單相流模型或是多相流模型。由于血液中血細(xì)胞（主要是紅 細(xì)胞）相對(duì)于計(jì)算域的幾何結(jié)構(gòu)來(lái)講十分微?。ǖ湫偷墓跔顒?dòng)脈直徑2_左右，紅細(xì)胞直 徑在6~9 μ m左右。血管內(nèi)的血細(xì)胞在正常情況下均勻懸浮在血液中，不發(fā)生凝集），因此 大多數(shù)情況中計(jì)算采用單相流模型。在特定情況下，如分析十分細(xì)小的血管，或者模擬有血 液結(jié)塊，或者模擬血栓、粥樣硬化斑塊脫落時(shí)，可以采用多相流模型。
[0081] 再次，還應(yīng)考慮使用層流或是湍流/過(guò)渡流模型。正常情況下在人體大多數(shù)血管 中，血液的流動(dòng)都是層流的，因此使用層流模型。劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，心輸出量增加4~5倍，心縮 期間有較長(zhǎng)的時(shí)期主動(dòng)脈血流速度超過(guò)臨界速度，出現(xiàn)湍流。因此在模擬有病變的血管，或 者模擬患者在運(yùn)動(dòng)、服用某些藥物的情況下，可以采用過(guò)渡流或湍流模型。可使用的湍流模 型包括k-ε模型，k-ω模型以及大渦模擬（LES)等模型，這些都是已經(jīng)被大量使用并且經(jīng) 過(guò)驗(yàn)證的、公開(kāi)的、相對(duì)準(zhǔn)確、有各自適用范圍的湍流模型。針對(duì)不同的血液流動(dòng)情況，本方 法和系統(tǒng)可以采用不同的湍流模型。
[0082] 最后還應(yīng)考慮血管壁的彈性。血管的形狀壁會(huì)隨著心臟博出量的周期性變化而變 化。在簡(jiǎn)化的計(jì)算中，血管壁可以認(rèn)為是剛性的；為了使計(jì)算更貼近真實(shí)情況，可以認(rèn)為血 管壁是有彈性的，此時(shí)，可以使用單向或雙向流固耦合解算方法進(jìn)行計(jì)算。具體而言，可以 將計(jì)算分為流體力學(xué)計(jì)算和固體力學(xué)計(jì)算。在一個(gè)分析步內(nèi)，經(jīng)流體力學(xué)計(jì)算后的血壓對(duì) 血管壁的壓力，再通過(guò)固體力學(xué)計(jì)算來(lái)根據(jù)壓力計(jì)算出血管壁的形變，然后反饋至了流體 力學(xué)計(jì)算中。
[0083] 所述CFD計(jì)算流程包括步驟：
[0084] 血管劃分為計(jì)算域和解析域，通過(guò)影像學(xué)能重建出的血管為計(jì)算域，其他區(qū)域作 為解析域；
[0085] 將解析域作為邊界條件加載到計(jì)算域上；
[0086] 對(duì)加載了邊界條件的計(jì)算域進(jìn)行流體力學(xué)計(jì)算，得到血管血流參數(shù)。
[0087] 作為一種優(yōu)選方案，本實(shí)施方式的步驟S20可以進(jìn)一步包括：將計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格 劃分；
[0088] 作為一種優(yōu)選方案，本實(shí)施方式的步驟S30可以進(jìn)一步包括：對(duì)每個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行流 體力學(xué)控制方程解算，得到血管血流參數(shù)。
[0089] 如圖4所示，為對(duì)血管三維模型的計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的示意圖。
[0090] 網(wǎng)格劃分可以理解成把一個(gè)復(fù)雜的實(shí)體模型分成若干簡(jiǎn)單的模型，而這些簡(jiǎn)單的 個(gè)體之間又相互聯(lián)系，相互約束，構(gòu)成整個(gè)結(jié)構(gòu)。每個(gè)網(wǎng)格都要解算流體控制方程，通過(guò)求 解這些簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，就能得到整體的變化趨勢(shì)，網(wǎng)格越細(xì)致整齊，計(jì)算結(jié)果就越精確，網(wǎng)格 粗糙，扭曲變形越大，計(jì)算結(jié)果就會(huì)有較大誤差。
