心肌缺血评估方法、微循环障碍评估方法及计算方法

本发明涉及生物医学工程，具体涉及一种心肌缺血评估方法及系统、微循环障碍评估方法及系统、微循环障碍计算方法及系统。

背景技术：

1、心肌缺血是指心脏肌肉的血液供应不足，导致心肌细胞无法获得足够的氧气和营养物质，从而影响心脏的正常功能。心肌缺血是一种严重的心血管疾病，如果不及时治疗，可能会导致心肌梗死，甚至危及生命。慢性冠状动脉综合征(chronic coronary syndrome，ccs)是指由于冠状动脉粥样硬化持续进展过程中引起心肌缺血的一系列症状和征象，其中冠脉病变可表现为心外膜冠状动脉狭窄和/或微血管功能障碍等。

2、心肌缺血评估方法及系统具有非治疗目的。心肌缺血评估方法及系统是基于对医学影像的处理，即其直接对象是医学影像，例如ccta、ctp。

3、中国发明专利cn117476238b，用于评估心肌缺血的计算流体力学仿真分析方法及系统公开了基于患者特异性图像计算流体力学的方法，保护了基于图像计算血管对应心肌灌注区域的方法。

4、xuelian gao等人发表的论文《a novel ct perfusion-based fractional flowreserve algorithm for detecting coronary artery disease》公开了使用ctp图像计算mbf，然后用流体力学仿真的方法优化ct-ffr(基于冠状动脉ct血管造影的血流储备分数)计算。

5、针对心外膜冠状动脉狭窄，现有的无创缺血评估方法多是基于计算流体力学原理计算血流和压力，例如基于冠状动脉ct血管造影的血流储备分数(ct angiographyderived-fractional flow reserve,ct-ffr)技术。现有技术中采用力学仿真的模拟计算因冠状动脉血管狭窄引起的心肌缺血的比例ct-ffr往往包括以下步骤：图像获取：获取心脏和血管的ct图像；图像分割：使用图像处理算法将ct图像中的组织、血管和血液分割，并识别出血管的内部和外部边界，以及心脏的壁层；流体动力学模型建立：利用分割后的图像数据，结合个体的血流动力学参数，建立心脏和血管的三维模型。压力梯度计算：在建立的流体动力学模型中，计算血管狭窄处的压力梯度。压力梯度是指血液在血管内流动时，从血管的近端到远端的压力变化；ffr计算：在无狭窄情况下，血管内的压力梯度与血管的半径成反比。因此，可以通过比较狭窄前后的压力梯度，计算出ffr值。由此可见，现有的流体力学仿真计算ct-ffr的方法是对获取的ct图像进行图像处理后获取狭窄前后的血管内的压力梯度，根据狭窄前后的血管内的压力梯度计算血流储备分数ffr。

6、现有的主流计算方法主要包括流体力学仿真和机器学习方法，流体力学仿真需要特异性的边界条件作为输入，还需耗费大量的时间和算力，成本高、速度慢，且输入模型的参数存在不确定性，影响仿真结果的可靠性，需要专业的软件和技术人员，操作复杂。机器学习方法虽然计算速度快，但训练模型需要的大量数据也是来自于力学仿真计算的结果，具有数据依赖性，且训练模型通常在训练数据集上表现练好，但是在未见过的数据上可能表现不佳，影响学习结果的可靠性。

7、因此，现有的流体力学仿真和训练模型的方法存在计算复杂、成本高、速度慢、结果不准确、不可靠的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决上述问题。

2、本发明提供的心肌缺血评估方法及系统、微循环障碍评估方法及系统、微循环障碍计算方法及系统均具有非治疗目的。

3、本发明提供的心肌缺血评估方法及系统、微循环障碍评估方法及系统、微循环障碍计算方法及系统均是基于对医学影像的处理，即其直接对象是医学影像，例如ccta、ctp。

