無創計算冠狀動脈狹窄的血液動力學指標的方法和系統的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本發明申請要求于2014年5月9日所提交的美國專利臨時申請號61/990, 775的 優先權權益，其內容通過引用結合于此。
技術領域
[0003] 本發明涉及冠狀動脈狹窄的無創的功能評價，尤其是涉及根據醫學圖像數據和血 流模擬進行冠狀動脈狹窄的無創的功能評價。
【背景技術】
[0004] 心血管疾病（CVD)是世界范圍內的主要致死原因。在各種CVD中，冠狀動脈疾病 (CAD)占據這些死亡人數的近一半。盡管在醫學成像和其他診斷方法上有了顯著改進，CAD 患者的早期發病率和死亡率的增長仍然較高。目前進行診斷和控制冠狀狹窄的臨床實踐包 括或者視覺上或者通過定量冠狀血管造影術（QCA)對病變血管進行評價。這種評價向醫生 提供關于狹窄片段和載瘤動脈（parentvessel)的解剖上的概覽，包括面積減小、損害長度 和最窄管腔直徑，但不提供該損傷對流過血管的血流的影響的功能評價。
[0005] 已經提出瞬時無波型比率（iFR)作為把冠狀動脈狹窄歸為在血液動力上嚴重和 不嚴重的一個指標。測量iFR通常需要在患者靜息狀態下將冠狀壓力導絲插入到狹窄血管 中，在狹窄的近側和遠側進行有創壓力測量。然后將舒張無波期的狹窄遠側的平均壓除以 無波期的平均主動脈壓來計算iFR。然而，使用壓力進行有創壓力測量涉及插入壓力導絲到 狹窄血管必然帶來的與介入相關的風險，并且對于非常窄的狹窄，壓力導絲可導致額外的 壓力降低。

【發明內容】

[0006] 本發明提供一種對冠狀動脈狹窄的血液動力學指標進行無創計算的方法和系統。 本發明的實施方式提供一種在患者靜息狀態下獲得的血管醫療圖像得到的貫穿冠狀動脈 狹窄的壓差以及根據壓差得到的血液動力學指標的無創計算方法。本發明的實施方式從醫 療圖像計算狹窄的瞬時無波型比率（iFR)，而不需要將壓力導絲插入到狹窄處。iFR和其他 血液動力度量可以用來進行冠狀動脈狹窄的功能評價。
[0007] 在本發明的一個實施方式中，從患者的醫學圖像數據中提取患者特定的冠狀動脈 解剖測量。表示冠狀動脈的冠狀循環的計算模型的患者特定的邊界條件基于患者特定的冠 狀動脈解剖測量計算。使用冠狀動脈的計算模型和患者特定的邊界條件來模擬冠狀動脈的 血流和血壓，并且在冠狀動脈的血流和血壓的模擬過程中對冠脈自我調節進行建模。根據 模擬的血流和血壓計算冠狀動脈的至少一個狹窄區域的血液動力學指標。在模擬冠狀動脈 的血流和血壓中的至少一個模擬心動周期中識別無波期，該至少一個狹窄區域的血液動力 學指標可以是基于在至少一個模擬心動周期中識別的無波期中的模擬血壓值計算的瞬時 無波型比率（iFR)。
[0008] 本發明的這些和其他優點通過參考下面的詳細描述及附圖對本領域技術人員來 說是顯而易見的。
【附圖說明】
[0009] 圖1示出了根據本發明的一個實施方式的對冠狀動脈狹窄的血液動力學指標進 行無創計算的方法；
[0010] 圖2示出了根據本發明的一個實施方式的冠狀動脈循環的一個計算模型；
[0011] 圖3示出了冠狀循環自我調節；
[0012] 圖4示出了根據本發明的一個實施方式的在計算血流模擬中對冠狀循環自我調 節進行建模的算法；
[0013] 圖5示出了在冠狀循環自我調節算法中使用的帶有分支標志的示意性冠狀動脈 樹；
[0014] 圖6示出了在靜息狀態下的一個心動周期過程中瞬時血壓、血流速度和微脈管阻 抗圖中的無波期。