[0091] 網(wǎng)格可以是結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，可以是二維網(wǎng)格，也可以是三維網(wǎng)格。主要是 由節(jié)點(diǎn)、線、面、以及體單元構(gòu)成，體單元主要有四面體、六面體、金字塔形、三棱柱等結(jié)構(gòu)。 在心血管網(wǎng)格中，典型的節(jié)點(diǎn)數(shù)目從幾千到幾百萬(wàn)個(gè)不等，節(jié)點(diǎn)數(shù)量大小的決定因素是模 型大小和網(wǎng)格劃分粗細(xì)、方法。
[0092] 在本實(shí)施方式中，所述CFD前處理系統(tǒng)包括：模型邊界命名模塊，用于對(duì)所述三維 冠狀動(dòng)脈血管模型進(jìn)行邊界命名；模型邊界條件參數(shù)計(jì)算模塊，用于對(duì)所述三維冠狀動(dòng)脈 血管模型進(jìn)行邊界條件參數(shù)計(jì)算；加載模塊，用于對(duì)所述三維冠狀動(dòng)脈血管模型進(jìn)行邊界 條件加載；模型網(wǎng)格劃分模塊，用于將邊界條件加載好的三維冠狀動(dòng)脈血管模型進(jìn)行網(wǎng)格 劃分；
[0093] 所述CFD計(jì)算系統(tǒng)在進(jìn)行三維流動(dòng)控制方程時(shí)，具體用于基于CFD前處理系統(tǒng)處 理后的所述三維冠狀動(dòng)脈血管模型，對(duì)所述三維冠狀動(dòng)脈血管模型網(wǎng)格剖分后的每個(gè)網(wǎng)格 分別建立并解算血液在相應(yīng)網(wǎng)格內(nèi)的三維流動(dòng)控制方程。
[0094] 計(jì)算結(jié)果經(jīng)后處理系統(tǒng)，以人能夠理解的方式顯示出來(lái)。例如將FFR、壓力以云圖 分布的形式顯示出來(lái)。結(jié)果后處理模塊工作流程為：讀取節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)據(jù)并將其重建成血 管三維模型；讀取節(jié)點(diǎn)和單元對(duì)應(yīng)位置感興趣的值的標(biāo)量和矢量；以云圖等方式渲染計(jì)算 結(jié)果，渲染可以使用顏色、灰度等來(lái)表示矢量或標(biāo)量，可以使用箭頭等來(lái)表示標(biāo)量。如圖12 為結(jié)果可視化技術(shù)基本流程圖。
[0095] 所述系統(tǒng)還包括：報(bào)告生成模塊，所述報(bào)告生成模塊用于將后處理單元中的三維 模型以灰度或者彩色云圖、動(dòng)畫(huà)、矢量箭頭的形式輸出
[0096] 報(bào)告的形式例如，但不局限于，以文字、數(shù)據(jù)表格或者圖片的形式顯示患者心血管 血流狀況（血液流速、壓力分布，血管壁應(yīng)力等），顯示計(jì)算出的FFR值等等。此系統(tǒng)和軟件 還能夠生成但不局限于：患者心血管功能評(píng)估，介入手術(shù)或者架橋手術(shù)提供術(shù)前建議和指 導(dǎo)，粥樣硬化斑塊危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，懷疑有冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性狹窄患者的診斷信息，預(yù)測(cè)不同 身體條件時(shí)冠狀動(dòng)脈供血和心肌灌注信息，以及指導(dǎo)性療養(yǎng)方案等等。其他信息則包含患 者的名字、年齡、血壓、心律等。最終報(bào)告結(jié)果通過(guò)臨時(shí)、永久性存儲(chǔ)介質(zhì)或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?醫(yī)院或醫(yī)生手中。
