用于在從估計的心臟射血輸出導(dǎo)出的患者特異性邊界條件下模擬血流量的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于通過醫(yī)學(xué)成像技術(shù)采集的信息來模擬通過靶向心血管結(jié)構(gòu)(例如但不限于，左心室流出道的患者特異性幾何結(jié)構(gòu)、包括主動脈瓣(AV)的主動脈根部、以及上升主動脈)的血流量的領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]如G.M.Feuchtner、W.Dichtl 等的 “Multislice Computed Tomography forDetect1n of Patients With Aortic Valve Stenosis and Quantificat1n ofSeverity，，，Journal of the American College of Card1logy 2006，47 (7)，1410 - 1417頁中描述的，在年齡超過65歲的西歐和北美人群中，退行性主動脈瓣狹窄(AS)是發(fā)生率2-7%的第二最常見的心血管疾病，。
[0003]對具有退行性AS的患者的管理取決于疾病的嚴(yán)重程度。對主動脈瓣(AV)的狹窄的嚴(yán)重程度的評估可以涉及不同的成像模態(tài)。對嚴(yán)重性的當(dāng)前評估主要基于對AV區(qū)域的超聲和多普勒測量或基于從AV區(qū)域的磁共振成像(MRI)或計算機斷層攝影(CT)圖像導(dǎo)出的幾何結(jié)構(gòu)測量。
[0004]對于約60-70%的患者，超聲可以被用于對瓣膜成像并經(jīng)由多普勒測量來測量血流速度。對于狹窄的瓣膜，由于降低的有效開口面積，血液必須以較高的速度流動，并且多普勒測量的結(jié)果可以被用作對主動脈瓣狹窄(AS)的指示。
[0005]使用心電圖(ECG)門控，CT和MRI允許根據(jù)選定的狹窄的心動周期間隔重建或采集圖像，并給出對示出在相對短的打開狀態(tài)下的瓣膜的圖像的訪問。G.M.Feuchtner,W.Dichtl 等的‘‘Multislice Computed Tomography for Detect1n of Patients WithAortic Valve Stenosis and Quantificat1n of Severity，，，Journal of the AmericanCollege of Card1logy 2006，47 (7)，1410 - 1417 頁，以及 Y.Westermann、A.GeigenmUller等的 “Planimetry of the aortic valve orifice area:Comparison of mult1-slicespiral CT and MRIv, European Journal of Rad1logy 2011，77，426-435 頁建議使用打開的瓣膜的圖像，以使用幾個選定的成角度切割的平面并描繪明顯的瓣膜孔來測量瓣膜開口。這種孔的測得的面積隨后被用于評估狹窄的程度。這種技術(shù)被稱為AV區(qū)域測面積法。
[0006]然而，對于來自CT或MRI的AV區(qū)域的測面積法測量，僅分析二維(2D)切口。沒有對瓣膜小葉是否在下游的某些其他區(qū)域中的合縫線處會合進行分析。對三維(3D)血流量的影響因此可能未完全通過這樣的2D測量所評估。這樣測得的區(qū)域和狹窄瓣膜的生理影響之間的關(guān)系(例如增加的壓力梯度)因此是不清楚的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是根據(jù)患者特異性邊界條件來導(dǎo)出針對所考慮的患者的生理參數(shù)的目標(biāo)值。
[0008]該目的是通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置、根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法和根據(jù)權(quán)利要求15所述的計算機程序產(chǎn)品來實現(xiàn)的。
[0009]因此，心血管結(jié)構(gòu)(諸如左心室流出道、包括主動脈瓣(AV)的主動脈根部、加上上升主動脈、心室體積、主動脈或血流過的任何其他空腔的血液空腔)的體積網(wǎng)格是基于心血管結(jié)構(gòu)的分區(qū)數(shù)字圖像而生成的，每次心搏的心臟射血輸出(cardiac eject1noutput)是根據(jù)來自在兩個或更多個不同時間點上的不同充盈狀態(tài)下患者的心臟腔室的體積的量或暫時表現(xiàn)來估計的。隨后從每次心搏的心臟射血輸出導(dǎo)出心血管結(jié)構(gòu)的至少一種患者特異性邊界條件(其可以包括時間相關(guān)的邊界條件)，并且通過在考慮患者特異性邊界條件的情況下模擬通過體積網(wǎng)格的血流量來獲得模擬血流量。
[0010]因此，在患者特異性邊界條件下通過靶向心血管結(jié)構(gòu)的患者特異性幾何結(jié)構(gòu)的血流量是從每次心搏的心臟射血輸出導(dǎo)出的。模擬的結(jié)果產(chǎn)生針對生理學(xué)相關(guān)參數(shù)的目標(biāo)值，例如所述心血管結(jié)構(gòu)中的壓降、平均血液停留時間、流率、壁剪切應(yīng)力和血液漩渦中的一個或多個。
[0011]根據(jù)第一方面，建模電路可以被提供用于基于對所述心血管結(jié)構(gòu)的分區(qū)分割數(shù)字圖像來生成所述心血管結(jié)構(gòu)的所述體積網(wǎng)格。由此，所述體積網(wǎng)格可以被直接生成，而不需要從遠程設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)出或加載。
