血管壓力差與血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)的計(jì)算方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，尤其涉及應(yīng)用在基于影像獲取血管壓力差以及血流 儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)（FFR)的計(jì)算方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 斑塊引起的血管狹窄影響到心肌血流供應(yīng)，對(duì)人的健康造成威脅。通過冠脈 造影，可以顯示冠脈狹窄的嚴(yán)重程度，但是不能反映血管的功能性改變。血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù) (Fractional Flow Reserve，F(xiàn)FR)通常指心肌血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)，定義為病變冠脈能為心肌提 供的最大血流與該冠脈完全正常時(shí)最大供血流量之比，可以通過在冠脈最大充血狀態(tài)下， 狹窄病變遠(yuǎn)端的壓力與狹窄近端壓力的比值計(jì)算得出。
[0003] 因?yàn)镕FR直接評(píng)價(jià)病變血管的供血生理功能，提供病變部位特異的診斷，并且與 預(yù)后相關(guān)性高。在冠脈造影難以確定感興趣血管是否導(dǎo)致心肌缺血時(shí)，F(xiàn)FR提供直接的信 息幫助診斷和決策?；贔FR的決策病變預(yù)后較好。一般來說FFR < 0. 80作為血管重建 的指征，F(xiàn)FR >0.80可以暫不干預(yù)。這一簡單原則在處理復(fù)雜病變時(shí)仍然適用。藥物支架 年代的介入醫(yī)生面對(duì)更多復(fù)雜病變，F(xiàn)FR可能更顯價(jià)值。
[0004] 對(duì)于冠脈臨界病變，冠脈造影可顯示冠脈狹窄的嚴(yán)重程度，但不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)冠脈 缺血情況。目前，多項(xiàng)研究結(jié)果證實(shí)FFR為評(píng)價(jià)冠脈功能學(xué)的金標(biāo)準(zhǔn)。
[0005] 通過壓力傳感器對(duì)血管進(jìn)行有創(chuàng)侵入性壓力測量不僅工作量大，而且存在著損傷 血管的風(fēng)險(xiǎn)。通過三維或者二維定量冠脈造影可以獲得冠脈系統(tǒng)的幾何模型。再對(duì)重建的 冠脈系統(tǒng)幾何模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)流體力學(xué)分析，解復(fù)雜的流體力學(xué)方程需要大量的計(jì)算。還 有方法將冠脈狹窄的長度和狹窄率視為定值，這樣會(huì)降低計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度，尤其是在彌 漫性中度病變下狹窄長度和狹窄率的確定具有很大主觀性。
[0006] 目前通過對(duì)冠脈直徑或橫截面積等幾何參數(shù)的變化計(jì)算血流壓力改變的方法存 在著無法正確區(qū)分評(píng)估不同程度狹窄下幾何參數(shù)改變對(duì)血流壓力的不同影響?，F(xiàn)有技術(shù) 中，比較典型的計(jì)算FFR值的方法有如下幾類：
[0007] 專利文獻(xiàn)I :CN103932694A，公開了一種精確診斷心肌血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)（FFR)的方 法，首先用"FFR (CT+超聲）無創(chuàng)診斷法"排除FFR > 0. 8和FFR < 0. 6的患者，然后對(duì)無法 排除的患者（〇. 6彡FFR彡0. 8的患者），用"FFR診斷系統(tǒng)"精確介入測量冠脈狹窄處的FFR 值。"FFR(CT+超聲）無創(chuàng)診斷法"的FFR計(jì)算程序需要首先讀入CT重構(gòu)程序確定的形態(tài) 學(xué)參數(shù)，構(gòu)建心表冠狀動(dòng)脈樹的幾何結(jié)構(gòu)。本文獻(xiàn)中采用的FFR分析法求解FFR過程為：求 解涉及基于最大冠脈舒張條件下的主動(dòng)脈壓、伯努利方程確定的心表冠狀動(dòng)脈樹的阻力、 最大冠脈舒張條件下的出口阻力，首先計(jì)算每根血管里的血流、每根血管里的壓力，基于計(jì) 算所得的每根血管里的血流，計(jì)算心表冠狀動(dòng)脈樹的阻力，重新計(jì)算每根血管里的血流、每 根血管的入口和出口壓力，如果相連步驟計(jì)算的流速相對(duì)誤差< 10 4和相連步驟計(jì)算的壓 力相對(duì)誤差< 10 4,采用一預(yù)定公式計(jì)算FFR的值。
