè)置方式不能體現(xiàn)個(gè)體的特異性，統(tǒng)計(jì)或假設(shè)所得的入口邊界條件未必適用于個(gè)體，從而降低了CFD計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。

本發(fā)明提供了為血管樹的CFD模型設(shè)置相應(yīng)的入口邊界條件和出口邊界條件的方法的多種示例，實(shí)現(xiàn)了入口邊界條件和所述出口邊界條件的個(gè)體特異性。這些方法的示例能夠被系統(tǒng)1中的以上相關(guān)模塊使用(下文中在描述這些方法的示例時(shí)給出了如何由系統(tǒng)1中的相關(guān)模塊來(lái)實(shí)施的說(shuō)明，但不意圖對(duì)實(shí)施的模塊進(jìn)行限制)，或者被所述系統(tǒng)中的附加模塊使用來(lái)確定個(gè)體特異性的入口邊界條件和出口邊界條件，并傳輸給所述邊界條件設(shè)置模塊13以供使用和設(shè)置。

屬性設(shè)置模塊14用于設(shè)置血液的物理屬性以及流動(dòng)方程，所述血液的物理屬性例如但不限于血液為牛頓流體且采用層流、符合人體生理學(xué)特性的個(gè)體的血液密度及血流粘性等，所述流動(dòng)方程例如包括所述血液的流動(dòng)為非定常流動(dòng)、基于不可壓流Navier-Stokes方程組等等。用戶能夠根據(jù)具體情況進(jìn)行手動(dòng)輸入設(shè)置，或者默認(rèn)設(shè)置，或者從系統(tǒng)自帶的血液的物理屬性以及流動(dòng)方程庫(kù)中選用。

求解器15用于基于所設(shè)置的入口邊界條件和出口邊界條件、所設(shè)置的物理屬性和流動(dòng)方程，對(duì)所建立的所述血管樹的CFD模型進(jìn)行求解，以得到中間結(jié)果或得到血管樹各處的流體參數(shù)。所述CFD模型可以包括一維和三維的，如上所述，為了確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，1D CFD模型求解所得的血管樹各處的流體參數(shù)通常只作為中間結(jié)果，并不直接用于血管的病理狀態(tài)的臨床診斷。3D CFD模型則可以在相應(yīng)的入口和出口邊界條件下求解得到血管樹各處的流體參數(shù)，有時(shí)為其設(shè)置的入口和出口邊界條件則僅用于求解得到中間結(jié)果而非血管樹各處的流體參數(shù)。

FFR計(jì)算的后處理利用后處理模塊16來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體說(shuō)來(lái)，該后處理模塊16用于對(duì)由所述求解器15對(duì)所建立的血管樹的3D CFD模型進(jìn)行求解所得到的所述流體參數(shù)進(jìn)行后處理，以得到血管樹各處的血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)(FFR)。例如，根據(jù)對(duì)3D CFD模型求解的結(jié)果，利用關(guān)系式FFR＝P_d/P_a(P_d為血管各處的壓力，P_a為主動(dòng)脈處的平均壓力)，可計(jì)算得到血管各處的FFR?？蛇x地，可以通過(guò)對(duì)3D CFD模型求解的結(jié)果進(jìn)行后處理，來(lái)生成病例分析報(bào)告，優(yōu)選地，狹窄處遠(yuǎn)端的FFR值可以作為最終的計(jì)算值寫入病例分析報(bào)告中，若FFR<0.75，則表明該狹窄會(huì)導(dǎo)致血管的功能性缺血，需要進(jìn)行介入治療。對(duì)3D CFD模型求解的結(jié)果還包括其他臨床關(guān)注的參數(shù)，如FFR回拉(pull-back)曲線、血管各處的血流速度及壓力分布、血管各分支的流量分布、血管壁各處的剪切應(yīng)力等，這些臨床關(guān)注的參數(shù)也可以視需要寫入病例分析報(bào)告中，以供醫(yī)生作為診斷的參考。

