[发明专利]一种基于物理驱动预测静息冠状动脉微循环阻力的方法

权利要求书

1.一种基于物理驱动预测静息冠状动脉微循环阻力的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤A1:采集人体实际的生理波形数据，包括主动脉压、心肌质量；

步骤A2:利用患者CTA图像，重建个性化的冠状动脉结构；

步骤A3:测量正常血管的解剖结构参数，以及狭窄血管的结构参数；

步骤A4:利用基于自然生长法则的血管标度率，分配患者的冠状动脉在理想状态下的冠脉血流量，并且建立一种模拟理想状态冠脉微循环阻力方法；

步骤A5:依据微循环阻力代偿机制，基于物理驱动的方法迭代优化调整微循环阻力值，输出正常血管和狭窄血管静息状态下的微循环阻力值，建立一种模拟符合人体生理机制的高保真静息状态血流动力学方法。

2.按照权利要求1所述的一种基于物理驱动预测静息冠状动脉微循环阻力的方法，其特征在于，步骤A1中需要采集人体实际的生理波形数据，包括主动脉压、心肌质量；主动脉压是通过肱动脉的压力来代替；心肌质量则是通过CTA图像重建获得。

3.按照权利要求1所述的一种基于物理驱动预测静息冠状动脉微循环阻力的方法，其特征在于，步骤A2:利用患者CTA图像，重建个性化的冠状动脉结构；包括使用重建CTA图像的软件，患者的冠脉结构放射科医生重建CTA图像获得，冠脉直径小于1mm的不再分割，直至分割出个性化的冠状动脉结构。

4.按照权利要求1所述的一种基于物理驱动预测静息冠状动脉微循环阻力的方法，其特征在于，步骤A3:测量正常血管的解剖结构参数，以及狭窄血管的结构参数；临床医生通过A2步骤所获得冠脉解剖结构，测量正常血管的长度和血管直径，狭窄血管则是需要测量入口面积、狭窄面积、狭窄入口长度、狭窄出口长度、最小狭窄长度、狭窄率六个参数；测量血管参数由标准的测量流程，由两位放射科医生同时测量，当测量结果误差超过3％时，则需要第三位放射科医生介入测量并且判定测量结果。

5.按照权利要求1所述的一种基于物理驱动预测静息冠状动脉微循环阻力的方法，其特征在于，步骤A4:利用基于自然生长法则的血管标度率，分配患者的冠状动脉在理想状态下的冠脉血流量，并且建立一种模拟理想状态冠脉微循环阻力的方法；理想状态模型是指假设冠脉不存在狭窄的情况下，根据患者个性化的血流动力学参数，计算冠脉微循环阻力而建立的一种方法；分别计算出理想状态下的冠脉入口流量和理想状态下的微循环阻力值和各个分支处的压力；

理想状态模型指的是假设冠状动脉不存在狭窄的情况下，根据患者个性化的血流动力学参数，计算冠脉微循环阻力值从而建立的模型；基于冠脉狭窄患者的CTA图像，重建个性化冠状动脉三维血管解剖模型；根据临床上的研究，冠脉总流量为心输出量的4％，其中左右冠的流量占比为6:4；假设在理想状态下，所有的冠脉血管均无狭窄；通过冠状动脉总流量，利用血管标度律，即可计算出冠状动脉各分支的流量；在冠脉理想状态下，对于分叉血管，依据标度律法则，血流量与血管直径与之间成正比：

式中Q_lad：为左冠前降支血管流量；

Q_lcx：左冠回旋支血管流量；

D_lad：左冠前降支血管直径；

D_lcx：左冠回旋支血管直径；

n：标度律系数；

根据冠脉3D模型，给定个性化主动脉压入口压力边界条件P_in，出口为依据血管标度律分配得到的各分支流量Q_out-k，计算各血管段的压差ΔP_k，即可计算各支出口下游的微循环阻力；例如对于原本狭窄位置的理想状态血管段，计算出其理想状态压差ΔP_s-ideal，可计算下游分支k出口处的压力和理想状态下分支k出口下游的微循环总阻力：

P_out-k-ideal＝P_in-ΔP_s-ideal-ΔP_k                  (2)

式中P_out-k-ideal：理想状态血管分支k的出口压力；

P_in：主动脉入口压力；

ΔP_s-ideal：狭窄血管理想状态血管产生的压差；

ΔP_k：正常血管段分支k所产生的压差；

R_m-k-ideal：理想状态分支k出口下游的微循环总阻力；

Q_out-k：分配的血管分支k出口流量；

N：血管出口分支总数。

6.按照权利要求1所述的一种基于物理驱动预测静息冠状动脉微循环阻力的方法，其特征在于，步骤A5:包括以下步骤：

步骤B1:将步骤A4中计算的冠脉入口流量作为优化的初始参数；

步骤B2:将步骤A4中计算的微循环阻力作为初始阻力边界条件；

步骤B3:将步骤A4中计算的出口压力作为3D模型出口边界条件；

步骤B4:通过步骤A3中测量的狭窄几何参数计算静息的阻力压降；

步骤B5:使用基于物理驱动的方法迭代优化调整狭窄下游血管出口的微循环阻力值；根据比较结果将需要优化的阻力值在设定的步长范围内进行减少；当入口的压力与患者个性化主动脉压相匹配时即可得到静息状态下的狭窄分支出口下游的冠脉微循环阻力均值；结束优化，否则继续进行优化；输出正常血管和狭窄血管的微循环阻力值，完成迭代计算；

在静息状态，由于冠状动脉发生狭窄，冠脉微循环血管中的前小动脉和微动脉会逐渐适应性扩张调节降低自身阻力，以维持静息状态血流量恒定；根据重建的个性化冠脉3D模型，以图3b的左冠前降支狭窄为例，给定入口流量边界条件Q_左即冠脉总流量与理想状态的冠脉总流量相同，Q_total＝4％·CO，Q_左:Q_右＝6:4，出口给定理想状态微循环阻力，基于物理驱动的方法迭代优化调整狭窄下游血管出口的微循环阻力值：

R_m-k-rest′＝R_m-k-rest-s                     (4)

式中R_m-k-rest：动态调整前的冠脉微循环阻力值；

R_m-k-rest’：动态调整后的冠脉微循环阻力值；

s：调整步长；步长为1；

当入口压力与患者个性化主动脉压相匹配，即满足式(5)时，即可得到静息状态下的狭窄分支出口下游的冠脉微循环阻力均值；

P_in-P_in′≤ε                          (5)

P_in'＝P_out-k-rest+ΔP_k+ΔP_s-rest                   (6)

式中P_in’：微循环阻力值调整后计算出的入口压力；

P_out-k-rest：计算出的静息状态下冠脉出口压力；

ΔP_k：出口血管分支的沿程阻力造成的压降；

ΔP_s-rest：狭窄两端的压降；

ε：收敛残差，取值为0.0001；

对于不存在狭窄的血管，使用理想状态的微循环阻力值。