[0008] 專利文獻(xiàn)2 :CN102905614A，公開了一種介入式計(jì)算測量血管狹窄的方法，包括， 基于在血管的不同位置放置壓力傳感器（如壓力導(dǎo)絲）和速度傳感器，首先測量出血管中 與待測定目標(biāo)位置不同的第一位置、第二位置的多個(gè)壓力值和速度值，然后根據(jù)壓力變化 的平方除以速度變化的平方確定該流體介質(zhì)的波速度，并計(jì)算所述第一位置和第二位置的 向前壓力變化，對(duì)上述壓力變化值積分求和后，從而跟上述積分求和后的比值計(jì)算出FFR 值。
[0009] 專利文獻(xiàn)3 :CN 103829933 A，公開了另外一種介入方式檢測血管腔狹窄的方法， 包括，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。若小于某個(gè)閾值K，則認(rèn)為沒有出現(xiàn)狹窄；若大于某個(gè)閾值K，則認(rèn)為 出現(xiàn)狹窄；或者將這兩個(gè)壓力傳感器測量數(shù)值作為參考值，提供給醫(yī)生進(jìn)行參考，由醫(yī)生進(jìn) 行診斷。
[0010] 專利文獻(xiàn)4 :US20150268039A1，公開了一種計(jì)算某段血管壓降的方法，包括：首 先，接收處于血管不同幾何端的幾何數(shù)據(jù)，其中幾何端包括近端和遠(yuǎn)端，所述幾何數(shù)據(jù)包 括：用于指示血管遠(yuǎn)端的第一橫截面積的第一幾何參數(shù)；用于指示血管近端的第二橫截面 積的第二幾何參數(shù)；用于指示位于所述近端和遠(yuǎn)端之間的第一位置的橫截面面積的第三幾 何參數(shù)；其次，接收指示通過血管該段的血壓流體速度；基于第一、二、三幾何參數(shù)以及第 一位置的位置數(shù)據(jù)，確定第一位置的參考幾何參數(shù)值；基于所述第一位置的參考幾何參數(shù) 值、第三幾何參數(shù)和血壓流體速度，確定位于遠(yuǎn)端的第一流體壓力與在第一位置的第二流 體壓力之間的壓力差。
[0011] 專利文獻(xiàn)5 :W02010033971A1，公開了一種計(jì)算FFR的方法，包括：首先將包含至少 兩個(gè)傳感器的設(shè)備置入到管腔（靠近）狹窄的地方。預(yù)設(shè)計(jì)好所述至少兩個(gè)傳感器的長度 間隔L。至少用其中一個(gè)傳感器檢測管腔中第一種流體的第一個(gè)參數(shù)的第一參數(shù)值。向管 腔中注射第二種流體，并認(rèn)為在注射點(diǎn)處暫時(shí)性完全替代第一種流體，并用至少兩個(gè)間隔 已知的傳感器記錄下第二種流體的第二個(gè)參數(shù)的第二參數(shù)值。所述的第一個(gè)參數(shù)和第二個(gè) 參數(shù)可以是流體的PH值，溫度，導(dǎo)電率等，第一參數(shù)值和第二參數(shù)值的大小不同。記錄兩個(gè) 傳感器檢測到第二參數(shù)值的時(shí)間間隔T，根據(jù)傳感器的長度間隔L和時(shí)間間隔T計(jì)算出第二 種流體的平均速度。進(jìn)一步結(jié)合狹窄處、狹窄近端和狹窄遠(yuǎn)端處的管腔橫截面積以及平均 動(dòng)脈壓計(jì)算出血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)FFR。
[0012] 文獻(xiàn)6 :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??ΜΙ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。
[0013] 文獻(xiàn)7 =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。
[0014] 上述專利文獻(xiàn)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。
