血管单位时间血流量与血流速度的计算方法

摘要

本发明公开了一种血管单位时间血流量与血流速度的计算方法，包括：选定感兴趣区域并计算与拟合出在一段影像序列中该感兴趣区域灰度随时间变化的拟合曲线，计算灰度拟合曲线下降(或者上升)最快的时间点，在以该时间点为中心的预定时间区间内对灰度变化拟合曲线进行积分得到面积值；获取该面积值对应的单位时间血流量，结合血管管腔面积，可进一步获得血流速度。本发明的创新之处在于，以灰度拟合曲线下降(或者上升)最快位置为中心，计算整一个心动周期时间内的血流量，从而更准确地计算出单位时间血流量与血流速度，有效地避免了不恰当时间区间进行计算所导致的误差。

说明书

技术领域

本发明涉及应用于医疗领域，尤其涉及应用在基于影像的单位时间血流量与血 流速度的准确、快速、无创计算。

背景技术

斑块引起的血管狭窄影响到心肌血流供应，对人的健康造成威胁。通过冠脉造 影，可以显示冠脉狭窄的严重程度，但是不能反映狭窄的功能性意义。血流储备分数 (FFR)被评价为诊断冠脉功能学的金标准，其定义为病变冠脉能为心肌提供的最大 血流量与该冠脉完全正常时最大供血流量之比，可以通过在冠脉最大充血状态下， 狭窄病变远端的压力与狭窄近端压力的比值计算得出。

通过压力传感器对血管进行有创侵入性压力测量不仅工作量大，而且存在着损 伤血管的风险。通过三维或者二维定量冠脉造影可以获得冠脉系统的几何模型从而 进行计算机流体力学分析，然而当前速度获得方法是通过半自动(人工+计算机)方 法获得，重建过程需要精确勾勒出血管边界，历时较久且操作者要具备丰富经验，同 时需要人工确定造影剂进入冠状动脉的起始位置(起始帧)以及充盈到目标远端的 结束位置(结束帧)，另外，造影剂在微循环充分扩张时的充盈过程较短，通过感兴 趣的血管段通常仅占用了一个心跳周期的某个时间段，这样会导致在心跳周期的不 同时段所确定的血流速度的差异性非常大。除此之外，通常情况下只对一根狭窄血 管做重建，忽略了边支对血流速度的影响，导致该方法最终计算出的血流速度与实 际值之间的误差较大，影响了后续的血流储备分数(FFR)求解结果的准确性。

现有技术中，比较典型的计算血流速度的方法有如下几类：

首次分布分析方法：参见对比文件1(WongJT，DucoteJL，TongX，Hassanein MT，SabeeM.AutomatedTechniqueforAngiographicDeterminationof CoronaryBloodFlowandLumenVolume1[J].《AcademicRadiology》，2006， 13(2)：186-194)，Wong等人提出了首次分布分析的方法计算血流速度。该方法首先 通过碘造影剂校正平台，对半径、长度已知的圆管填充满密度已知的碘造影剂后进 行X射线造影，从圆管的造影结果中拟合出整合灰度值随碘质量变化的线性曲线。 利用冠脉造影，提取冠脉感兴趣区域的整合灰度值随时间变化曲线，根据拟合的灰 度值-碘质量线性曲线，得到感兴趣区域内碘造影剂质量随时间变化曲线，在已知碘 造影剂密度的条件下，可以得到感兴趣区域血管内液体体积随时间变化曲线，从体 积时间变化曲线中求得血流量和血流速度。该技术的缺陷在于所述的感兴趣区域不 会随着造影序列目标血管位置移动而相应移位；且对于平均血流速度计算的时间段 选取没有规定，可能是非整数个心动周期。导致该技术方案所求得的血流量和血流 速度的精确度较低、数据的稳定性较差。