[0097] 采用本發(fā)明的對(duì)血管血流進(jìn)行模擬的方法和裝置，可以以非侵入式的方式獲得血 流的各項(xiàng)參數(shù)。避免了冠狀動(dòng)脈造影、血管內(nèi)超聲（IVUS)等侵入式技術(shù)判斷心肌供血情 況帶來(lái)的缺陷，尤其對(duì)病變處于臨界狀態(tài)時(shí)的臨床案例有較好的參考價(jià)值。和現(xiàn)有技術(shù)相 t匕，本發(fā)明針對(duì)患者特異性高，邊界條件參數(shù)易確定，實(shí)施難度小，能夠同時(shí)評(píng)估冠狀動(dòng)脈 功能、心肌血流灌注、冠狀動(dòng)脈血液流動(dòng)狀態(tài)等；能夠?yàn)榛颊哳A(yù)測(cè)不同身體條件時(shí)冠狀動(dòng)脈 供血和心肌灌注信息。
[0098] 此外，本發(fā)明的對(duì)血管血流進(jìn)行模擬的方法和裝置不僅能夠用在冠狀動(dòng)脈血流分 析中，還能用在人體其他部位血管的血流分析中，例如主動(dòng)脈、頸總動(dòng)脈、髂總動(dòng)脈、股主動(dòng) 脈以及人體靜脈等。計(jì)算出的血壓、血流信息能夠?qū)?dòng)脈瘤和一些血管疾病進(jìn)行分析。
[0099] 通過(guò)計(jì)算患者冠狀動(dòng)脈血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)、血壓、血液流速、血管壁應(yīng)力、粥樣硬化斑 塊應(yīng)力等，可以評(píng)估粥樣硬化斑塊的脫落可能性和危險(xiǎn)性。
[0100] 本發(fā)明的對(duì)血管血流進(jìn)行模擬的方法和裝置中，使用的模型和參數(shù)都可以根據(jù)患 者不同的身體條件（如休息、運(yùn)動(dòng)等）等調(diào)節(jié)；也可以自動(dòng)或手動(dòng)地修改，來(lái)模擬諸如血管 變窄、介入放置支架手術(shù)以及架橋手術(shù)等等情況。通過(guò)計(jì)算冠狀動(dòng)脈FFR，能更準(zhǔn)確了解心 肌血流供應(yīng)情況，對(duì)判斷臨界病變是否需要干預(yù)提供可靠的依據(jù)。
[0101] 上面對(duì)本發(fā)明的一些實(shí)施方式進(jìn)行了詳細(xì)的描述。如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所能 理解的，本發(fā)明的方法和裝置的全部或者任何步驟或者部件，可以在任何計(jì)算設(shè)備（包括 處理器、存儲(chǔ)介質(zhì)等）或者計(jì)算設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)中，以硬件、固件、軟件或者它們的組合加以實(shí) 現(xiàn)，這是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在了解本發(fā)明的內(nèi)容的情況下運(yùn)用他們的基本編程技能就能 實(shí)現(xiàn)的，因此不需在此具體說(shuō)明。
[0102] 此外，顯而易見(jiàn)的是，在上面的說(shuō)明中涉及到可能的外部操作的時(shí)候，無(wú)疑要使用 與任何計(jì)算設(shè)備相連的任何顯示設(shè)備和任何輸入設(shè)備、相應(yīng)的接口和控制程序。總而言之， 計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或者計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)硬件、軟件和實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的前述方法中的各 種操作的硬件、固件、軟件或者它們的組合，即構(gòu)成本發(fā)明的設(shè)備及其各組成部件。