下面具體描述本發(fā)明的為血管樹的CFD模型設(shè)置用于求解得到血管各處的流體參數(shù)的相應(yīng)的入口邊界條件和出口邊界條件的方法的多種示例，各個(gè)示例均實(shí)現(xiàn)了入口邊界條件和所述出口邊界條件的個(gè)體特異性。至少用于血管樹的3D CFD模型的入口邊界條件和所述出口邊界條件可由個(gè)體的醫(yī)學(xué)圖像推導(dǎo)得到或經(jīng)由個(gè)體的血管樹的計(jì)算流體力學(xué)模型的求解來(lái)相應(yīng)得到。尤其是，為了求解得到可供后處理的流體參數(shù)，用于3D CFD模型的個(gè)體特異性的入口邊界條件和出口邊界條件可以根據(jù)個(gè)體的醫(yī)學(xué)圖像或歷史數(shù)據(jù)來(lái)推導(dǎo)得到，也可以經(jīng)由1D CFD模型的求解來(lái)相應(yīng)得到，還可以通過(guò)3D CFD模型在初始的入口和出口邊界條件下的求解來(lái)得出。

入口邊界條件

以冠狀動(dòng)脈的血管樹為例，本方法單獨(dú)計(jì)算左、右主動(dòng)脈，入口邊界為左、右主動(dòng)脈與主動(dòng)脈的分叉處(branch)，設(shè)置該分叉處左、右主動(dòng)脈各自的血流量為入口邊界條件，具體可細(xì)分為兩種方式。

第一種方式是，根據(jù)個(gè)體的醫(yī)學(xué)圖像，計(jì)算該病例的心肌質(zhì)量，利用心肌質(zhì)量與主動(dòng)脈血流量的關(guān)系，得到主動(dòng)脈血流量，左、右主動(dòng)脈按比例分流(左主動(dòng)脈分流60％且右主動(dòng)脈分流40％)，如此得到該交叉處左、右主動(dòng)脈各自分流的血流量，并將其設(shè)置為入口邊界條件。注意，這僅僅是根據(jù)個(gè)體的醫(yī)學(xué)圖像來(lái)確定各個(gè)入口處的流量的一個(gè)示例，利用了心肌質(zhì)量與主動(dòng)脈血流量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)要建模的心血管樹的不同，還可以采用其他個(gè)體的醫(yī)學(xué)圖像根據(jù)該其他醫(yī)學(xué)圖像中的信息與入口處血管的血流量之間的其他對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)計(jì)算出入口處各血管的血流量，并將其設(shè)置為該具體心血管樹的CFD模型的入口邊界條件，注意，入口邊界條件的這種設(shè)置方法可以適用于1D CFD模型和3D CFD模型兩者。

還可以通過(guò)建立血管樹的完整的1D CFD模型(例如利用系統(tǒng)1中的血管樹模型生成模塊11和計(jì)算網(wǎng)格生成模塊12)，并對(duì)其求解(例如利用所述系統(tǒng)1中的求解器15)來(lái)計(jì)算出完整的血管樹中各處的流量，再將該計(jì)算所得的完整的血管樹中相應(yīng)各處的流量施加到所述血管樹的3D CFD模型的入口邊界處，設(shè)置為3D CFD模型的入口邊界條件(例如利用所述系統(tǒng)1中的邊界條件設(shè)置模塊13)。該第二種方式很好地彌補(bǔ)了第一種方式的缺陷：有時(shí)無(wú)法根據(jù)個(gè)體的醫(yī)學(xué)圖像確定入口處血管的血流量。雖然第二種方式以流量為例，但也可以采用血液的流量、壓力和速度中的任何一種或兩種分別作為入口和出口邊界條件。入口和出口邊界條件采用同種流體參數(shù)也是可以的，只要確保3D CFD模型的收斂滿足臨床要求。即便沒(méi)有為該1D CFD模型設(shè)置個(gè)體特異性的入口和出口邊界條件，鑒于該1D CFD模型本身反映了個(gè)體的血管特征，通過(guò)CFD迭代求解，收斂時(shí)所獲得的完整的血管樹中對(duì)應(yīng)于3D CFD模型的入口邊界處的各處的流量也良好反映了個(gè)體特異性，從而也就為3D CFD模型設(shè)置了個(gè)體特異性的入口邊界條件。1D CFD計(jì)算僅需非常少的網(wǎng)格數(shù)量，其計(jì)算速度非常迅速(可認(rèn)為是實(shí)時(shí)計(jì)算)，由此，通過(guò)1D CFD計(jì)算來(lái)得到3D CFD模型的入口邊界條件在促進(jìn)計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度的同時(shí)，也沒(méi)有影響例如FFR等流體參數(shù)的完整流程的計(jì)算速度。

