用于根據(jù)血管幾何形狀和生理學(xué)估計(jì)血流特性的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于根據(jù)血管幾何形狀和生理學(xué)估計(jì)血流特性的系統(tǒng)和方 法
[0001] 相關(guān)申請
[0002] 本申請要求2013年5月16日提交的美國專利申請?zhí)?3/895,893的優(yōu)先權(quán)，所述 美國專利申請依據(jù)35 § USC 119要求2012年9月12日提交的美國臨時(shí)申請?zhí)?1/700, 213 的優(yōu)先權(quán)利益，所述申請的全部公開內(nèi)容由此以引用的方式整體并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本公開的各個(gè)實(shí)施方案總體上涉及醫(yī)學(xué)成像和相關(guān)方法。更具體來說，本公開的 特定實(shí)施方案涉及用于根據(jù)血管幾何形狀和生理學(xué)估計(jì)患者特定的血流特性的系統(tǒng)和方 法。
【背景技術(shù)】
[0004] 動(dòng)脈能力的功能評估對于用以解決患者需求的治療計(jì)劃是重要的。近期的研宄已 經(jīng)證明如血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)（FFR)的血液動(dòng)力學(xué)特性是用以確定用于動(dòng)脈疾病患者的最佳治 療的重要指標(biāo)。這些血液動(dòng)力學(xué)特性的傳統(tǒng)評估使用侵入性導(dǎo)管插入術(shù)來直接測量如壓力 和流動(dòng)速度的血流特性。然而，盡管收集到重要臨床信息，但是這些侵入性測量技術(shù)為患者 帶來嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)并且為醫(yī)療保健系統(tǒng)帶來大量成本。
[0005] 為了解決與侵入性測量相關(guān)聯(lián)的風(fēng)險(xiǎn)和開支，已經(jīng)開發(fā)出新一代非侵入性測試來 評估血流特性。這些非侵入性測試使用患者成像（如計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT))來確定患者 特定的血管幾何模型，并且這個(gè)模型在計(jì)算上用以使用具有適當(dāng)生理學(xué)邊界條件和參數(shù)的 計(jì)算流體力學(xué)（CFD)來模擬血流。對這些患者特定的邊界條件的輸入的實(shí)例包括患者的血 壓、血液粘度和對來自所供應(yīng)組織的血液的預(yù)期需求（來源于標(biāo)度律以及根據(jù)患者成像對 所供應(yīng)組織的質(zhì)量估計(jì)）。雖然血流特性的這些基于模擬的估計(jì)已經(jīng)證明保真度水平堪比 對相同感興趣的量的直接（侵入性）測量，但是物理模擬要求大量的計(jì)算負(fù)擔(dān)，所述計(jì)算負(fù) 擔(dān)可能使這些虛擬的非侵入性測試難以在實(shí)時(shí)臨床環(huán)境中執(zhí)行。因此，本公開描述計(jì)算上 廉價(jià)的用于進(jìn)行血流特性的快速非侵入性估計(jì)的新方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明公開用于得出患者特定的患者血管幾何模型，和將這個(gè)幾何形狀與患者特 定的生理學(xué)信息和邊界條件組合的系統(tǒng)和方法。組合的這些數(shù)據(jù)可用于估計(jì)患者的血流特 性并且在臨床上預(yù)測有關(guān)感興趣的量（例如，F(xiàn)FR)。目前所公開系統(tǒng)和方法提供超越血流 的基于物理的模擬的優(yōu)點(diǎn)，以計(jì)算感興趣的量，如通過替代地使用機(jī)器學(xué)習(xí)來預(yù)測基于物 理的模擬的結(jié)果。在一個(gè)實(shí)施方案中，所公開的系統(tǒng)和方法涉及兩個(gè)階段：第一，訓(xùn)練階段， 其中訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)以預(yù)測一個(gè)或多個(gè)血流特性；以及第二，產(chǎn)生階段，其中使用機(jī)器學(xué) 習(xí)系統(tǒng)來產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)血流特性和臨床上相關(guān)的感興趣的量。在預(yù)測多個(gè)血流特性的情 況下，這個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)可應(yīng)用于每個(gè)血流特性和感興趣的量。