TIMI记帧法：参见对比文件2(TuS，BarbatoE，KoszegiZetal.Fractional flowreservecalculationfrom3-dimensionalquantitativecoronary angiographyandTIMIframecount：afastcomputermodeltoquantifythe functionalsignificanceofmoderatelyobstructedcoronaryafteries[J]. JACCCardiovascularinterventions，2014，(7)：768-777)，该文件2公开了如 下方案：播放冠脉造影图像，观察造影剂进入靶血管近端解剖标志点到远端解剖标 志点所经历的帧数，根据造影图像的帧频，得到造影剂从近端标志点到远端标志点 传输时间。再利用冠脉造影三维重建得到标志点之间的距离，得到造影剂的传输时 间，用距离除以传输时间近似为血流速度。

数字跟踪法：参见对比文件3(陈兴新，骆秉锉，杨瑞华，陈莉莉.冠脉造影 数字跟踪技术测量冠脉血流速度的临床研究[J].生物医学工程杂志，2007，24(2)： 294-298)，该文件3公开如下技术方案：电影环放冠脉造影序列图像，选择靶血管， 采用数字跟踪技术测定前后两帧或N帧(标志点)图像移动(径线或曲线)的距离和经 过的时间，自动计算血流速度。

Doppler导丝法：参见对比文件1，该文件1还公开了：将Doppler导丝插入到 冠脉血管中，利用超声波振源与相对运动的血液间就产生的多普勒效应测量血流速 度。

温度稀释法：将压力导丝插入到冠脉血管中，向冠脉中注射室温的生理盐水，其 随血液的流动而被稀释，并吸收血液的热量而升高温度。这个温度稀释过程由导管 前段的热敏电阻检测，经检测仪记录可得到温度时间稀释曲线。根据热稀释理论，血 流速度与指示剂的平均转运时间成反比，根据温度时间稀释曲线可计算血流速度。

上述专利文献尽管从不同角度、不同计算方法中给出了计算单位时间血流量或 血流速度的方法，但其仍具有至少以下一种或多个技术缺陷：

(1)血流速度的测量准确度受到血管长度的估计、冠脉造影的短缩重叠现象而 限制。

(2)需要人工确定造影剂进入冠状动脉的起始位置(起始帧)以及充盈到目标 远端的结束位置(结束帧)，计算准确度受人为因素影响。

(3)血流速度的计算要在造影剂离开感兴趣血管段之前测得，造影剂的充盈速 度快，通过感兴趣血管段的时间仅占用了一个心跳周期的某个时间段(通常少于一 个心动周期)，这样会导致在心跳周期的不同时段所确定的血流速度通常是非整数心 动周期的血流速度均值，与实际平均血流速度存在较大的偏差。

(4)选择大的感兴趣区域，如整个冠状动脉及其下游所灌注的心肌的微血管， 进行计算，无法确保造影剂充盈感兴趣区域的过程所对应的图像灰度变化曲线下降 或上升时间段为整数个心动周期，这样会导致计算得到的单位时间血流量或血流速 度均值与实际单位时间血流量或平均血流速度存在较大的偏差。

(5)直接测量血流速度具有有创性，而且Doppler血流导丝仪器昂贵，病人难 以承受，限制了该方法的临床推广应用。

(6)造影感兴趣区域不会随着造影序列中目标血管位置移动而相应移位，导致 感兴趣区域内的灰度值变化不仅仅由于造影剂在目标血管中传输导致，还可能由于 目标血管移出和边支血管移入导致，从而导致计算的单位时间血流量或血流速度不 准确。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新的血管单位时间血流量与血流速度计 算方法，具体方案包括：

一种血管单位时间血流量的计算方法，该方法包括：确定血管的感兴趣区域；计 算并拟合出所述感兴趣区域内的灰度拟合曲线；确定一预定时间区间内的最大灰度 值曲线或最小灰度值曲线；计算预定时间区间内最大灰度值曲线或最小灰度值曲线 与灰度拟合曲线所包围的区域面积值；基于该区域面积值，获取该面积值所对应的 单位时间血流量。

一种血管血流速度的计算方法，该方法包括：确定血管的感兴趣区域；计算并拟 合出所述感兴趣区域内的灰度拟合曲线；确定一预定时间区间内的最大灰度值曲线 或最小灰度值曲线；计算预定时间区间内最大灰度值曲线或最小灰度值曲线与灰度 拟合曲线所包围的区域面积值；基于该区域面积值，获取该面积值所对应的单位时 间血流量；基于所述单位时间血流量以及血管管腔面积，获得所述血管的血流速度。