出口邊界條件

有兩類出口邊界條件的設(shè)置方式：

第一種方式是，將出口邊界條件設(shè)置為針對(duì)病人個(gè)體的冠狀動(dòng)脈的血管樹各處的微血管阻力；第二種方式是，類似于入口邊界條件的第二種設(shè)置方式，施加1D CFD計(jì)算結(jié)果于3D CFD模型的出口處，將3D CFD模型的出口邊界條件設(shè)置為血管樹的1D CFD模型的求解所得的血管中相應(yīng)各處的壓力。

第一種方式可以細(xì)分為兩種子方式：

I.基于3D CFD計(jì)算

利用人體血流動(dòng)力學(xué)的一個(gè)現(xiàn)象，即在靜息狀態(tài)下(Resting Condition)血管段壓力變化非常小(不論血管段有無(wú)狹窄)的事實(shí)，將3D CFD模型的入口邊界條件設(shè)置為心輸出量周期內(nèi)的平均流量Q_in，將其出口邊界條件設(shè)置為相應(yīng)的平均壓力p_out，通過(guò)對(duì)3D CFD模型在如上靜息狀態(tài)下的入口和出口邊界條件下進(jìn)行求解，來(lái)計(jì)算預(yù)測(cè)各個(gè)出口邊界處的流量Q_i,out(i為各個(gè)出口的編號(hào))，利用關(guān)系式P_out＝Q_i,outR_i計(jì)算各個(gè)出口邊界處的微血管阻力R_i。

當(dāng)然，也可以根據(jù)在靜息狀態(tài)下的入口邊界條件和出口邊界條件下進(jìn)行求解所得到的血管樹各個(gè)出口處的壓力P_i,out和流量Q_i,out，利用關(guān)系式P_i,out＝Q_i,outR_i計(jì)算各個(gè)出口邊界處的微血管阻力R_i。

雖然基于3D CFD計(jì)算各個(gè)出口處的微血管阻力采用靜息狀態(tài)下的入口和出口邊界條件是比較便利的，但還有其他臨床可行的辦法。例如，該入口和出口邊界條件可以是根據(jù)個(gè)體醫(yī)學(xué)圖像和/或經(jīng)驗(yàn)公式所得到的初始的入口邊界條件和出口邊界條件(此處用“初始”來(lái)與為3D CFD模型設(shè)置以便直接計(jì)算可供后處理的流體參數(shù)的那些邊界條件區(qū)別開)。例如，可以根據(jù)諸如個(gè)體的心臟的超聲多普勒?qǐng)D像計(jì)算出平均心輸出量，根據(jù)關(guān)于主動(dòng)脈瓣血液泵出后流量如何在各級(jí)血管分支中分配的比例的經(jīng)驗(yàn)公式，可以得到相應(yīng)各處(諸如左右主動(dòng)脈、微血管)的流量作為初始的入口邊界條件和出口邊界條件。

