基于分层心肌模型的冠脉微循环血管阻力获取方法和系统

本发明涉及血管阻力获取，尤其是涉及基于分层心肌模型的冠脉微循环血管阻力获取方法和系统。

背景技术：

1、冠心病的主要病因是动脉硬化所致的冠脉狭窄。血流储备分数(ffr)指在冠状动脉存在狭窄病变的情况下，该血管所供心肌区域能获得的最大血流量与同一区域理论上正常情况下所能获得的最大血流量之比，可以简化为心肌最大充血状态下的狭窄远端冠状动脉内平均压(pd)与冠状动脉口部主动脉平均压(pa)的比值。ffr可表明冠脉狭窄病变对远端血流产生的影响，用于评估心肌是否缺血，ffr已经成为冠脉狭窄功能性评价的公认指标。

2、确定ffr的时候，需要基于心肌最大充血状态下的血流速度和冠状动脉口部主动脉平均压，通过不同的手段获取狭窄远端冠状动脉内平均压来计算ffr。目前，ffr的获取方式多为侵入式，风险较高，而且费用昂贵。为了解决上述问题，研究人员提出了结合冠脉cta和计算流体力学(cfd)的ffr无创测量方式；

3、如授权公告号为cn106650267b的发明公开的一种应用计算流体力学来模拟计算血流储备分数的系统和方法。系统包括：血管树模型生成模块，获取医学图像、执行分割并重建个体的血管树的几何模型；计算网格生成模块，为几何模型生成计算网格，建立血管树的cfd模型；边界条件设置模块，为血管树的cfd模型设置相应的入口和出口边界条件；属性设置模块，设置血液的物理属性以及流动方程；求解器，基于入口和出口边界条件、所设置的物理属性和流动方程，对血管树的cfd模型进行求解，以得到血管树各处的流体参数；以及后处理模块，对流体参数进行后处理，以得到血流储备分数，入口和出口边界条件均为个体特异性的。

4、该方案还具体介绍了所述出口边界条件为个体的血管树整体的各个出口处的微血管阻力，目前对于微血管阻力的计算，现有技术中一般采用带有温度传感器的压力导丝来测量相关参数进而获取冠脉微血管阻力指数值。然而，采用带有温度传感器的压力导丝来测量相关参数进而获取冠脉微血管阻力指数的过程中需要医生进行复杂的操作，极大地增加了医生的工作量。

5、为解决该问题，公开号为cn111627002a的发明公开了一种冠脉微血管阻力指数计算装置及方法。所述冠脉微血管阻力指数计算装置包括：主动脉压获取模块，用于获取主动脉压；dsa影像获取模块，用于获取一冠脉dsa影像序列；变化曲线生成模块，与所述dsa影像获取模块相连，用于根据造影剂在多个目标帧中的成像面积，以及所述目标帧的成像时间生成一造影剂面积变化曲线；曲线斜率获取模块，与所述变化曲线生成模块相连，用于获取所述造影剂面积变化曲线的平均斜率；阻力指数计算模块，与主动脉压获取模块和曲线斜率获取模块相连，用于根据所述主动脉压和所述平均斜率计算冠脉微血管阻力指数。

6、该方法通过造影剂面积变化曲线的平均斜率和主动脉压计算冠脉微血管阻力指数，造影剂面积的获取和主动脉压的测量均存在较大的测量误差，并且冠脉微血管很难从冠脉dsa影像序列中捕捉到，难以保证获取的冠脉微血管及其阻力的准确性。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在获取的冠脉微血管及其阻力的准确性差的缺陷而提供一种考虑了真实状况下冠脉在心肌各个层次之间的分布的基于分层心肌模型的冠脉微循环血管阻力获取方法和系统。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种基于分层心肌模型的冠脉微循环血管阻力获取方法，包括以下步骤：