优选的，所述感兴趣区域包括注入造影剂的主支血管及其分支。

优选的，通过目标图像跟踪检测感兴趣区域在不同心跳时刻下的位置的变化， 从而获得最佳的感兴趣区域。

优选的，所述方法进一步包括：接受血管的X射线造影影像序列，选择感兴趣 区域；选择起始时间为造影剂充盈之前，提取每帧造影中感兴趣区域内灰度直方图， 通过所述灰度直方图计算出每帧下感兴趣区域内的灰度值，并根据灰度值拟合出灰 度随时间变化的灰度拟合曲线。

优选的，所述方法进一步包括：确定第一时间点，以及以第一时间点为中心的一 预定时间区间内灰度拟合曲线的最大值和最小值；

优选的，所述最大灰度值曲线是以预定时间区间内灰度拟合曲线的最大值为纵 坐标所做的曲线；所述最小灰度值曲线是以预定时间区间内灰度拟合曲线的最小值 为纵坐标所做的曲线。

优选的，当所述灰度拟合曲线变化趋势为下降时，所述第一时间点为灰度拟合 曲线中灰度值下降最快的时间点；当所述灰度拟合曲线变化趋势为上升时，所述第 一时间点为灰度拟合曲线中灰度值上升最快的时间点。

优选的，当灰度拟合曲线变化趋势为下降时，计算灰度拟合曲线上每点的斜率， 获取斜率为负值，且斜率绝对值最大的点，所述点即为灰度值下降最快的时间点；当 灰度拟合曲线变化趋势为上升时，计算灰度拟合曲线上每点的斜率，获取斜率为正 值，所述斜率的值最大的点即为灰度值上升最快的时间点。

优选的，所述区域面积值的计算过程进一步包括：当灰度拟合曲线变化趋势为 下降时，获取所述灰度拟合曲线中的第一时间点，在所述以第一时间点为中心的预 定时间区间内对灰度拟合曲线进行积分，计算该预定时间区间内最大灰度值曲线与 所述灰度拟合曲线所包围的区域面积值；当灰度拟合曲线变化趋势为上升时，获取 所述灰度拟合曲线中的第一时间点，在所述以第一时间点为中心的预定时间区间内 对灰度拟合曲线进行积分，计算该预定时间区间内最小灰度值曲线与所述灰度拟合 曲线所包围的区域面积值。

优选的，所述预定时间区间为整数个心动周期，所述整数大于等于1。

优选的，所述预定时间区间为一个心动周期，包括第一时间点前后的各二分之 一心动周期；其中，所述第一时间点前后二分之一心动周期时间区间为造影剂开始 充盈血管感兴趣区域后，在没有完全充盈感兴趣区域前的这一时间段。

优选的，通过查对应表，可获得该区域面积值所对应的单位时间血流量，所述对 应表为不同面积值与单位时间不同血流量之间的对应表格。

优选的，所述血管管腔面积可由三维定量测量方法获得。

优选的，所述灰度拟合曲线的拟合公式为：

g(t)＝a₀+a₁t+a₂t²+…+a_ntⁿ.其中a₀，a₁，a₂，…a_n为拟合系数，t为 时间。

优选的，根据心电图确定心动周期，或根据拟合前的原始灰度变化曲线计算得 到的灰度值峰峰值之间的帧数m，计算心动周期T＝m/f，其中f代表造影的帧频率。

优选的，所述原始灰度变化曲线是由每帧造影影像中感兴趣区域内灰度直方图 计算得到的灰度值所作的原始数据曲线。

优选的，通过接受心脏冠脉造影，获得血管感兴趣区域后，所获得的血流速度可 用于评价血管狭窄对血流速度的影响，或者后续计算狭窄血管血流储备分数FFR值。

优选的，通过接受肾动脉造影影像，获得血管感兴趣区域后，所获得单位时间血 流量或血流速度在肾动脉交感神经消融方面用于评估肾动脉交感神经消融前后的变 化，或者用于实时评估消融时单位时间血流量和血流速度的变化。

