ОЦЕНКА ПОТОКА, СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЛИ ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВАНИИ ИЗМЕРЕНИЙ ДАВЛЕНИЯ ИЛИ ПОТОКА И АНГИОГРАФИИ Российский патент 2020 года по МПК G16H30/40 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОМУ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к системам оценки применительно к динамике текучей среды, к способам оценки, к машиночитаемым носителям информации и к элементам компьютерной программы.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Инвазивные катетерные способы измерения скорости пользуются сейчас возрастающим вниманием в функциональной оценке стеноза (например, в коронарных артериях), особенно в сочетании с измерением давления так называемыми ʺCombo-проводникамиʺ. Это системы направляющих проводников, которые включают в себя измерительные компоненты, такие как внутрисосудистые ультразвуковые датчики для измерения скорости. Существуют также способы измерения потока, основанные на показаниях датчика температуры.

Однако такие подходы могут рассматриваться как ненадежные, поскольку поток может измеряться лишь локально, тогда как поток сильно изменяется по площади сечения.

Другие способы количественного представления потока включают в себя PET (позитрон-эмиссионную томографию), такую как описанная К.Л. Гоулдом (K.L. Gould) и др. в ʺСравнении анатомической и физиологической оценки заболевания коронарной артерии: роль резерва коронарного кровотока, фракционного резерва кровообращения и томографической визуализации в принятии решения о реваскуляризацииʺ, Journal of the American College of Cardiology (Журнал Американской коллегии кардиологии) 62, 18 (2013), стр. 1639-1653. Другой подход основан на ангиографической денситометрии, описанной, например, С. Моллой (S. Molloi) и др. в ʺОценке гиперемированного кровотока в коронарной артерии, основанной на объеме просвета артерии, с использованием ангиографических изображенийʺ, International Journal of Cardiovascular Imaging (Международный журнал кардиоваскулярной визуализации) 28 (2012, стр. 1-11. Но эти способы оказываются, как правило, сложными (вследствие необходимости в калибровке системы с целью аппроксимации по правилу подобия в случае способа, предложенного S. Molloi) или дорогими, или же не общедоступными.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Поэтому может существовать необходимость в альтернативной системе или способе для оценки потока или давления, или сопротивления в динамической системе текучей среды.

Задача настоящего изобретения решается предметом изложения независимых пунктов формулы изобретения, при этом дополнительно варианты осуществления включены в состав зависимых пунктов формулы изобретения. Следует заметить, что описываемый в дальнейшем аспект изобретения равно применим к способам оценки, элементам компьютерной программы и к машиночитаемым носителям информации.

Согласно первому аспекту изобретения обеспечена система оценки для динамики текучей среды, которая содержит:

входной порт для приема

i) по меньшей мере одного результата измерения давления текучей среды, полученного in-situ из дерева сосудов, при этом каждый результат измерения давления связан с местоположением внутри дерева сосудов, и

ii) данных медицинского изображения для дерева сосудов;

построитель модели для генерации 3D-геометрической модели, выведенной из данных медицинского изображения;

регистрационное устройство для пространственной регистрации по меньшей мере одного результата измерения давления текучей среды в генерируемой 3D-геометрической модели, основываясь на его связанном местоположении, и

анализатор динамики текучей среды, выполненный с возможностью вычисления, основываясь на 3D-геометрической модели дерева сосудов, по меньшей мере одного значения потока и/или сопротивления по отношению к упомянутому дереву сосудов, используя пространственное зарегистрированные результаты измерения в качестве граничных условий.

Конкретно, этап вычисления потока или сопротивления включает в себя использование измеренных и пространственно зарегистрированных значений давления в качестве граничных условий для решения в CFD алгоритме.

Предлагается новый подход к оценке потока и/или сопротивления, основанный на измерениях внутрисосудистого давления с геометрической моделью, выведенной из данных медицинского изображения.