4、s1：获取医学影像，提取建立冠脉血管模型、主动脉根部所在的横截面以及心肌总体积；

5、s2：在所述冠脉血管模型中每个冠脉的上游和下游生成侧支血管；

6、s3：将所有所述冠脉和侧支血管均视为主体血管，获取每个主体血管出口的位置坐标和血管半径；

7、s4：根据所述每个主体血管出口的位置坐标，并通过椭球面方程，拟合构建心肌外壁方程，然后结合所述主动脉根部所在的横截面，获得心肌外壁面；

8、s5：基于心肌外壁面与心肌内壁面相似的原理，根据所述心肌外壁面，构建心肌内壁面，并使得心肌外壁面、心肌内壁面和主动脉根部所在的横截面三者围成的体积与心肌总体积相等，从而构成心肌模型；

9、s6：在所述心肌模型的内部分层使用椭球面进行插值，并为每一层分配厚度；

10、s7：对所述心肌模型的各层分别进行网格划分，获取每层的点云文件；

11、s8：在所述心肌模型的最外层点云文件中随机选取点p，将该点p与各个主体血管出口预连接，根据生成血管总体积最小的原则，从该预连接中，选出连接生成一段血管，作为微循环血管；

12、s9：重复步骤s8，直至每个主体血管出口均生成一段微循环血管；

13、s10：在当前层以及当前层外侧的心肌模型点云文件中随机选取点t，筛选出与点t最近的m根微循环血管进行预连接，针对每根预连接的微循环血管，根据同一个主体血管出口下的各条分支的总压力降相等和微循环血管总体积最小的原则，选取点k分别连接点t以及该微循环血管中的上游和下游，新生成分岔式的多个微循环血管，并结合面积分岔幂律规则设定新生成的每根微循环血管的血管半径；比较所有预连接后构成的血管树的总体积，保留血管树总体积最小的预连接情况，所述血管树包括冠脉、侧支血管和微循环血管；

14、s11：重复步骤s10，直至在该层心肌模型的点云文件中，新生成的分岔式的多个微循环血管的分岔数量达到预设的分岔次数；

15、s12：以当前层内侧的一层作为当前层，重复步骤s11，并逐步推进到最内层，直至所生成的血管树中所有血管出口的半径都小于预设的血管阈值；

16、s13：根据步骤s12获取的血管树，计算主体血管各个出口的阻力值。

17、进一步地，步骤s6中，从内到外以线性变化的方式为每层分配厚度。

18、进一步地，步骤s10中，结合面积分岔幂律规则设定新生成的每根微循环血管的血管半径具体为：

19、生成的分岔式的多个微循环血管包括k-上游血管、k-下游血管和k-t血管，所述k-上游血管的血管半径等于主体血管出口的血管半径，所述k-下游血管和k-t血管的血管半径相等，所述k-下游血管和k-t血管的血管半径的计算表达式为：

20、

21、式中，rt为k-t血管的血管半径，rp为k-下游血管的血管半径，ri为k-上游血管的血管半径，γ为分岔幂律。

22、进一步地，所述同一个主体血管出口下的各条分支的总压力降相等和微循环血管总体积最小的原则选取点k具体为：

23、根据同一个主体血管出口下的各条分支的总压力降相等的原则，规定选取的点k分别与微循环血管中的上游和下游相连的血管的长度和横截面积相同；根据所述微循环血管总体积最小的原则，使得选取的点k满足分别连接点t、该微循环血管中的上游和下游的血管的总体积最小。

24、进一步地，步骤s2具体为：

25、根据所述冠脉血管模型中每个冠脉的上游和下游的血管半径确定增加的侧支血管数量和各个侧支血管的血管半径及对应的分岔幂律，所述增加的侧支血管在对应冠脉的上游和下游均匀分布；