基于1D CFD計(jì)算：1D CFD計(jì)算僅需非常少的網(wǎng)格數(shù)量，其計(jì)算速度非常迅速(可認(rèn)為實(shí)時(shí)計(jì)算)，利用該優(yōu)勢(shì)，建立完整的冠狀動(dòng)脈樹的1D CFD模型，根據(jù)上述任一種入口邊界條件的設(shè)置方式來(lái)設(shè)置入口邊界條件，出口邊界條件則可全部設(shè)置為靜脈壓力(通常為0)。利用1D CFD在該設(shè)置的入口邊界條件和出口邊界條件下的計(jì)算，得到在1D CFD模型中對(duì)應(yīng)3D CFD模型的各個(gè)出口的相應(yīng)各處的流量及壓力，利用關(guān)系式P_i,out＝Q_i,outR_i計(jì)算3D CFD模型各個(gè)出口邊界的微血管阻力R_i。圖4示出為3D-1D耦合網(wǎng)絡(luò)的示意圖。本應(yīng)用可極大簡(jiǎn)化3D CFD計(jì)算中對(duì)出口邊界條件微血管阻力的求解。

第二種方式則利用1D CFD計(jì)算得到完整的冠狀動(dòng)脈的血管樹中各處的壓力，并將相應(yīng)的壓力施加至3D CFD模型對(duì)應(yīng)的出口邊界處。當(dāng)然，除了壓力，也可以采用其他種類的流體參數(shù)，包括流量、速度等，作為3D CFD模型的出口邊界條件。

如上為了設(shè)置出口邊界條件所涉及的1D CFD計(jì)算和3D CFD計(jì)算均可以通過(guò)系統(tǒng)1中的血管樹模型生成模塊11、計(jì)算網(wǎng)格生成模塊12、邊界條件設(shè)置模塊13、屬性設(shè)置模塊14和求解器15來(lái)配合實(shí)現(xiàn)。例如，可以在系統(tǒng)1中的各上述構(gòu)件中分別整合1D和3D的模型生成、網(wǎng)格生成、邊界條件設(shè)置、屬性設(shè)置和求解的功能，也可以在各上述構(gòu)件中包含用于1D和3D的分立的子構(gòu)件，通過(guò)1D的各子構(gòu)件一起實(shí)現(xiàn)1D CFD計(jì)算，通過(guò)3D的各子構(gòu)件一起實(shí)現(xiàn)3D CFD計(jì)算。

例如，求解器15也可以包括1D CFD求解器和3D CFD求解器，可用于如上計(jì)算血管樹的3D CFD模型的入口邊界條件和/或出口邊界條件(該3D CFD模型和相應(yīng)的入口邊界條件和出口邊界條件用于計(jì)算血管樹中各處的流體參數(shù)以供臨床診斷)，也可用于計(jì)算血管樹中各處的流體參數(shù)以供臨床診斷。

基于高性能計(jì)算CFD求解器，可以模擬計(jì)算左、右主動(dòng)脈血管樹充血狀態(tài)(Hyperemia)下的FFR，及臨床關(guān)注的其他相關(guān)的血流參數(shù)。

例如，在所述邊界條件設(shè)置模塊13施加充血狀態(tài)下左、右主動(dòng)脈血流量作為入口邊界條件，這里，充血狀態(tài)下左、右主動(dòng)脈血流量可以根據(jù)個(gè)體的醫(yī)學(xué)圖像和/或經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定，也可以通過(guò)1D CFD建模求解來(lái)得出，還可以通過(guò)3D CFD模型在初始的進(jìn)出口邊界條件下的求解來(lái)得出，例子在上面已經(jīng)給出，且施加如上各種方式得到的各個(gè)出口邊界處的微血管阻力作為出口邊界條件的情況下，所述屬性設(shè)置模塊14可以設(shè)置血管流體為牛頓流體且為層流,設(shè)置符合人體生理學(xué)特性的血液密度及血流粘性，由求解器15對(duì)血管樹的3D CFD模型計(jì)算非定常流動(dòng)直至結(jié)果收斂，從而得到血管樹各處的流體參數(shù)。后處理模塊16執(zhí)行的步驟在此不再贅述，據(jù)此計(jì)算得到血管樹中各處的FFR。