4、第一方面，相较于通过ct图像计算ct-ffr而言，本发明提供了一种仅直接基于影像学的心肌缺血无创评估方法，也就是说，该心肌缺血评估方法直接基于对ctp的图像处理即可获得ctp-ffr，ctp-ffr即基于负荷状态下的ct心肌灌注影像ctp的血流储备分数，实现对心外膜血管狭窄导致的缺血程度的量化。本发明提供的心肌缺血评估方法无需借助流体力学，由于力学仿真是模拟计算，因此根据力学仿真获取的心肌缺血的评估是模拟结果。相较于根据力学仿真获取的心肌缺血的评估，本发明提供的基于图像处理的心肌缺血的量化方法所获得的结果更加精准、速度更快。本发明通过ctp-ffr评估实际心肌灌注的缺血情况，具有快速、准确的整体心肌缺血的定量评估的优点。

5、本发明的实施方式公开了一种心肌缺血评估方法，包括：获取第一影像和第二影像，第一影像为冠脉ct血管造影影像ccta，第二影像为负荷状态下的ct心肌灌注影像ctp；根据第一影像和第二影像，通过图像处理方法将左心室心肌区域映射到冠状动脉血管树中的各个血管，获得映射图像；在映射图像标定目标血管灌注区域；根据第二影像获取心肌灌注区域的心肌组织的时间-衰减曲线，基于心肌组织的时间-衰减曲线和目标血管灌注区域获取目标血管灌注区域的定量心肌血流量，将目标血管灌注区域的定量心肌血流量作为目标血管灌注区域在狭窄情况下的心肌血流量mbfhyper-stenosis；获取目标血管的正常灌注区域的定量心肌血流量，将目标血管的正常灌注区域的定量心肌血流量作为目标血管灌注区域在模拟正常情况下的心肌血流量mbfhyper-normal；根据目标血管灌注区域在狭窄情况下的心肌血流量mbfhyper-stenosis和目标血管灌注区域在模拟正常情况下的心肌血流量mbfhyper-normal，评估因冠状动脉血管狭窄引起的心肌缺血的比例ctp-ffr。

6、采用上述技术方案，通过对第一影像和第二影像的处理、利用第二影像ctp获取的心肌血流量mbf计算得到因冠状动脉血管狭窄引起的心肌缺血的比例ctp-ffr。也就是说，本发明提供的心肌缺血的评估方法直接基于对ctp的图像处理获得ctp-ffr，实现对心外膜血管狭窄导致的缺血程度的量化。不同于ct-ffr用于评估心外膜血管狭窄导致的缺血，ctp-ffr能够更加快速、准确、可靠地定量评估实际心肌灌注的缺血情况。

7、根据本发明的另一具体实施方式，根据第二影像获取心肌灌注区域的心肌组织的时间-衰减曲线，基于心肌组织的时间-衰减曲线和目标血管灌注区域获取目标血管灌注区域的定量心肌血流量，将目标血管灌注区域的定量心肌血流量作为目标血管灌注区域在狭窄情况下的心肌血流量mbfhyper-stenosis，包括：基于心肌灌注区域的心肌组织的时间-衰减曲线的上升期斜率、峰值和目标血管关注区域获取目标血管灌注区域的定量心肌血流量，将目标血管灌注区域的定量心肌血流量作为目标血管灌注区域在狭窄情况下的心肌血流量mbfhyper-stenosis。

8、根据本发明的另一具体实施方式，目标血管灌注区域的定量心肌血流量包括目标血管的正常灌注区域的心肌血流量的均值、中位数中的至少一种，和/或目标血管的正常灌注区域的定量心肌血流量包括目标血管的正常灌注区域的心肌血流量的均值、中位数中的至少一种。

9、根据本发明的另一具体实施方式，根据目标血管灌注区域在狭窄情况下的心肌血流量mbfhyper-stenosis和目标血管灌注区域在模拟正常情况下的心肌血流量mbfhyper-normal获取mbfhyper-stenosis和mbfhyper-normal的比值作为病变状态下和健康状态下的血流量的比值ctp-ffr：

10、

11、其中，ctp-ffr的数值用于评估因冠状动脉血管狭窄引起的心肌缺血的比例，冠状动脉血管狭窄引起的心肌缺血的比例为(1—ctp-ffr)*100％。

12、根据本发明的另一具体实施方式，根据第一影像和第二影像，通过图像处理方法将左心室心肌区域映射到冠状动脉血管树中的各个血管，获得映射图像，包括：通过第一图像分割算法分割第一影像，获得冠状动脉血管树图像，通过第二图像分割算法分割第二影像，获得左心室心肌结构图像；通过图像配准方法配准第一影像和第二影像，获得配准后的图像，配准后的图像为配准后的第一影像；根据配准后图像、第二影像通过图像映射方法将左心室心肌结构图像的左心室心肌结构区域映射到冠状动脉血管树图像中的冠状动脉血管树的各个血管，获得映射图像。