优选的，通过接受基于有肿瘤区域的血管造影，获得血管感兴趣区域后，所获得 的单位时间血流量或血流速度可用于评估肿瘤治疗前跟治疗后供血的变化，以提示 治疗效果。

优选的，通过接受动脉血管造影，获得血管感兴趣区域后，所获得的血流速度可 用于外周血管计算狭窄血管的压力降或血流储备分数(FFR)值。

本发明的有益效果在于，该技术方案提供了一种新的单位时间血流量与血流速 度计算方法，保证了计算得到的单位时间血流量与血流速度是整数个心动周期血流 速度均值，从而有效地避免了不恰当时间段的选择导致计算的平均单位时间血流量 与血流速度是非整数心动周期内均值造成的计算错误。而利用感兴趣区域图像灰度 值随时间的变化求出血流速度，不仅达到了无创诊断，同时能够有选择性地增加或 者排除边支血流，以适应不同的应用。

附图说明

图1为冠脉造影图像灰度直方图；

图2A为造影剂充盈前血管灰度变化示意图；

图2B为造影剂充盈后血管灰度变化示意图；

图3为Doppler导丝法测得的不同心动周期内血流速度变化曲线示意图；

图4为感兴趣区域不同心动周期内的原始灰度变化曲线和灰度拟合曲线示意图；

图5为单位时间血流量与血流速度计算原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图1-5，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的 实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都 属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明提供一种计算血管单位时间血流量及血流速度的方法，具体包括如下步 骤：首先，确定血管的感兴趣区域(优选的一种方式为，通过接受血管的X射线造 影，选择造影中感兴趣区域)；其次，计算并拟合出所述感兴趣区域内灰度拟合曲线； 其次，获取预定时间区间内的最大灰度值曲线；其次，计算该预定时间区间内最大灰 度值曲线与灰度拟合曲线所包围的区域面积值S；再次，基于该区域面积值S，获取 该面积值所对应的单位时间血流量Q；最后，结合血管管腔面积，获得所述血管的血 流速度V。

优选的，所述方法还可包括：确定第一时间点，以及以第一时间点为中心的一预 定时间区间内灰度拟合曲线的最大值和最小值。优选的，所述第一时间点为灰度拟 合曲线中灰度值下降最快的时间点。所述最大灰度值曲线是以预定时间区间内灰度 拟合曲线的最大值为纵坐标所做的曲线。

优选的，可以通过目标图像跟踪配准检测感兴趣区域在不同心跳时刻下的位置 的变化，从而获得最佳的感兴趣区域。需要强调的是，现有技术中的感兴趣区域不会 随着造影序列目标血管位置移动而相应移位，导致感兴趣区域内的灰度值变化不仅 仅由于造影剂在目标血管中传输导致，还可能由于目标血管移出和边支血管移入， 从而导致计算的血流速度不准确。而造影序列目标血管位置移动十分常见，可由心 脏的跳动、病人的呼吸和移动导致。

由于造影剂的充盈速度较快，充盈整个感兴趣区域通常时间较短，因此，优选选 择上述预定时间区间内为整一个心动周期(T)，即在所述第一时间点前后的二分之一 心动周期的区间内对灰度拟合曲线进行积分，得到面积值S。其中，在第一时间点前 后二分之一心动周期时间区间进一步优选为造影剂开始充盈血管感兴趣区域后，在 没有完全充盈感兴趣区域前的这一段时间段。在一优选实施例中，该时间段包含了 心肌跟微循环灌注，因此，优选的，选定感兴趣区域则为包括该感兴趣血管段灌注的 心肌。

通过查对应表，可获得该面积值S所对应的单位时间血流量Q，所述对应表为不 同面积值与不同单位时间血流量之间的对应表格，所述表格可以通过多次、重复性 的大量常规实验进行获得，并根据后期的实验数据进行更新该表格。