[0015] 因此需要提供一種新的血管壓降計(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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種新的血管壓力差與FFR計(jì)算方法，具體方 案包括：一種計(jì)算血管壓力差數(shù)值的方法，包括：接收一段血管的幾何參數(shù)，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；接收該血管段的平均血 流速度；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；基于第三幾何參數(shù)和第一位置處的參考管腔直徑， 計(jì)算第一位置處的幾何參數(shù)差異；基于第一位置處的幾何參數(shù)差異、平均血流速度V和平 均血流速度的平方V 2,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。
[0017] 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。
[0018] 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)第三幾何參數(shù)和參考 管腔直徑函數(shù)，計(jì)算出幾何參數(shù)差異函數(shù)；所述幾何參數(shù)差異函數(shù)是參考管腔直徑函數(shù)和 接收到的幾何參數(shù)之間的差異隨著到參考點(diǎn)的距離X變化的函數(shù)。
[0019] 優(yōu)選的，所述方法進(jìn)一步還包括：計(jì)算出幾何參數(shù)差異函數(shù)在不同尺度下的差值 導(dǎo)數(shù)函數(shù)，其中第一血流壓力和第二血流壓力之間的壓力差是根據(jù)不同尺度下的差值導(dǎo)數(shù) 計(jì)算求得；所述尺度指的是分辨率，即數(shù)值計(jì)算導(dǎo)數(shù)時(shí)相鄰兩點(diǎn)之間的距離，所述不同尺度 包括具有較大尺度的第一尺度和具有較小尺度的第二尺度，所述不同尺度下的差值導(dǎo)數(shù)函 數(shù)包括第一尺度差值導(dǎo)數(shù)函數(shù)和第二尺度差值導(dǎo)數(shù)函數(shù)；采用不同尺度可以反映出血管損 壞的不同嚴(yán)重程度（局限性和彌漫性）的狹窄對(duì)血流壓力差的不同影響；所述第一尺度差 值導(dǎo)數(shù)函數(shù)用于檢測大范圍狹窄所引起的真實(shí)管腔直徑和參考管腔直徑之間的幾何參數(shù) 差異，忽略掉局限性狹窄病變所引起的幾何參數(shù)差異；所述第二尺度差值導(dǎo)數(shù)函數(shù)用于檢 測病變血管發(fā)生局部變化所引起的真實(shí)管腔直徑和參考管腔直徑之間的幾何參數(shù)差異。
[0020] 優(yōu)選的，所述方法進(jìn)一步還包括：通過第一尺度差值導(dǎo)數(shù)函數(shù)和第一尺度差值導(dǎo) 數(shù)函數(shù)積分的加權(quán)以及平均血流速度V和平均血流速度的平方V 2,可計(jì)算獲得第一血流壓 力和第二血流壓力之間的壓力差。
[0021] 優(yōu)選的，所述方法進(jìn)一步還包括：所述第一血流壓力和第二血流壓力之間的壓力 差的計(jì)算公式為：
[0023] 其中，分別代表平均血流速度V和平均血流速度平方V2的參數(shù)系數(shù)，和分別為第 一和第二尺度差值導(dǎo)數(shù)函數(shù)的加權(quán)系數(shù)。
[0024] 優(yōu)選的，計(jì)算出幾何參數(shù)差異函數(shù)在η個(gè)尺度下的差值導(dǎo)數(shù)函數(shù)，其中第一血流 壓力和第二血流壓力之間的壓力差是根據(jù)所述η個(gè)尺度下的差值導(dǎo)數(shù)計(jì)算求得；所述尺度 指的是分辨率，即計(jì)算機(jī)計(jì)算導(dǎo)數(shù)時(shí)相鄰兩點(diǎn)之間的距離，所述η個(gè)尺度為具有尺度各不 相同的第一尺度、第二尺度、……、第η尺度；其中，所述第一尺度差值導(dǎo)數(shù)函數(shù)用于檢測第 一種病變特征所引起的真實(shí)管腔直徑和參考管腔直徑之間的幾何參數(shù)差異，忽略掉其他病 變所引起的幾何參數(shù)差異；所述第二尺度差值導(dǎo)數(shù)函數(shù)用于檢測第二種病變特征所引起的 實(shí)管腔直