13、根据本发明的另一具体实施方式，根据配准后图像、第二影像通过图像映射方法将左心室心肌结构图像的左心室心肌结构区域映射到冠状动脉血管树图像中的冠状动脉血管树的各个血管，获得映射图像，包括：通过分叉原理映射将左心室心肌区域映射到冠状动脉血管树中的各个血管，获得映射图像；通过分叉原理映射将左心室心肌区域映射到冠状动脉血管树中的各个血管，获得映射图像，优选的，进一步包括：通过分治法的原理将左心室的心肌区域映射到冠状动脉血管树中所有管腔直径≥1mm的冠状动脉血管。

14、第二方面，本发明的实施方式公开了一种心肌缺血的评估系统，包括：图像获取模块，用于获取第一影像和第二影像，第一影像为冠脉ct血管造影影像ccta，第二影像为负荷状态下的ct心肌灌注影像ctp；图像处理模块，用于根据第一影像和第二影像，通过图像处理方法将左心室心肌区域映射到冠状动脉血管树中的各个血管，获得映射图像；图像标定模块，用于在映射图像标定目标血管灌注区域；目标血管灌注区域的心肌血流量获得模块，用于根据第二影像获取心肌灌注区域的心肌组织的时间-衰减曲线，基于心肌组织的时间-衰减曲线和目标血管灌注区域获取目标血管灌注区域的定量心肌血流量，将目标血管灌注区域的定量心肌血流量作为目标血管灌注区域在狭窄情况下的心肌血流量mbfhyper-stenosis；用于获取目标血管的正常灌注区域的定量心肌血流量，将目标血管的正常灌注区域的定量心肌血流量作为目标血管灌注区域在模拟正常情况下的心肌血流量mbfhyper-normal；心肌缺血评估模块，用于根据目标血管灌注区域在狭窄情况下的心肌血流量mbfhyper-stenosis和目标血管灌注区域在模拟正常情况下的心肌血流量mbfhyper-normal，评估因冠状动脉血管狭窄引起的心肌缺血的比例ctp-ffr。

15、采用上述技术方案，图像获取模块、图像处理模块、图像标定模块、目标血管灌注区域的心肌血流量获得模块和心肌缺血评估模块相互配合，仅基于第一影像和第二影像对心肌缺血进行无创评估，该心肌缺血评估系统无需借助流体力学，即可实现对心外膜血管狭窄导致的缺血程度的量化，且本发明通过ctp-ffr评估实际心肌灌注的缺血情况，具有快速、准确、可靠的整体心肌缺血的定量评估的优点。

16、根据本发明的另一具体实施方式，目标血管灌注区域的心肌血流量获得模块，用于基于心肌灌注区域的心肌组织的时间-衰减曲线的上升期斜率、峰值和目标血管关注区域获取目标血管灌注区域的定量心肌血流量，将目标血管灌注区域的定量心肌血流量作为目标血管灌注区域在狭窄情况下的心肌血流量mbfhyper-stenosis。

17、根据本发明的另一具体实施方式，目标血管灌注区域的定量心肌血流量包括目标血管的正常灌注区域的心肌血流量的均值、中位数中的至少一种，和/或目标血管的正常灌注区域的定量心肌血流量包括目标血管的正常灌注区域的心肌血流量的均值、中位数中的至少一种。

18、根据本发明的另一具体实施方式，心肌缺血评估模块，用于根据目标血管灌注区域在狭窄情况下的心肌血流量mbfhyper-stenosis和目标血管灌注区域在模拟正常情况下的心肌血流量mbfhyper-normal获取mbfhyper-stenosis和mbfhyper-normal的比值作为病变状态下和健康状态下的血流量的比值ctp-ffr：