其中，在计算心动周期时，优选的计算方法为，根据心电图数据得到心动周期。 或者根据直方图计算得到的原始灰度变化曲线峰峰值之间的帧数m，计算心动周期 T＝m/f。其中f代表造影的帧频率。其中，原始灰度变化曲线是利用从每帧造影直方 图上直接计算得到的灰度值所做的曲线，是原始数据曲线；灰度拟合曲线是根据原 始数据通过拟合手段获得的曲线。

优选所述第一时间点为灰度拟合曲线中灰度值下降最快的时间点。可通过计算 灰度拟合曲线上每点的斜率，获得斜率为负值，且绝对值最大的点，所述点则为灰度 值下降最快的时间点。

优选的，由三维定量测量的方法，得到血管管腔面积A，平均血流速度V＝Q/A。

需要指出的时，本实施例采用了一般血管造影情况下的灰度值变化为下降趋势 的情况进行了分析，即在所得到灰度拟合曲线为下降曲线的情况下，通过选择该曲 线的灰度值下降最快的点为第一时间点，并以该第一时间点为中心确定上述预定时 间区间，基于上述预定时间区间的灰度拟合曲线的最大值获得最大灰度值曲线，从 而计算出以第一时间点为中心的预定时间区间内最大灰度值曲线与灰度拟合曲线所 围成的曲线面积。

然而，在某些造影影像中，造影剂充盈后灰度值比充盈前的灰度值大，上述灰度 值变化为上升趋势，即所得到灰度拟合曲线为上升曲线，此时，则需要检测灰度拟合 曲线中上升最快的时间点为第一时间点；获取以第一时间点为中心的前后二分之一 心动周期内灰度拟合曲线的最小值；以该最小值为纵坐标做出最小灰度值曲线；计 算以第一时间点为中心的预定时间区间内最小灰度值曲线与灰度拟合曲线所围成的 曲线面积。在该情况下，计算灰度拟合曲线上每点的斜率，获得斜率为正值，所述斜 率的值最大的点即为灰度值上升最快的时间点。

实施例2

参见图1，冠脉造影利用人体软组织和造影剂对射线吸收程度的不同，在造影图 像上形成了血管和周围组织之间的不同高对比度。造影图像中每一个像素的颜色深 度由灰度值表示，灰度值越大像素越亮。灰度直方图是数字图像中最简单且有用的 工具，它表示图像中具有某种灰度级的像素的个数，其横坐标是灰度值，取值范围优 选为0-255，纵坐标表示图像中该灰度值出现的个数，取值范围优选为0-N，N为图 像像素点个数。

如图2所示，我们选择包含狭窄的血管作为感兴趣区域，所述感兴趣区域包括 注入造影剂的主支血管及其分支。血管在没有打入造影剂之前(图A)灰度值较高， 无法从周围软组织中区分出来。打入造影剂之后(图B)造影剂随血流扩散，由于造 影剂对射线的吸收能力更强，感兴趣区域的灰度值随之减小，血管颜色变深。几个心 动周期之后造影剂被稀释，感兴趣区域灰度值升高。因此感兴趣区域灰度值的变化 速度反映了管腔内的血流速度。

每个心动周期内平均血流速度大小近似，但不同时间段的选取对于计算平均血 流速度有很大影响。如图3所示，用Doppler导丝法直接测量的不同心动周期内血 流速度曲线。时间间隔相同的不同时间段T1和T2所求解出的平均血流速度相差很 大，因此，为了确保计算值精确，优选的选取整数个心动周期进行血流速度均值计 算，如整一个心动周期。

如图4所示，提取造影感兴趣区域每一帧的灰度值，并拟合出灰度拟合曲线g(t)。 例如，优先选择3个以上(即N＞＝3)心动周期，起始时间为造影剂充盈之前，提取 每帧造影中感兴趣区域内灰度直方图，通过所述灰度直方图计算出每帧下感兴趣区 域内的灰度值，并根据灰度值拟合出灰度拟合曲线g(t)，所述拟合公式为多项式拟 合：

g(t)＝a₀+a₁t+a₂t²+…+a_ntⁿ；其中a₀，a₁，a₂，…a_n为拟合系数，t为 造影剂充盈血管的时间，所述时间是从第一帧影像采集开始计算出的时间。