[0007] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，公開一種用于估計(jì)患者特定的血流特性的方法。所述方法包 括：針對多個(gè)個(gè)體中的每一個(gè)獲取所述個(gè)體的血管系統(tǒng)的至少一部分的幾何模型和估計(jì)血 流特性；在用于所述多個(gè)個(gè)體中的每一個(gè)的所述幾何模型和估計(jì)血流特性上執(zhí)行機(jī)器學(xué)習(xí) 算法；使用所述機(jī)器學(xué)習(xí)算法來識別預(yù)測對應(yīng)于所述幾何模型中的多個(gè)點(diǎn)的血流特性的特 征；針對患者獲取所述患者的血管系統(tǒng)的至少一部分的幾何模型；以及使用所述識別的特 征來針對所述患者的幾何模型中的多個(gè)點(diǎn)中的每一個(gè)產(chǎn)生所述患者的血流特性的估計(jì)。
[0008] 根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案，公開一種用于估計(jì)患者特定的血流特性的系統(tǒng)。所述系統(tǒng) 包括：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，其存儲(chǔ)用于估計(jì)患者特定的血流特性的指令；以及處理器，其被配置 來執(zhí)行指令以進(jìn)行包括以下步驟的方法：針對多個(gè)個(gè)體中的每一個(gè)獲取所述個(gè)體的血管系 統(tǒng)的至少一部分的幾何模型和估計(jì)血流特性；在用于所述多個(gè)個(gè)體中的每一個(gè)的所述幾何 模型和估計(jì)血流特性上執(zhí)行機(jī)器學(xué)習(xí)算法；使用所述機(jī)器學(xué)習(xí)算法來識別預(yù)測對應(yīng)于所述 幾何模型中的多個(gè)點(diǎn)的血流特性的特征；針對患者獲取所述患者的血管系統(tǒng)的至少一部分 的幾何模型；以及使用所述識別的特征來針對所述患者的幾何模型中的多個(gè)點(diǎn)中的每一個(gè) 產(chǎn)生所述患者的血流特性的估計(jì)。
[0009] 所公開實(shí)施方案的其它目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)部分將在以下描述中予以闡述，并且部分將根 據(jù)描述顯而易見，或者可以通過實(shí)踐所公開實(shí)施方案來習(xí)得。所公開實(shí)施方案的目標(biāo)和優(yōu) 點(diǎn)將借助于所附權(quán)利要求中特別指出的要素和組合來實(shí)現(xiàn)和獲得。
[0010] 應(yīng)理解的是，上文一般性描述與下文詳述兩者均僅為示例性和說明性的，并且不 限制如所要求的所公開實(shí)施方案。
【附圖說明】
[0011] 并入本說明書中并且構(gòu)成本說明書的一部分的附圖示出各個(gè)示例性實(shí)施方案并 且連同描述一起用于解釋所公開實(shí)施方案的原理。
[0012] 圖1為根據(jù)本公開的示例性實(shí)施方案的用于根據(jù)血管幾何形狀和生理學(xué)信息估 計(jì)患者特定的血流特性的示例性系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的方框圖。
[0013] 圖2為根據(jù)本公開的示例性實(shí)施方案的用于根據(jù)血管幾何形狀和生理學(xué)信息估 計(jì)患者特定的血流特性的示例性方法的方框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 現(xiàn)在將詳細(xì)參考本公開的示例性實(shí)施方案，所述示例性實(shí)施方案的實(shí)例在附圖中 示出。只要可能，在全部附圖中將使用相同參考數(shù)字來指代相同或相似部分。