19、

20、其中，ctp-ffr的数值用于评估因冠状动脉血管狭窄引起的心肌缺血的比例，冠状动脉血管狭窄引起的心肌缺血的比例为(1—ctp-ffr)*100％。

21、根据本发明的另一具体实施方式，图像处理模块包括：图像分割模块，用于通过第一图像分割算法分割第一影像，获得冠状动脉血管树图像，通过第二图像分割算法分割第二影像，获得左心室心肌结构图像；图像配准模块，用于通过图像配准方法配准第一影像和第二影像，获得配准后的图像，配准后的图像为配准后的第一影像；图像映射模块，用于根据配准后图像、第二影像通过图像映射方法将左心室心肌结构图像的左心室心肌结构区域映射到冠状动脉血管树图像中的冠状动脉血管树的各个血管，获得映射图像。

22、根据本发明的另一具体实施方式，图像映射模块用于通过分叉原理映射将左心室心肌区域映射到冠状动脉血管树中的各个血管，获得映射图像，进一步地，图像映射模块用于通过分治法的原理将左心室的心肌区域映射到冠状动脉血管树中所有管腔直径≥1mm的冠状动脉血管。

23、第三方面，本发明提供了一种微循环障碍评估方法，包括：通过如前述第一方面中的任一实施方式的心肌缺血评估方法获取因冠状动脉血管狭窄引起的心肌缺血的比例ctp-ffr；根据评估心外膜血管狭窄的ct-ffr方法获取因心外膜血管狭窄引起的心肌缺血的比例ct-ffr；根据因冠状动脉血管狭窄引起的心肌缺血的比例ctp-ffr和因心外膜血管狭窄引起的心肌缺血的比例ct-ffr评估微循环障碍比例△ct-ffr：

24、△ct-ffr＝ct-ffr—ctp-ffr公式2。

25、采用上述技术方案，由于ct-ffr评估的是心外膜血管狭窄导致的缺血，ctp-ffr能够评估实际心肌灌注的缺血情况，因此，通过ct-ffr和ctp-ffr的数值差异指示微循环障碍导致的缺血程度，简便高效，且由于该微循环障碍评估方法采用无创方式，更加安全。

26、第四方面，本发明提供了一种微循环障碍评估系统，包括：心肌缺血评估模块，用于通过如前述第一方面中任一实施方式的心肌缺血评估方法获取因冠状动脉血管狭窄引起的心肌缺血的比例ctp-ffr；心肌缺血评估模块还用于根据评估心外膜血管狭窄的ct-ffr方法获取因心外膜血管狭窄引起的心肌缺血的比例ct-ffr；微循环障碍评估模块，用于根据心肌缺血评估模块获取的因冠状动脉血管狭窄引起的心肌缺血的比例ctp-ffr和因心外膜血管狭窄引起的心肌缺血的比例ct-ffr评估微循环障碍比例△ct-ffr：

27、△ct-ffr＝ct-ffr—ctp-ffr公式2。

28、采用上述技术方案，通过心肌缺血评估模块、微循环障碍评估模块的共同作用，获取ct-ffr和ctp-ffr，由于ct-ffr评估的是心外膜血管狭窄导致的缺血，ctp-ffr能够评估实际心肌灌注的缺血情况，因此，通过ct-ffr和ctp-ffr的数值差异指示微循环障碍导致的缺血程度，简便高效，且由于该微循环障碍评估系统采用无创方式，更加安全。

29、第五方面，本发明提供了一种微循环障碍阻力的计算方法，包括：通过目标对象的收缩压和舒张压获取冠脉系统的主动脉压力p0；获取冠脉系统的静脉压力p2，负荷状态下冠脉系统的静脉压力p2为5mmhg；获取第二影像，第二影像为负荷状态下的ct心肌灌注影像ctp；根据第二影像，通过如前述第一方面的任一实施方式中的心肌缺血评估方法获取目标血管灌注区域在狭窄情况下的心肌血流量mbfhyper-stenosis、获取目标血管灌注区域在模拟正常情况下的心肌血流量mbfhyper-normal；根据冠脉系统的主动脉压力p0、冠脉系统的静脉压力p2、目标血管灌注区域在模拟正常情况下的心肌血流量mbfhyper-normal获得正常状态下微循环对血流造成的阻力r；根据冠脉系统的主动脉压力p0、如前述第三方面的任一实施方式中的微循环障碍评估方法获得的因心外膜血管狭窄引起的心肌缺血的比例ct-ffr，获得心外膜血远端的压力p1；根据心外膜血管远端的压力p1、冠脉系统的静脉压力p2、目标血管灌注区域在狭窄情况下的心肌血流量mbfhyper-stenosis、正常状态下微循环对血流造成的阻力r、冠脉系统的主动脉压力p0获取微循环障碍对血流造成的阻力r2。

