一种冠状动脉血流储备分数的获取系统及方法与流程

1.本发明涉及生物医学工程控制技术领域，尤其涉及一种冠状动脉血流储备分数的获取系统及方法。


背景技术：

2.冠状动脉是包裹在人体心脏表面的一系列血管，主要为心脏运输血液和传送能量，因其形状呈冠状，因此叫做冠状动脉，简称冠脉。冠脉内的血液能否正常通行将直接影响整个心脏的血液循环，同时也是冠心病的重要判断标准之一。
3.血流储备分数，简称ffr，是判断冠脉内血液通行流畅程度的重要指标，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与同一区域理论上正常情况下所能获得的最大血流之比，即心肌最大充血状态下的狭窄远端冠状动脉内平均压(pd)与冠状动脉入口处平均压(pa)的比值。目前ffr值主要通过临床医生用压力导丝介入人体冠脉测量获得，目前掌握这一方法的医生并不多，而且该测量方法费用较高，同时还存在一定的风险。
4.近些年来发展出几种无创的ffr测量方法，例如核素显像法，磁共振灌注法，ct无创血流储备分数测量法(即ffr-ct)，基于dsa的ffr测量法(即qfr)。这几种方法中，前两种还是属于传统方法，对设备的依赖性很强，例如核素显像法需要spect设备，磁共振灌注法需要磁共振设备，检测费用都很高。后面两种方法是最近才发展起来的，特别是qfr是去年才在中国首次被批准使用。另外还包括如公开号cn108992057a的发明公开的一种确定冠状动脉ffr的方法等其他技术。
5.ffr-ct最早是美国heartflow公司于2014年在美国获得fda证书，它是基于ct冠状动脉血管造影(简称cta)的影像，仿真冠状动脉血管血流，模拟出人体心血管主要指标，如血压、血流速度、冠状动脉血流储备分数等，用于临床定量分析的后期处理。它的流程方法是首先在ct室内获得cta图像，然后对cta图像进行处理，重建出冠脉的三维结构，再对该三维结构进行网格和数学建模，最后将一些边界条件提交到超级计算机上进行计算，获得每支冠脉的ffr值。
6.而现有的ffr计算方法中，获取的血流速度值均存在较大误差，导致计算得到的ffr值不准确。
7.例如，中国专利cn202011233059.7公开了一种低误差的冠状动脉血流储备分数测量方法。其通过cta和dsa结合的方法进行ffr值计算，但是，其获取的血流速度依然采用估算的方式，准确度不高。