[0015] 圖7示出了左冠狀動脈樹中對波的識別；
[0016] 圖8示出了解剖上嚴重狹窄的血流和血壓模擬中示意性的感興趣量；
[0017] 圖9示出了解剖上中度狹窄的血流和血壓模擬中示意性的感興趣量；
[0018] 圖10示出了解剖上輕微狹窄的血流和血壓模擬中示意性的感興趣量；
[0019] 圖11示出了在醫療圖像上可視化計算的iFR數值的例子；
[0020] 圖12示出了沿血管的選定位置處的計算的iFR數值的示例圖；以及
[0021] 圖13示出了能夠實施本發明的計算機高層次塊狀圖。
【具體實施方式】
[0022] 本發明涉及一種使用醫學圖像數據和血流模擬對冠狀動脈狹窄的血液動力學指 標進行無創計算的方法和系統。此處描述的本發明的實施方式可使視覺上理解該模擬血流 和評價冠狀動脈狹窄的方法。數字圖像通常包括一個或多個對象（或形狀）的數字表示。 對象的數字表示此處通常在識別或操作該對象方面被描述。這種操作是在計算機系統的存 儲器或其他電路/硬件中實現的虛擬操作。相應地，能夠理解本發明的實施方式可以在計 算機系統中使用存儲在該計算機系統中的數據進行。
[0023] 圖1示出了根據本發明的一個實施方式的對冠狀動脈狹窄的血液動力學指標進 行無創計算的方法。圖1中的方法轉換患者的醫學圖像數據以提取患者冠狀動脈的患者特 定的幾何結構，生成冠狀動脈循環的模型，模擬患者特定的冠狀動脈中血流和血壓，以及計 算冠狀動脈狹窄的一個或多個血液動力學指標，而不需要使用通過穿過狹窄的壓力導絲得 到的有創壓力測量。如此處描述的，圖1中的方法在不使用有創壓力測量的條件下計算冠 狀動脈狹窄的瞬時無波型比率（iFR)。然而，本發明不限制于iFR，圖1中的方法也同樣用 來計算其他血液動力學指標。
[0024] 參考圖1，在步驟102中，接收患者的醫學圖像數據和無創臨床測量值。可以接 收從一幅或多個圖像模態的醫學圖像數據。例如，醫學圖像數據可以包括計算機斷層掃描 (CT)、DynaCT、磁共振（MR)、血管造影術、超聲、單光子發射計算機斷層掃描（SPECT)和任 何其他醫療成像模態。醫學圖像數據可以是2D、3D或4D(3D+時間）的醫學圖像數據。醫 學圖像數據可以直接從一個或多個圖像獲得裝置獲得，例如CT掃描機、MR掃描機、血管造 影術掃描機、超聲裝置等，或者可以通過加載之前儲存的患者的醫學圖像數據獲得該醫學 圖像數據。
[0025] 在一個有利的實施方式中，在CT掃描機上獲得3D冠狀CT血管造影（CTA)圖 像。CTA圖像確保包括狹窄的血管的冠狀脈管系統使用注入到患者體內的造影劑能夠充 分成像。在這個階段，醫生可以通過交互觀察圖像來識別感興趣的損害（狹窄）。也可 以在從圖像數據獲取的患者特定的解剖模型上進行該步驟（步驟104)。可替代地，狹 窄可以使用自動探測冠狀動脈狹窄的算法在圖像數據中自動探測，例如美國專利公開號 No. 2011/0224542公開的自動探測冠狀動脈狹窄的方法，其內容通過引用包含于此。除了醫 學圖像數據，也獲得其他無創臨床測量，例如患者的心率和收縮舒張壓。