26、所述增加的侧支血管数量和各个侧支血管的血管半径及对应的分岔幂律的关系式为：

27、rhγ-rdγ＝n×rγ

28、式中，rh为冠脉的上游血管半径，rd为冠脉的下游血管半径，γ为分岔幂律，n为侧支血管数量，r为侧支血管的血管半径。

29、进一步地，所述冠脉末端微循环血管阻力获取方法还包括：通过所述医学影像获取心脏空腔的区域，在步骤s8和步骤s10中的预连接过程中，若预连接的血管穿过所述心脏空腔的区域，则舍弃该预连接；

30、若步骤s10中，生成的所述微循环血管的血管半径小于所述血管阈值的一半，则舍弃与对应的微循环血管的预连接情况。

31、进一步地，步骤s13中，所述计算主体血管各个出口的阻力值具体为：基于泊肃叶定理计算每根微循环血管的阻力，然后根据串并联规则计算血管树中各个血管出口的阻力，所述阻力等效于电阻，所述每根微循环血管的阻力的计算表达式为：

32、

33、式中，r为电阻，μ为血液粘性，l为血管长度，a为血管的横截面积。

34、进一步地，步骤s13中，所述计算主体血管各个出口的阻力值具体为：

35、通过计算每根血管的电容和/或电感，确定所述血管树中各个血管出口的阻力，所述血管的电容的计算表达式为：

36、

37、式中，c为电容，a为血管的横截面积，l为血管长度，ρ为血液密度，a为脉搏波波速；

38、所述血管的电感的计算表达式为：

39、

40、式中，i为电感。

41、进一步地，步骤s13中获取的所述血管树中各个血管出口的阻力，用于设置血管树的三维cfd模型的出口边界条件。

42、本发明还提供一种基于分层心肌模型的冠脉微循环血管阻力获取系统，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，处理器调用所述计算机程序执行如上所述的方法的步骤。

43、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

44、(1)本发明在建立微循环血管树模型的过程中充分考虑了真实状况下冠脉在心肌各个层次之间的分布，且提取了具有患者特异性的心肌体积，冠脉主干走行，冠脉截面积等参数，建立分层的心肌模型，在心肌模型的每一层中分别进行微循环血管的生长，并保证每层新增分岔的数量，使得基于该微循环血管模型计算得到的阻力值更准确且具有患者的特异性。

45、采用该方法计算出的阻力值，使得计算血流储备分数的数值仿真模型具有较为准确且具有患者特异性的出口边界条件，从而使得数值仿真获得的冠脉ffr更准确。

46、(2)本发明考虑到通过医学影像如cta影像，能够获取冠脉血管，但对于侧支血管和冠脉末端微循环血管，现有的医学影像精度不够，难以观测清楚，因此本发明根据侧支血管和冠脉末端微循环血管的分布规律，基于心肌和冠脉血管，重新生成侧支血管和冠脉末端微循环血管，从而计算冠脉末端微循环血管的阻力，能大幅提高计算结果的准确性。

47、(3)血管树中所有血管出口的半径一般都小于一个血管阈值，血管半径的缩小一般通过分岔并根据面积分岔幂律规则实现；为生成分岔式的血管，本发明首先在心肌模型的点云文件中随机选取点p与主体血管出口连接，生成微循环血管；然后随机选取点t连接附近的微循环血管，形成点t、某微循环血管中的上游和下游的三点组合，根据各条分支的总压力降相等的原则，选取点k分别连接点t、某微循环血管中的上游和下游，形成分岔式的多个微循环血管，由此建立得到的冠脉末端微循环血管从几何与功能上都接近于真实的冠脉微循环血管分布特征。

48、(4)本发明基于具有患者特异性的增加侧枝血管后的冠脉主干确定微循环血管生长的起点和微循环血管的初始截面积，在提取的心肌模型内部生成冠脉微循环血管模型，充分考虑了冠脉对于心肌的供血状况，使得建立得到的微循环血管模型从几何与功能上都接近于真实的冠脉微循环血管分布特征，使得基于该微循环血管模型计算得到的阻力值更准确且具有患者的特异性。