[0103] 因此，基于上述理解，本發(fā)明的目的還可以通過(guò)在任何信息處理設(shè)備上運(yùn)行一個(gè) 程序或者一組程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。所述信息處理設(shè)備可以是公知的通用設(shè)備。因此，本發(fā)明的目 的也可以?xún)H僅通過(guò)提供包含實(shí)現(xiàn)所述方法或者設(shè)備的程序代碼的程序產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)。也就是 說(shuō)，這樣的程序產(chǎn)品也構(gòu)成本發(fā)明，并且存儲(chǔ)或者傳輸這樣的程序產(chǎn)品的介質(zhì)也構(gòu)成本發(fā) 明。顯然，所述存儲(chǔ)或者傳輸介質(zhì)可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，或者將來(lái)所開(kāi)發(fā)出來(lái)的任 何類(lèi)型的存儲(chǔ)或者傳輸介質(zhì)，因此也沒(méi)有必要在此對(duì)各種存儲(chǔ)或者傳輸介質(zhì)一一列舉。
[0104] 實(shí)施例二：
[0105] 如圖2所示，本發(fā)明還提供了一種基于計(jì)算流體力學(xué)的冠狀動(dòng)脈血流仿真方法， 包括步驟：
[0106] 獲取人體心血管的計(jì)算機(jī)斷層掃描圖像序列；
[0107] 根據(jù)所述人體心血管的計(jì)算機(jī)斷層掃描圖像序列提取出冠狀動(dòng)脈血管的計(jì)算機(jī) 斷層掃描數(shù)據(jù)，對(duì)提取出的圖像序列進(jìn)行三維重建得到三維冠狀動(dòng)脈血管模型；
[0108] 對(duì)所述三維冠狀動(dòng)脈血管模型進(jìn)行流體力學(xué)計(jì)算所需的前處理，包括劃分網(wǎng)格、 加載計(jì)算設(shè)置以及邊界條件參數(shù)；
[0109] 解算血液在冠狀動(dòng)脈血管內(nèi)的三維流動(dòng)控制方程，輸出計(jì)算結(jié)果，所述計(jì)算結(jié)果 包括壓力、血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)、血液流速中的一種或多種；
[0110] 將所述計(jì)算結(jié)果附加到所述三維冠狀動(dòng)脈血管模型的對(duì)應(yīng)位置，進(jìn)行壓力、速度、 血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)的彩色云圖顯示。
[0111] 本實(shí)施例的目的是提供一個(gè)具體的關(guān)于本發(fā)明所述系統(tǒng)和方法實(shí)施例，包括從患 者CT數(shù)據(jù)，到三維幾何血管模型；然后確定邊界條件并劃分網(wǎng)格；進(jìn)行CFD計(jì)算，以及如何 提取出計(jì)算結(jié)果。
[0112] 圖5為獲取的某患者原始CT圖像，包含有主動(dòng)脈、肺動(dòng)脈以及冠狀動(dòng)脈，還有骨骼 和心肌、心室等信息?；疑叹€指示處存在一狹窄約15%，然而僅僅從解剖學(xué)圖像上并不能 判定心肌供血情況。另外圖像中也顯示有鈣化的粥樣硬化斑塊，斑塊的存在阻塞了血流，影 響了心肌正常血流供給。
[0113] 三維模型步驟如圖6所示，步驟200 :獲得心臟的二維斷層掃描圖像；圖像獲取系 統(tǒng)首先讀取原DICOM圖像，復(fù)制圖像并備份原始圖像，原始圖像用于校準(zhǔn)重建后的三維模 型，圖像接下來(lái)被傳輸?shù)窖苋S模型重建系統(tǒng)中；
[0114] 步驟201 :采用連續(xù)性三維建模對(duì)所述心臟的二維斷層掃描圖像進(jìn)行心臟三維重 建，得到三維心臟模型；步驟202 :判斷所述三維心臟模型中是否包括三維冠狀動(dòng)脈，若不 是轉(zhuǎn)步驟203,若是，轉(zhuǎn)步驟204 ;步驟203 :當(dāng)所述三維心臟模型中不包括三維冠狀動(dòng)脈時(shí)， 重新獲得心臟的二維斷層掃描圖像，回到步驟200 ;血管三維模型重建系統(tǒng)將復(fù)制圖像進(jìn) 行預(yù)處理，使用閾值進(jìn)行等值化處理，得到含有不同閾值區(qū)域的圖像，然后根據(jù)連通性將圖 像的像素塊進(jìn)行標(biāo)注。
[0115] 步驟204:當(dāng)三維心臟模型中包括三維冠狀動(dòng)脈時(shí)，從心臟的二維斷層掃描圖像 中提取冠狀動(dòng)脈血管的二維斷層掃描圖像；步驟20