30、采用上述技术方案，考虑到了冠状动脉的微循环在正常状态下存在的阻力，仅计算微循环障碍引起的阻力。这意味着评估时不仅考虑了心外膜血管狭窄对血流的影响，还考虑了微循环本身固有的阻力。这种方法能够更准确地评估微循环障碍对心肌灌注的影响，从而提供更全面的心肌缺血评估。

31、根据本发明的另一具体实施方式，根据冠脉系统的主动脉压力p0、冠脉系统的静脉压力p2、目标血管灌注区域在模拟正常情况下的心肌血流量mbfhyper-normal获得正常状态下微循环对血流造成的阻力r，计算方式为：

32、

33、或者，根据冠脉系统的主动脉压力p0、如如前述第三方面的任一实施方式中的微循环障碍评估方法获得的因心外膜血管狭窄引起的心肌缺血的比例ct-ffr，获得心外膜血远端的压力p1，计算方式为：

34、p1＝p0*ct-ffr  公式4。

35、根据本发明的另一具体实施方式，根据心外膜血管远端的压力p1、冠脉系统的静脉压力p2、目标血管灌注区域在狭窄情况下的心肌血流量mbfhyper-stenosis、正常状态下微循环对血流造成的阻力r、冠脉系统的主动脉压力p0获取微循环障碍对血流造成的阻力r2，计算方式为：

36、

37、根据本发明的另一具体实施方式，通过目标对象的收缩压和舒张压取冠脉系统的主动脉压力p0，包括以下至少一种计算方式：主动脉压力p0＝舒张压+1/3(收缩压-舒张压)+5mmhg；主动脉压力p0＝舒张压+0.412(收缩压-舒张压)。

38、第六方面，本发明提供了一种微循环障碍阻力的计算系统，包括：数据获取模块，用于通过目标对象的收缩压和舒张压获取冠脉系统的主动脉压力p0；获取冠脉系统的静脉压力p2，负荷状态下冠脉系统的静脉压力p2为5mmhg；图像获取分析模块，用于获取第二影像，第二影像为负荷状态下的ct心肌灌注影像ctp；根据第二影像，通过如前述第一方面任一实施例中的心肌缺血评估方法获取目标血管灌注区域在狭窄情况下的心肌血流量mbfhyper-stenosis、获取目标血管灌注区域在模拟正常情况下的心肌血流量mbfhyper-normal；数据处理模块，用于根据冠脉系统的主动脉压力p0、冠脉系统的静脉压力p2、目标血管灌注区域在模拟正常情况下的心肌血流量mbfhyper-normal获得正常状态下微循环对血流造成的阻力r；用于根据冠脉系统的主动脉压力p0、如前述第二方面任一实施方式的微循环障碍评估方法获得的因心外膜血管狭窄引起的心肌缺血的比例ct-ffr，获得心外膜血远端的压力p1；用于根据心外膜血管远端的压力p1、冠脉系统的静脉压力p2、目标血管灌注区域在狭窄情况下的心肌血流量mbfhyper-stenosis、正常状态下微循环对血流造成的阻力r、冠脉系统的主动脉压力p0获取微循环障碍对血流造成的阻力r2。

39、采用上述技术方案，微循环障碍阻力的计算系统考虑到了冠状动脉的微循环在正常状态下存在的阻力，仅计算微循环障碍引起的阻力。这意味着评估时不仅考虑了心外膜血管狭窄对血流的影响，还考虑了微循环本身固有的阻力。该系统能够更准确地评估微循环障碍对心肌灌注的影响，从而提供更全面的心肌缺血评估。

40、根据本发明的另一具体实施方式，根据冠脉系统的主动脉压力p0、冠脉系统的静脉压力p2、目标血管灌注区域在模拟正常情况下的心肌血流量mbfhyper-normal获得正常状态下微循环对血流造成的阻力r，计算方式为：