[0026] 在步驟104中，從醫學圖像數據中提取患者特定的冠狀動脈解剖測量。在一個有 利的實施方式中，醫學圖像數據在靜息狀態下獲得，并且從靜息狀態下獲得的醫學圖像數 據提取冠狀動脈的測量。可通過從醫學圖像數據中生成患者特定的冠狀動脈樹解剖模型來 提取冠狀動脈的測量。患者特定的解剖模型可以是整個患者冠狀動脈樹的任意部分的患者 特定的解剖模型。為了生成患者特定的冠狀動脈樹解剖模型，可以使用冠狀動脈中線自動 提取算法在3D醫療圖像中分割冠狀動脈。例如，可以在CT體積中分割冠狀動脈，使用美國 專利公開號2010/0067760公開的方法，其內容通過引用結合于此。一旦提取到冠狀動脈中 心線樹，可以在中心線樹的每個點生成橫截面輪廓。在每個中心線點的橫截面輪廓給出了 冠狀動脈在該點處相應的橫截面的面積測量。針對所分割的冠狀動脈生成表面幾何模型。 例如，美國專利號7, 860, 290和美國專利號7, 953, 266描述了冠狀動脈解剖建模方法，二者 的內容通過引用結合于此。除了冠狀脈，患者特定的解剖模型可包括連帶主動脈近側部分 的主動脈根。使用相似的算法可以提取每個狹窄處的詳細3D模型，其包括近端血管直徑和 面積、遠端血管直徑和面積、最細管腔直徑和面積以及狹窄長度的定量。
[0027] 上述解剖建模任務可以自動執行或者用戶驅動的，因此允許用戶（醫生）交互地 改變解剖模型以分析這種改變對隨后FFR計算的影響。除了冠狀動脈樹，也可以在醫學圖 像數據中（自動或者手動）分割心肌來估計左心室質量，在一個可能的實施中，其可以用來 估計患者的絕對靜息血流，該靜息血流可用來計算血流和血壓模擬計算中的邊界條件。可 替代地，可以基于所分割的冠狀樹的總容量或者不同冠狀血管的流出半徑計算靜息血流。 在一個示例性實施方式中，從圖像數據自動生成的患者特定的心臟解剖模型可用來實現此 目的。解剖心臟模型是一個具有多個心臟部分的多部分模型，包括四個腔室（左心室、左 心房、右心室、右心房）。解剖心臟模型也可以包括例如心臟瓣膜（主動脈瓣、二尖瓣、三尖 瓣、肺動脈瓣）和主動脈的部分。這種心臟的復雜模型用來獲取大量形態、功能和病理上 的改變。建模或分級方法可以用來降低解剖復雜性，并且有助于對個別解剖結構進行有效 靈活的估計。4D心臟解剖模型可以通過生成每個心臟部分的單個模型來生成，例如使用邊 緣空間學習（MSL)，然后通過建立網格點對應來整合各心臟部分模型。在美國專利公開號 No. 2012/0022843中描述了關于生成這種4D患者特定的心臟模型的其他內容，其內容通過 引用結合于此。
[0028] 在步驟106中，基于患者特定的冠狀動脈解剖測量來生成冠狀動脈循環的計算模 型，并且計算入口和出口邊界條件。在圖1的方法中，狹窄的iFR值是基于通過模擬靜息狀 態下患者的冠狀動脈樹的血流和血壓計算的血壓值。為了有效地在臨床工作流程中通過血 流和血壓模擬來評價iFR，需要平衡模型復雜性和計算時間，而不犧牲結果精確性。在本發 明的一個有利的實施方式中，可以對患者特定的血流模擬使用降階的模型，其可對冠狀動 脈狹窄的功能嚴重程度進行評價。該降階的模型正確估計分布在血管樹上的血流和血壓， 并且是計算方面有效的，因此可以和臨床工作流程無縫整合。雖然此處描述冠狀動脈循環 的降階的模型，本發明不限制于此，也可使用全尺寸模型或多尺寸模型。
[0029] 圖2示出了根據本發明的一個實施方式的冠狀動脈循環的一個計算模型。如圖2 所示，在主動脈的根部耦合心臟模型202。心臟模型202可以如圖2所示通過患者特定的 數據參數化為集總模型或構建為完整的3D心臟模型。大動脈，例如主動脈204和由主動脈 供應的大動脈（例如鎖骨下動脈、頭臂動脈、頸動脈等），左冠狀動脈（LCA) 206以及右冠狀 動脈208可以由ID血流模型或完整的3D模型來表示。而且，半解析循環模型可以對某些 動脈片段單獨使用，或者嵌入在ID或3D模型中。血管壁可以建模成完全彈性的或粘彈性