一般情况，可以根据心电图数据得到心动周期。在缺少心电图数据时，可根据直 方图计算得到的原始灰度曲线的峰峰值之间的帧数m，并通过公式T＝m/f计算获得 心动周期，其中f代表造影的帧频率。

如图5，求出灰度值下降过程中斜率绝对值最大的点(t0，g(t0))，所述点确定为 第一时间点。计算第一时间点前后分别二分之一心动周期[t1，t2]内曲线g(t)与最大 灰度值曲线g(t1)所包围的区域(如图中的阴影区域)面积值S。其中，所述最大灰 度值曲线g(t1)是以[t1，t2]时间段内曲线g(t)的最大值为纵坐标所做的曲线；该阴 影面积值S与一个心动周期血流量Q成正比，即S∝Q。

实施例3

需要指出的是，本发明的实施例中所采用的X射线造影可以是心脏冠脉造影， 外周动脉造影如肾动脉造影、颈动脉造影等，或者是有肿瘤治疗前后的造影。基于上 述不同的造影方式所获得单位时间血流量或血流速度可用于不同的病症情况分析中 的关键参数指标，并获得比现有技术中的参数指标更好的准确性及精准度。例如，基 于心脏冠脉造影计算血流速度可以用来评价血管狭窄对血流速度的影响，以及后续 计算狭窄血管的压力差或血流储备分数(FFR)值；基于肾动脉造影可以在肾动脉交 感神经消融方面用于评估肾动脉单位时间血流量在交感神经消融前后的变化，或者 实时评估消融时单位时间血流量和血流速度的变化情况，以提示消融的效果；基于 有肿瘤区域的血管造影计算单位时间血流量或血流速度可以评估肿瘤治疗前跟治疗 后供血的变化，以提示治疗效果。

在一具体实施例中，本发明提供了一种某段血管的血流储备分数FFR的计算方 法，基于本发明中的计算血流速度的方法所获得的平均血流速度或最大平均血流速 度，并结合该段血管的其它几何参数，通过相应的计算公式获得血管的压力降或FFR 值。所述方法包括：接收该段血管的几何参数，该血管包括近端终点和远端终点，所 述几何参数包括第一几何参数，代表该血管段近端横截面的面积(或直径)；第二几 何参数，代表该血管段远端横截面的面积(或直径)；第三几何参数，代表该血管段 位于近端终点和远端终点之间的第一位置的横截面面积(或直径)；以近端终点为参 考点，基于所述几何参数和血管段上的点到参考点的距离，计算出参考管腔直径函 数和几何参数差异函数；在多个尺度下对几何参数差异函数求导，得到多个尺度对 应的差值导数函数；所述尺度指的是分辨率，即数值计算导数时相邻两点之间的距 离；利用本发明实施例中的计算血流速度的方法获得该血管段在常规冠脉造影的平 均血流速度计算出其对应的最大平均血流速度；基于多尺度差值导数函数和最大平 均血流速度，获得所述血管第一位置处的第二血流压力与近端终点处的第一血流压 力之间的比值，即血流储备分数。

本发明的创新点之一就在于，以灰度拟合曲线变化最快位置为中心，计算整一 个心动周期时间内的血流量，从而更准确地计算出单位时间血流量与血流速度，有 效地避免了不恰当时间区间进行计算所导致的误差。本发明的有益效果在于，该技 术方案提供了一种新的单位时间血流量与血流速度计算方法，保证了计算得到的单 位时间血流量与血流速度是整数个心动周期血流速度均值，从而有效地避免了不恰 当时间段的选择导致计算的单位时间血流量与平均血流速度是非整数心动周期内均 值造成的计算错误。而利用感兴趣区域图像灰度值随时间的变化求出血流速度，不 仅达到了无创诊断，同时能够有选择性地增加或者排除边支血流，以适应不同的应 用。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域 技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明 的保护范围当以权利要求书所界定的为准。