[发明专利]一种基于简化的冠脉零维模型和狭窄阻力预测模型快速计算血流储备分数的方法和系统

说明书

本发明涉及一种基于简化的冠脉零维模型和狭窄阻力预测模型快速计算血流储备分数的方法和系统，属于数值模拟领域。所述系统包括：根据冠脉CTA图像构建冠脉三维模型，提取冠脉生理参数和几何参数，计算平均动脉压和冠脉微循环阻力；截取狭窄三维模型，以平均动脉压为入口边界条件，充血状态冠脉微循环阻力为出口边界条件，构建狭窄所在分支的冠脉零维模型；提取狭窄几何参数，构建冠脉狭窄阻力预测模型，并结合冠脉零维模型计算狭窄阻力和充血流量；基于充血流量计算狭窄远端压力，结合主动脉根部压力数值计算血流储备分数。计算一例模型仅需6秒，准确性为91.7％。在保证计算精度的条件下，大大提高了计算速度，对辅助临床诊断心肌缺血具有重要意义。

技术领域：

本发明属于数值模拟领域。尤其涉及一种基于简化的冠脉零维模型和狭窄阻力预测模型快速计算血流储备分数的方法和系统。

背景技术：

血流储备分数(fractional flow reserve,FFR)是临床诊断冠脉狭窄的功能性心肌缺血的“金标准”。它的定义是最大充血状态下狭窄远端与主动脉根部平均压力的比值。目前临床上主要通过有创的方法测量FFR，但是压力导丝价格昂贵、手术过程复杂、注射血管扩张药物存在药物不耐受性等缺点使得FFR在临床的广泛应用受到了限制。

近年来，FFR的无创数值模拟成为了研究热点，Taylor团队提出的基于冠脉CTA的0D-3D耦合的几何多尺度血流动力学方法是目前主流的FFR无创数值计算方法(FFRCT)，已经得到广泛应用。但是这种计算方法模型复杂，求解Navier-Stokes方程耗时，因此简化模型实现FFR的快速数值计算很有必要。

冠脉血流的模拟关键在于冠脉微循环阻力和狭窄阻力的准确模拟。通过将三维模型简化为零维模型，将感兴趣区域从整个冠脉模型简化为仅包含狭窄段的冠脉模型，结合深度学习预测狭窄阻力，从而模拟出生理真实的充血流量，进而快速数值计算FFR。

发明内容：

有鉴于此，本发明提出一种基于简化的冠脉零维模型和狭窄阻力预测模型快速计算血流储备分数的方法和系统(FFR0D)，该系统的优势在于将感兴趣区域从整个冠脉模型缩小到狭窄所在分支的冠脉模型，并简化为零维模型，不需要求解复杂的非线性方程组，简化了计算过程，提高了仿真速度，对于快速数值计算FFR具有重要意义。技术方案如下：

一种基于简化的冠脉零维模型和狭窄阻力预测模型快速计算血流储备分数的方法和系统，包括以下步骤：

(1)基于冠脉CTA图像构建冠脉三维模型，提取个性化冠脉生理参数和几何参数，构建个性化冠脉生理模型(包括主动脉根部压力和冠脉微循环阻力)；

(2)基于冠脉三维模型截取狭窄三维模型，以主动脉根部压力和冠脉微循环阻力为边界条件，构建狭窄所在分支的个性化冠脉零维模型；

(3)基于狭窄三维模型提取个性化狭窄几何参数，构建个性化冠脉狭窄阻力预测模型；

(4)冠脉零维模型结合狭窄阻力预测模型迭代计算个性化狭窄阻力和充血流量；

(5)基于个性化充血流量计算冠脉狭窄远端压力，结合主动脉根部压力数值计算血流储备分数。

其中所述的步骤(1)具体包括如下：

1.1通过MIMICS对冠脉CTA图像进行三维重建构建冠脉三维模型，提取个性化冠脉拓扑结构及冠脉各分支的个性化几何参数，包括：血管长度、血管直径、血管横截面积；

1.2基于冠脉CTA图像提取个性化生理参数，包括：心输出量、收缩压、舒张压；

1.3通过电阻模拟血流阻力，电流模拟血流量，电压模拟血压；基于步骤1.1提取的几何参数计算得到冠脉各分支阻力：

其中，R是冠脉阻力，μ是动态粘度(取0.0035Pa·s)，L是血管长度，A是血管横截面积；