以上方法計(jì)算FFR，依賴于冠狀動(dòng)脈的微血管阻力的計(jì)算作為出口邊界條件，且最終通過(guò)對(duì)完整的血管樹的3D CFD建模和計(jì)算來(lái)得到血管樹中各處的流體參數(shù)。在實(shí)踐中，需要進(jìn)一步簡(jiǎn)化和加速邊界條件的設(shè)置，也需要進(jìn)一步加快流體參數(shù)的總的計(jì)算速度。此外，醫(yī)生要求CFD建模不僅能夠準(zhǔn)確模擬計(jì)算完整的冠狀動(dòng)脈，還可以單獨(dú)模擬計(jì)算特定的血管分支(如疑似病變段)，且對(duì)冠狀動(dòng)脈各處的模擬計(jì)算的準(zhǔn)確度是有區(qū)別的。例如，醫(yī)生會(huì)希望通過(guò)實(shí)時(shí)的1D CFD建模計(jì)算來(lái)迅速獲得完整的冠狀動(dòng)脈的相對(duì)準(zhǔn)確的FFR分布，使得能夠從中人工或自動(dòng)選擇出需要更多臨床關(guān)注的特定的血管分支，并對(duì)該特定的血管分支進(jìn)行相對(duì)耗時(shí)但準(zhǔn)確度更高的3D CFD建模計(jì)算。

本發(fā)明提供一種進(jìn)行3D-1D耦合計(jì)算(發(fā)明人將其稱為虛擬數(shù)字減影心血管造影術(shù))的系統(tǒng)和邊界條件設(shè)置方法，以滿足以上的升級(jí)需求，該系統(tǒng)和方法結(jié)合利用3D-1D CFD的特點(diǎn)及各自的優(yōu)勢(shì)，極大地簡(jiǎn)化對(duì)邊界條件的要求。本方法不僅同樣能相對(duì)準(zhǔn)確地模擬計(jì)算完整的冠狀動(dòng)脈，更可更準(zhǔn)確且針對(duì)性地單獨(dú)模擬計(jì)算具體的血管分支(如疑似病變段)，因此更近一步地大大縮短計(jì)算所需時(shí)間并且優(yōu)先確保更多臨床關(guān)注的具體的血管分支的模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性。

該方法利用屬性設(shè)置模塊14設(shè)置血管中的血液為牛頓流體且為層流,設(shè)置符合人體生理學(xué)特性的血液密度及血流粘性，并將流動(dòng)方程設(shè)置為非定常流動(dòng)直至結(jié)果對(duì)于求解器15收斂。視求解流體參數(shù)的具體需求，用于此具體需求的3D CFD網(wǎng)格及模型可以為整個(gè)左、右主動(dòng)脈的血管樹生成，也可以為某段具體的血管分支生成；1D CFD網(wǎng)格及模型則為完整的冠狀動(dòng)脈的血管樹生成，該步驟可以通過(guò)系統(tǒng)1中的血管樹模型生成模塊11和計(jì)算網(wǎng)格生成模塊12來(lái)實(shí)現(xiàn)。

利用所述邊界條件設(shè)置模塊13，為血管樹的1D CFD模型和3D CFD模型設(shè)置相應(yīng)的邊界條件。其中，將1D CFD模型的入口邊界條件設(shè)置為充血狀態(tài)下左、右主動(dòng)脈血流量，將1D CFD模型的出口邊界條件設(shè)置為靜脈壓力(通常為0)。

針對(duì)3D CFD模型所模擬的是整個(gè)左、右主動(dòng)脈的血管樹還是僅僅為某個(gè)具體血管分支，設(shè)置不同的入口邊界條件。具體說(shuō)來(lái)，如模擬整個(gè)左、右主動(dòng)脈的血管樹，將其入口邊界條件設(shè)置為施加充血狀態(tài)下左、右主動(dòng)脈血流量；如模擬某具體血管分支，則將其入口邊界條件設(shè)置為利用1D CFD模型在如上設(shè)置的入口邊界條件和出口邊界條件(靜脈壓力)下在對(duì)應(yīng)位置計(jì)算得到的流量，這里也可以采用除了流量以外的其他流體參數(shù)。

將3D CFD模型的出口邊界條件設(shè)置為利用1D CFD模型在如上設(shè)置的入口邊界條件和出口邊界條件(靜脈壓力)下在對(duì)應(yīng)位置計(jì)算得到的壓力值，這里也可以采用除了壓力以外的其他流體參數(shù)。