41、

42、或者，根据冠脉系统的主动脉压力p0、如前述第三方面任一实施方式中的微循环障碍评估方法获得的因心外膜血管狭窄引起的心肌缺血的比例ct-ffr，获得心外膜血远端的压力p1，计算方式为：

43、p1＝p0*ct-ffr  公式4。

44、根据本发明的另一具体实施方式，根据心外膜血管远端的压力p1、冠脉系统的静脉压力p2、目标血管灌注区域在狭窄情况下的心肌血流量mbfhyper-stenosis、正常状态下微循环对血流造成的阻力r、冠脉系统的主动脉压力p0获取微循环障碍对血流造成的阻力r2，计算方式为：

45、

46、根据本发明的另一具体实施方式，通过目标对象的收缩压和舒张压取冠脉系统的主动脉压力p0，包括以下至少一种计算方式：主动脉压力p0＝舒张压+1/3(收缩压-舒张压)+5mmhg；主动脉压力p0＝舒张压+0.412(收缩压-舒张压)。

47、本发明的有益效果如下：

48、1.本发明提出一种仅基于影像学的心肌缺血无创评估方法，无需借助流体力学，即可实现对心外膜血管狭窄导致的缺血程度的量化。

49、本发明提供的心肌缺血评估方法通过对第一影像(即冠脉ct血管造影影像ccta)和第二影像(负荷状态下的ct心肌灌注影像ctp)的处理、利用第二影像ctp获取的心肌血流量mbf计算得到因冠状动脉血管狭窄引起的心肌缺血的比例ctp-ffr。也就是说，本发明提供的心肌缺血的评估方法直接基于对ctp的图像处理获得ctp-ffr，实现对心外膜血管狭窄导致的缺血程度的量化。

50、相较于通过ct图像计算ct-ffr而言，本发明提供了一种仅直接基于影像学的心肌缺血无创评估方法，也就是说，该心肌缺血评估方法直接基于对ctp的图像处理即可获得ctp-ffr，ctp-ffr即基于负荷状态下的ct心肌灌注影像ctp的血流储备分数，实现对心外膜血管狭窄导致的缺血程度的量化。本发明提供的心肌缺血评估方法无需借助流体力学，由于力学仿真是模拟计算，因此根据力学仿真获取的心肌缺血的评估是模拟结果。相较于根据力学仿真获取的心肌缺血的评估，本发明提供的基于图像处理的心肌缺血的量化方法所获得的结果更加精准、速度更快。本发明通过ctp-ffr评估实际心肌灌注的缺血情况，具有快速、准确的整体心肌缺血的定量评估的优点。

51、2.本发明提供的心肌缺血的评估系统通过图像获取模块、图像处理模块、图像标定模块、目标血管灌注区域的心肌血流量获得模块和心肌缺血评估模块相互配合，仅基于第一影像和第二影像对心肌缺血进行无创评估，该心肌缺血评估系统无需借助流体力学，即可实现对心外膜血管狭窄导致的缺血程度的量化，且本发明通过ctp-ffr评估实际心肌灌注的缺血情况，具有快速、准确、可靠的整体心肌缺血的定量评估的优点。

52、3.本发明提供了一种微循环障碍评估方法以及系统，通过因冠状动脉血管狭窄引起的心肌缺血的比例ctp-ffr和因心外膜血管狭窄引起的心肌缺血的比例ct-ffr评估微循环障碍比例△ct-ffr。由于ct-ffr评估的是心外膜血管狭窄导致的缺血，ctp-ffr能够评估实际心肌灌注的缺血情况，因此，通过ct-ffr和ctp-ffr的数值差异指示微循环障碍导致的缺血程度，简便高效，且由于该微循环障碍评估方法采用无创方式，更加安全。

53、4.本发明提出一种基于影像学的心肌缺血无创评估方法，实现微循环阻力的量化评估。本发明提供的微循环障碍阻力的计算方法和计算系统，考虑到了冠状动脉的微循环在正常状态下存在的阻力，仅计算微循环障碍引起的阻力。这意味着评估时不仅考虑了心外膜血管狭窄对血流的影响，还考虑了微循环本身固有的阻力。这种方法能够更准确地评估微循环障碍对心肌灌注的影响，从而提供更全面的心肌缺血评估。