[0012]根據(jù)可以與以上的第一方面組合的第二方面，所述數(shù)字圖像可以是CT圖像或MRI圖像或超聲圖像。因此，所提出的解決方案可以被用于寬范圍的醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)。
[0013]根據(jù)可以與以上的第一或第二方面組合的第三方面，所述數(shù)字圖像可以通過使用基于模型的分割而被分區(qū)，以獲得所述靶向心血管結(jié)構(gòu)的表面網(wǎng)格。由此，可以通過將所述表面網(wǎng)格轉(zhuǎn)換或變換為所述體積網(wǎng)格來容易地獲得所述體積網(wǎng)格。
[0014]根據(jù)可以與以上第一至第三方面中的任一個組合的第四方面，所述模擬可以通過計算流體動力學(xué)(CFD)或流體-固體相互作用(FSI)模擬來完成。這有助于創(chuàng)建計算機模型的過程的自動化。
[0015]根據(jù)可以與以上第一至第四方面中的任一個組合的第五方面，所述每次心搏的心臟射血輸出可以是基于心電圖門控數(shù)字圖像來估計的。這種測量保證圖像生成的正確時間。
[0016]根據(jù)可以與以上第一至第五方面中的任一個組合的第六方面，所述每次心搏的心臟射血輸出可以是基于在最大充盈狀態(tài)和最小充盈狀態(tài)下所述心室的數(shù)字圖像來估計的。這提供了基于所述兩種圖像的直接解決方案。在具體范例中，所述每次心搏的心臟射血輸出可以是基于在心臟收縮結(jié)束時和心臟舒張結(jié)束時所述患者的至少一個心臟腔室的體積來估計的。
[0017]根據(jù)可以與以上第一至第六方面中的任一個組合的第七方面，所估計的每次心搏的心臟射血輸出可以被用于定義從心臟腔室到所述心血管結(jié)構(gòu)的血流量。根據(jù)所述第五方面的具體范例，所述至少一個患者特異性邊界條件可以通過估計穿過所述心室流出道的流量分布及其暫時表現(xiàn)來導(dǎo)出。因此，可以通過圖像分析基于心室射血分?jǐn)?shù)來確定(流量)邊界條件(例如經(jīng)由(CFD或FSI)模擬來估計所述靶向心血管結(jié)構(gòu)上的壓力降)。由此，不再需要非常耗時、非常復(fù)雜并且不能總是利用可用的臨床數(shù)據(jù)來完成的完整的心臟模擬。流量分布可以通過定義脈動流量的二次分布或速度分布來估計。
[0018]應(yīng)當(dāng)理解，權(quán)利要求1所述的裝置、權(quán)利要求5所述的方法和權(quán)利要求15所述的計算機程序產(chǎn)品類似的和/或相同的優(yōu)選實施例，特別是如從屬權(quán)利要求中所限定的優(yōu)選實施例。
[0019]應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的優(yōu)選實施例也可以是從屬權(quán)利要求與相應(yīng)的獨立權(quán)利要求的任意組合。
[0020]參考下文描述的實施例，本發(fā)明的這些和其他方面將是顯而易見的，并且將參考下文描述的實施例對本發(fā)明的這些和其他方面進行說明。
【附圖說明】
[0021]在附圖中:
[0022]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的對用于模擬血流量的患者特異性邊界條件的生成和使用的示意性方框圖；
[0023]圖2a_f示出了分別用于開放的、鈣化的中間開口和閉合的瓣膜的情況的分割瓣膜的示意性的重新格式化的視圖；
[0024]圖3示出了具有通過基于模型的分割提取的心臟腔室的體積曲線的圖表；以及
[0025]圖4示出了對通過主動脈瓣膜的血流量的模擬的示意性且示范性的可視化。
【具體實施方式】
[0026]現(xiàn)在基于在從每次心搏的心臟射血輸出導(dǎo)出的患者特異性邊界條件下對通過左心室(LV)流出道加上上升主動脈(作為靠近心臟的血液空腔或心血管結(jié)構(gòu)的范例)的患者特異性幾何結(jié)構(gòu)的血流量的模擬來描述實施例，所述血液體積可以從在最大和最小充盈狀態(tài)(例如，舒張期結(jié)束，收縮期結(jié)束)下的LV的(至少)兩幅圖像來計算。可以通過基于模型的分割來自動獲得LV流出道的幾何結(jié)構(gòu)、包括AV的主動脈根部、加上上升主動脈和心室體積。
[0027]圖1示出了圖示對用于模擬通過主動脈瓣的流量的患者特異性邊界條件的生成和使用的示意性方框圖。圖1的方框可以被視為適合于執(zhí)行相應(yīng)功能的硬件電路或者被視為對應(yīng)方法的步驟或者可以被實現(xiàn)為包括用于當(dāng)在計算機或處理器系統(tǒng)上運行時產(chǎn)生相關(guān)功能的代碼單元的軟件程序的過程。
[0028]首先，在分割步驟或電路(CT(OV))1中，LV流出道、包括AV的主動脈根部、加上上升主動脈在CT圖像中被分隔為開放式瓣膜(OV)狀態(tài)，以獲得整個血液空腔的表面網(wǎng)格。如例如 0.Ecabert 等的 “Segmentat1n of the heart and great vessels in CT imagesusing a model-based adaptat1n framework，，，Medical Image Analysis 2011，15(6)，863-876頁中所描述的，這可以使用基于模型的分割來完成。總體上，分割是將數(shù)字圖像分區(qū)為多個段(即像素的集合)的過程。在分割中，體素被分配到特定的結(jié)構(gòu)，例如通過添加標(biāo)簽或標(biāo)記或顏色或輪廓等。這可以通過諸如閾值處理、邊緣檢測、區(qū)域生長等典型圖像分割方法來實現(xiàn)。然后，在建模步驟或電路(VM) 12中，根據(jù)從分割步驟或電路10中獲得的表面網(wǎng)格，使用已知的網(wǎng)格化工具來生成用于計算