如此實(shí)現(xiàn)3D-1D CFD的耦合計(jì)算。具體說(shuō)來(lái)，基于前述的1D及3D的網(wǎng)格、邊界條件的處理，應(yīng)用1D CFD求解器進(jìn)行計(jì)算，將1D CFD的計(jì)算結(jié)果，按照前述對(duì)3D邊界條件的處理，施加于3D的邊界處，應(yīng)用3D CFD求解器進(jìn)行計(jì)算，以獲取血管樹中的所需各處的流體參數(shù)。

3D、1D CFD計(jì)算中，利用屬性設(shè)置模塊14均設(shè)置不可壓流的Navier-Stokes(N-S)方程組(質(zhì)量、動(dòng)量守恒方程)：

▽·u＝0

u為流體速度矢量，p為壓力，ρ為流體密度，υ為流體的運(yùn)動(dòng)粘性，從而1D CFD求解器和3D CFD求解器(或由整合了1D CFD和3D CFD求解的功能的求解器15)基于不可壓流的N-S方程組來(lái)求解。

CFD計(jì)算后處理：根據(jù)計(jì)算得到的3D CFD結(jié)果，利用關(guān)系式FFR＝P_d/P_a(P_d為血管各處的壓力，P_a為主動(dòng)脈處的平均壓力)，可計(jì)算得到血管各處的FFR?？蛇x地，可以通過(guò)對(duì)3D CFD模型求解的結(jié)果進(jìn)行后處理，來(lái)生成病例分析報(bào)告，優(yōu)選地，狹窄處遠(yuǎn)段的FFR值可以作為最終的計(jì)算值寫入病例分析報(bào)告中，若FFR<0.75，則表明該狹窄會(huì)導(dǎo)致血管的功能性缺血，需要進(jìn)行介入治療。對(duì)3D CFD模型求解的結(jié)果還包括其他臨床關(guān)注的參數(shù)，如FFR回拉(pull-back)曲線、血管各處的血流速度及壓力分布、血管各分支的流量分布、血管壁各處的剪切應(yīng)力等，這些臨床關(guān)注的參數(shù)也可以視需要寫入病例分析報(bào)告中，以供醫(yī)生作為診斷的參考。

以意圖單獨(dú)模擬冠狀動(dòng)脈中的左主動(dòng)脈為例，圖4示出了為完整的冠狀動(dòng)脈包括遠(yuǎn)端微血管生成的1D CFD網(wǎng)格以及僅為臨床關(guān)注的左主動(dòng)脈生成的3D CFD網(wǎng)格，通過(guò)上述的3D-1D耦合計(jì)算得到左主動(dòng)脈中各處的FFR分布，如圖5中所示，經(jīng)實(shí)踐證實(shí)該3D-1D耦合計(jì)算結(jié)果提供了充分的準(zhǔn)確度和臨床可接受的耗時(shí)，可以控制在1個(gè)小時(shí)之內(nèi)。

本發(fā)明高度集成及自動(dòng)化整個(gè)計(jì)算流程，包括醫(yī)學(xué)圖像的處理、計(jì)算模型的重建、計(jì)算本身及結(jié)果的后處理，實(shí)現(xiàn)大批量病例的快速準(zhǔn)確計(jì)算。例如而非限制，可以使用C/C++語(yǔ)言來(lái)開發(fā)和優(yōu)化上述1D和/或3D CFD模擬計(jì)算流程以及其耦合計(jì)算流程，系統(tǒng)1中的各個(gè)模塊及其所實(shí)現(xiàn)的整個(gè)計(jì)算流程(包括FFR計(jì)算的前處理、FFR計(jì)算的CFD計(jì)算部分以及FFR計(jì)算的后處理、結(jié)果分析及報(bào)告生成等)可以使用Python、Bash Script等自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)，從而在確保模擬結(jié)果準(zhǔn)確度的同時(shí)，提高了用戶友好度。

以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，但這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求請(qǐng)求保護(hù)的范圍內(nèi)。