技术实现要素：

8.本发明主要解决现有的技术中血管内的血流速度无法准确获得导致血流储备分数测量准确度误差大的问题；提供一种冠状动脉血流储备分数的获取系统及方法，采用血流速度监测装置准确获得血流速度，减少ffr的计算误差。
9.本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种冠状动脉血流储备分数的获取系统，包括目标冠脉获取模块，用于获取目标冠状动脉血管模型；血流速度监测装置，用于获取目标冠状动脉的血流速度；近端血压监测装置，用于获取目标冠状动脉的近端血压，根据目标冠脉获取模块的血管模型安装在目标冠状动脉的入口位置；处理模块，接收血流速度监测装置获取的血流速度和近端血压监测装置获取的近端血压，并基于纳维-斯托克斯方程计算远端血压，基于目标冠状动脉的近端血压和远端血压计算血流储备分数。通过在目标冠状动脉的血管入口处设置血流速度监测装置，直观准确的获取血流速度，比起传统的通过先获取血管长度，在通过造影剂获得血流时间计算血流速度具有更好的准确性，有效减少计算误差，获得更准确的ffr测量值，处理模块处于实时工作状态，使得实时快速的计算出每时每刻的血流储备分数，效率高。
10.作为优选，所述的血流速度监测装置包括测量探头、导丝和信号接收端；所述测量探头伸入冠状动脉的血管内，通电后与血液进行热交换；所述导丝的一端与测量探头连接，导丝的另一端与信号接收端连接，用于传递导电电流以及测量探头的电压信号；所述信号接收端用于给测量探头并根据测量探头反馈的电压信号变化程度计算血流速度。通过液体流速带动热量进而导致热敏材料温度变化的形式进行血流速度的测量，比起传统的造影剂计算血流速度更加准确，不会出现血管支流导致的计算误差。
11.作为优选，所述的测量探头包括基体以及与基体连接的测量头，所述基体与导丝连接，所述基体表面设置有绝缘层，所述测量头由内而外设置有通电芯轴、热敏层以及绝缘外套。通电芯轴给热敏层导电，使得热敏层产生热量。
12.作为优选，所述的测量头还包括隔热层，所述隔热层包裹绝缘外套，所述隔热层的内壁上设置有永磁铁，所述绝缘外套的外壁上设置有电磁铁，所述电磁铁通电后与永磁体相吸使得所述隔热层固定在绝缘外套上。设置隔热层，防止热敏层在加热的过程中或者未进入血管前被带走热量，导致的计算误差，进一步减少了血流速度的计算误差，提高结果的准确率。
13.作为优选，还包括弹性连接线，所述隔热层通过弹性连接线与基体连接。设置弹性连接线，防止隔热层流入血管内。
14.作为优选，所述的近端血压监测装置为血压监测器。采用血压监测器进行近端血压的监测，更加直观准确。
15.一种冠状动脉血流储备分数的获取方法，包括以下步骤：
16.获取目标冠状动脉血管模型；
17.根据目标冠状动脉血管模型安装血流速度监测装置，获取目标冠状动脉的血流速度v；
18.根据目标冠状动脉血管模型安装近端血压监测装置，获取目标冠状动脉的近端血压；
19.根据血流速度和近端血压计算远端血压，基于目标冠状动脉的近端血压和远端血压计算血流储备分数。
20.作为优选，根据目标冠状动脉血管模型获取目标冠状动脉血管的主血管截面积和支血管数量，根据主血管截面积差值将主血管分为若干段，每段主血管的入口截面积与出口截面积差值均相等，分别测量每段主血管的血流速度，计算支血管损失量r＝(vi-vi+1)/
a，vi表示当前主血管的血流速度，vi+1表示下一段主血管的血流速度，a表示支血管数量，根据支血管损失量计算修正后的血流速度vn＝v-r/y，y表示主血管入口与出口的截面积差值。通过对血流速度进行进一步修正，提高血流储备分数的计算准确度。
21.本发明的有益效果是：通过在血管目标位置设置血流速度监测装置，可以快速准确的获得血流速度，且由于电信号的传递速度快，使得检测的时间效率高，同时，在测量头的位置设置隔热层防止热敏层在加热的过程中或者未进入血管前被带走热量，使得血流速度的计算结果更加准确，使得ffr的测量结果更加准确；通过计算支血管损失量，对监测到的血流速度进行修正，使得血流速度更加符合实际，提高计算得到的ffr值的准确性。
附图说明
22.图1是本发明实施例的冠状动脉血流储备分数的获取系统的结构框图。
23.图2是本发明实施例的血流速度监测装置的结构示意图。
24.图3是本发明实施例的测量探头的结构示意图。
25.图中1、信号接收端，2、导丝，3、测量探头，4、基体，5、测量头，6、隔热层，7、永磁铁，8、电磁铁，9、弹性连接线，10、目标冠脉获取模块，11、血流速度监测装置，12、近端血压监测装置，13、处理模块。
具体实施方式
26.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，通过下述实施例并结合附图，对本发明实施例中的技术方案的进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