[0015] 本公開描述用于提供超越血流的基于物理的模擬的優(yōu)點(diǎn)的某些原理和實(shí)施方案， 以計(jì)算患者特定的血流特性和臨床上相關(guān)的感興趣的量。即，目前所公開系統(tǒng)和方法可并 入機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來預(yù)測基于物理的模擬的結(jié)果。例如，本公開描述示例性處理不太密集的 技術(shù)，所述技術(shù)涉及將血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)（FFR)建模為患者的血管橫截面積、病變長度和邊界 條件的函數(shù)。橫截面積可尤其基于內(nèi)腔節(jié)段和血小板節(jié)段進(jìn)行計(jì)算。病變長度可尤其基于 血小板節(jié)段和狹窄位置進(jìn)行計(jì)算。邊界條件可反映患者特定的生理學(xué)，如冠狀流（根據(jù)心 肌質(zhì)量估計(jì)）、出口面積和充血假設(shè)，以反映不同患者具有不同幾何形狀和生理學(xué)響應(yīng)。
[0016] 在一個(gè)實(shí)施方案中，可將血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)建模為患者的邊界條件的函數(shù)（f (BC)) 以及患者的血管幾何形狀的函數(shù)（gbreaReductions))。雖然患者的幾何形狀可描述為 "areaReductions"的函數(shù)，但是應(yīng)了解的是，這個(gè)術(shù)語不僅指代患者的血管橫截面積的變 化，而且還指代影響患者的血流的任何物理或幾何特性。在一個(gè)實(shí)施方案中，可通過最佳化 函數(shù)"廣和" 8"，以使得估計(jì)叩1?(叩1^>1_^)與測量叩 1?(111叩1〇之間的差異最小化來預(yù) 測FFR。換句話說，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)可用于解決使估計(jì)FFR近側(cè)測量FFR的函數(shù)。在一個(gè)實(shí)施 方案中，可通過傳統(tǒng)導(dǎo)管插入方法或通過現(xiàn)代計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD)技術(shù)來計(jì)算測量FFR。 在一個(gè)實(shí)施方案中，一個(gè)或多個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)算法可用來最佳化數(shù)百名或甚至數(shù)千名患者的邊 界條件和患者幾何形狀的函數(shù)，以使得FFR的估計(jì)可以可靠地近似測量FFR值。因此，通過 CFD技術(shù)計(jì)算的FFR值對于訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法可為有價(jià)值的。
[0017] 現(xiàn)在參考附圖，圖1描繪用于根據(jù)血管幾何形狀和生理學(xué)信息估計(jì)患者特定的血 流特性的示例性系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的方框圖。具體來說，圖1描繪多個(gè)醫(yī)師102和第三方提供者 104,他們中的任一個(gè)可通過一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)、服務(wù)器和/或手持式移動(dòng)裝置連接至如英 特網(wǎng)的電子網(wǎng)絡(luò)100。醫(yī)師102和/或第三方提供者104可創(chuàng)建或以其它方法獲得一個(gè)或 多個(gè)患者的心臟和/或血管系統(tǒng)的影像。醫(yī)師102和/或第三方提供者104也可以獲得如 年齡、病史、血壓、血液粘度等的患者特定的信息的任何組合。醫(yī)師102和/或第三方提供者 104可通過電子網(wǎng)絡(luò)100傳輸心臟/血管影像和/或患者特定的信息至服務(wù)器系統(tǒng)106。服 務(wù)器系統(tǒng)106可包括用于存儲(chǔ)從醫(yī)師102和/或第三方提供者104接收的影像和數(shù)據(jù)的存 儲(chǔ)裝置。服務(wù)器系統(tǒng)106還可包括用于處理存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置中的影像和數(shù)據(jù)的處理裝置。
[0018] 圖2為根據(jù)本公開的示例性實(shí)施方案的用于根據(jù)血管幾何形狀和生理學(xué)信息估 計(jì)患者特定的血流特性的示例性方法的方框圖。圖2的方法可由服務(wù)器系統(tǒng)106基于通過 電子網(wǎng)絡(luò)100從醫(yī)師102和/或第三方提供者104接收的