Предлагаемые система и способ могут быть с успехом использованы в пределах и наряду с контекстом измерения фракционного резерва кровообращения (FFR). FFR обеспечивает путь к оценке опасности функционального стеноза. FFR является надежным показателем степени функциональных ограничений, вызываемых стенозом. Основываясь на внутриаортальном давлении P_a и давлении P_d, дистальном по отношению к стенозу, FFR определяется как отношение: FFR= P_d/P_a. FFR является широко используемым показателем для оценки функционального воздействия стеноза в коронарных артериях. Обычно FFR измеряется инвазивным образом продвижением проводника с датчиком давления за стеноз и измерением падения давления по стенозу.

В одном варианте осуществления предлагаемые система и способ позволяют сопрягать показания давления, которые собраны во время традиционного FFR измерения любым образом. Измерения давления объединяются с основанной на изображении (например, при рентгеноангиографии или компьютерной томографии) оценке геометрии коронарных сосудов. Используется вычислительная модель, основанная на этих изображениях, для обеспечения более полной картины геометрии состояния коронарных артерий и миокарда, что только FFR не может предоставить. Другими словами, вместо конкуренции с FFR изобретение улучшает и дополняет FFR и обеспечивает дополнительную информацию относительно потока или сопротивления. Использование специально назначенных и дополнительных измерений становится необязательным. Для обсуждаемых целей при этом достаточно лишь измерить давление (а не поток), что может быть сделано относительно недорого, поскольку чувствительные к давлению инструменты в общем случае недороги и дешевле, чем чувствительные к потоку инструменты. Вместо этого вычисляется информация о потоке, основанная на легко получаемых in-situ измерениях давления. ʺОтносительно недорогоʺ, как сказано здесь, означает по отношению к измеряющим поток или Combo-проводникам, которые в общем случае дороже создать, чем простое устройство для измерения давления (называемое также ʺпроводником с датчиком давленияʺ).

Согласно варианту осуществления, модель включает в себя по меньшей мере одно местоположение, которое представляет структуру в упомянутом объекте, и при этом построитель модели выполнен с возможностью изменения модели с целью удаления или, по меньшей мере, смягчения упомянутой структуры, и при этом анализатор динамики текучей среды выполнен с возможностью повторного вычисления по меньшей мере одного значения потока и/или сопротивления, основываясь на измененной модели. Другими словами, в этом варианте осуществления предлагаемая система может быть с успехом использована для виртуальных проверок последующих результатов терапии с целью лучшего понимания медицинского эффекта. Объект (например, сосуд) может быть ʺвиртуально вылеченʺ геометрическим удалением структуры (такой как стеноз) из модели, после чего вычисления производятся снова, основываясь на измененной модели, которая теперь представляет сосуд с уменьшенным стенозом или без стеноза. Положительное следствие терапии стеноза может быть лучше оценено ʺвиртуальноʺ, то есть заблаговременно. В одном варианте осуществления этой виртуальной процедуры лечения в любом заданном ответвлении модели сосуда показания ниже (бывшего) местоположения стеноза либо удерживаются в качестве граничных условий в вычислениях, либо игнорируются в качестве граничных условий в вычислениях, или же, как компромиссный вариант между двумя этими крайними условиями, соответствующие, взятые ниже, показания являются по меньшей мере сниженными (будучи взвешенными) или модифицированными для любого стеноза, который подлежит лечению.

Согласно одному варианту осуществления вычисления потока или сопротивления могут быть экстраполированы в ответвления сосудов, где не были собраны результаты измерений давления, для расширения сферы действия предлагаемого подхода на другие части модели, а именно, затем и на всю модель.

В общем случае более одного значения (скалярного или векторного) вычисляется для множества местоположений измерения. Вместе эти значения определяют соответствующее пространственное распределение для соответствующей динамической величины текучей среды (потока, давления или сопротивления).

Согласно одному варианту осуществления, система согласно любому одному из двух аспектов содержит визуализатор, выполненный с возможностью визуализации на дисплейном устройстве представления вычисленного распределения потока, давления или сопротивления.