27.实施例：一种冠状动脉血流储备分数的获取系统，如图1所示，包括目标冠脉获取模块10、血流速度监测装置11、近端血压监测装置12和处理模块13，目标冠脉获取模块分别与血流速度监测装置和近端血压监测装置连接，血流速度监测装置和近端血压监测装置均与处理模块连接，目标冠脉获取模块用于获取目标冠状动脉血管模型，采用cta冠脉造影并进行三维重建，可以获得任意目标的冠状动脉血管的三维模拟图；血流速度监测装置用于获取目标冠状动脉的血流速度，近端血压监测装置用于获取目标冠状动脉的近端血压，处理模块接收血流速度监测装置获取的血流速度和近端血压监测装置获取的近端血压，并基于纳维-斯托克斯方程计算远端血压，基于目标冠状动脉的近端血压和远端血压计算血流储备分数。
28.如图2所示，血流速度监测装置包括测量探头3、导丝2和信号接收端1；测量探头伸入冠状动脉的血管内，通电后与血液进行热交换；导丝的一端与测量探头连接，导丝的另一端与信号接收端连接，用于传递导电电流以及测量探头的电压信号；信号接收端用于给测量探头并根据测量探头反馈的电压信号变化程度计算血流速度，导丝由内到外设置有通电芯轴以及绝缘层。
29.如图3所示，测量探头包括基体4以及与基体的一端连接的测量头5，基体的另一端与导丝固定连接，基体表面设置有绝缘层，内部设置有通电芯轴，测量头由内而外设置有通电芯轴、热敏层、绝缘外套和隔热层6，热敏层上设置有用于与通电芯轴连接的导电丝，隔热层包裹绝缘外套，隔热层的内壁上设置有永磁铁7，绝缘外套的外壁上设置有电磁铁8，电磁
铁通电后与永磁体相吸使得所述隔热层固定在绝缘外套上，隔热层通过弹性连接线9与基体连接。
30.测量头的形状为圆柱形，圆形端为进入血管的头部，采用圆形头部可以有效防止损坏血管内壁，将圆柱形的测量头和导丝伸入血管入口处的内部，信号接收端给热敏层通电加热，热敏层根据流过的电流产生电压信号，其阻值大小根据温度产生线性变化，在此过程中，电磁铁一直处于通电状态与永磁体相吸使得隔热层进行有效隔热，当热敏层通电完毕后，电磁铁断电，电磁铁与永磁体不在吸引，使得隔热层随着血液的流动脱离测量头，但在弹性连接线的牵引下隔热层始终与基体连接，血液流动作用于热敏层，带走热敏层的热量，热敏层热量变化后电阻产生线性变化，使得两端的电压值进行相应的线性变化，并将变化的电压信号通过通电芯轴传递给信号接收端，信号接收端具有指令输出能力以及信号处理能力，如单片机等，信号接收端根据设置好的程序进行血流速度计算并进行显示，也可以不显示，直接传递给ffr测量终端。
31.信号接收端计算血流速度的方法为：根据电压信号的变化得到热敏层的电阻变化，根据热敏层的材料系数得到温度变化，基于热线热膜法根据温度变化得到血流速度。
32.本发明的热线热膜法利用热对流方程进行流速测定，其中热对流方程为其中，h表示代表热耗散，a和b为常数，u为流速，通过得到的电压变化信号与温度变化的映射关系，得到血流速度，由于电信号的传递速度很快，因此，获得的血流速度为瞬时速度，具有较强的时效性，提高获得的血流速度的准确度。
33.近端血压监测装置为血压监测器，血压监测器获取冠脉入口处动态血压，根据动态血压随心动周期变化数据，生成动态血压时间变化波形图。
34.本实施例还提供一种冠状动脉血流储备分数的获取方法，包括以下步骤：
35.a：获取目标冠状动脉血管模型。
36.b：根据目标冠状动脉血管模型安装血流速度监测装置，获取目标冠状动脉的血流速度v；根据目标冠状动脉血管模型获取目标冠状动脉血管的主血管截面积和支血管数量，根据主血管截面积差值将主血管分为若干段，每段主血管的入口截面积与出口截面积差值均相等，分别测量每段主血管的血流速度，计算支血管损失量r＝(v
i-v
i+1
)/a，vi表示当前主血管的血流速度，v
i+1
表示下一段主血管的血流速度，a表示支血管数量，根据支血管损失量计算修正后的血流速度vn＝v-r/y，y表示主血管入口与出口的截面积差值。
37.c：根据目标冠状动脉血管模型安装近端血压监测装置，获取目标冠状动脉的近端血压；根据血压时间变化波形图实时获得瞬时电压。
38.d：根据血流速度和近端血压计算远端血压，基于目标冠状动脉的近端血压和远端血压计算血流储备分数。
39.计算血流储备分数值的过程包括：以动态血压值作为近端血压pa，根据血流速度监测装置检测的血流速度vi并作为远端血流速度，根据纳维-斯托克斯方程计算出远端血压pd，再得到目标冠脉ffr值＝pd/pa。
40.ffr测量终端获取信号接收端传递的血流速度以及血压监测器传递的动态血压时间变化波形图，采用纳维-斯托克斯方程计算出远端血压pd，其中纳维-斯托克斯方程为：
41.[0042][0043][0044][0045]
其中，为流场的应力张量，为梯度算子，t为时间变量，i为单位矩阵，表示的转置，ff为源项，这里为重力，u表示血流速度，pf为血流压力，ρf为血液密度，μ为血液的粘性系数，ωf为流体计算区域，γ
finlet
，γ
foutlet
为流体计算域的入流边界和出流边界。由于pf是定义在整个流体计算区域中的，所以上述公式得到的pf包括了血管远端的血压值pd。
[0046]
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。