Согласно одному варианту осуществления упомянутая визуализация содержит пространственно разрешенную карту потока, представляющую распределение потока в связи с положениями внутри упомянутого объекта.

Согласно одному варианту осуществления данные изображения включают в себя ангиографические данные или данные компьютерной томографии. Альтернативно или дополнительно могут быть использованы данные внутрисосудистой оптической когерентной томографии, MR данные или ультразвуковые данные, в частности, внутрисосудистые ультразвуковые данные. Предпочтительно по меньшей мере одно измерение давления текучей среды производится во время процедуры фракционного резерва кровообращения.

Согласно одному варианту осуществления система содержит аппарат визуализации для подачи упомянутых данных изображения.

Согласно одному варианту осуществления система содержит измерительное устройство для введения в объект с целью осуществления по меньшей мере одного измерения давления внутри объекта. Более конкретно, упомянутое устройство измерения давления является катетером, имеющим по меньшей мере один датчик давления.

В предпочтительном варианте осуществления катетер снабжен на его головке или наконечнике следящим устройством, включающим в себя датчик местоположения. Таким образом, для каждого измерения давления пространственное положение, которое должно быть связано с измерением, может быть установлено с высокой точностью. Согласно изобретению, эти данные местоположения используются при регистрации результатов измерения давления в геометрической модели сосуда.

Согласно второму аспекту обеспечен способ оценки, который содержит:

прием по меньшей мере одного результата измерения давления текучей среды, полученного in-situ от объекта, причем каждый результат измерения связан с местоположением внутри дерева сосудов;

прием данных медицинского изображения;

генерацию 3D-геометрической модели, выведенной из данных изображения;

регистрацию по меньшей мере одного результата измерения давления текучей среды в генерируемой 3D-геометрической модели, основанного на связанном с ним местоположении; и

вычисление, основываясь на 3D-геометрической модели упомянутого дерева сосудов, по меньшей мере одного значения потока и/или сопротивления по отношению к упомянутому дереву сосудов, используя пространственно зарегистрированные результаты измерения давления в качестве граничных условий.

Применение предложенных способов и систем предусмотрено в основном в области медицины, конкретно в кардиологии. Однако нельзя сказать, что другие применения при этом исключаются. Во-первых, эти системы и способы могут быть использованы для оценки потока, давления и сопротивления в других органах, отличающихся от коронарных артерий сердца, и соответствующие входные измерения могут быть осуществлены в отличающихся от FFR контекстах. Например, может быть проведен анализ артерий ноги. Еще более широко, выделение или давление мочи в урологических исследованиях, таких как видеоцистометография (VCMG), может быть вычислено вместо кровотока. Во-вторых, что также за пределами области медицины, предложенные системы и способы могут быть с успехом практически применены, например, в геологии, скажем, в спелеологическом исследовании подводных пещерных систем или других.⎜

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Приводимые в качестве примера варианты осуществления изобретения теперь будут описаны со ссылкой на следующие чертежи, на которых:

ФИГ. 1 - представление системы оценки потока или давления;

ФИГ. 2 - графическое представление на дисплее, генерируемое системой, показанной на фиг. 1;

ФИГ. 3 - блок-схема последовательности операций в способах оценки потока и давления;

ФИГ. 4 - иллюстрация способа оценки потока и сопротивления;

ФИГ. 5 - представление части модели сосуда.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Со ссылкой на блок-схему на фиг. 1 рассматриваются компоненты системы анализатора динамики текучей среды. Эта система может быть использована для объемной оценки потока или сопротивления в FFR контексте, но применение в отличающихся от FFR областях, даже действительно не только в медицине, при этом не исключается.

Кратко говоря и в соответствии с одним вариантом осуществления, предложенный здесь подход может быть использован для измерения кровотока, при котором объединяются измерения внутрисосудистого давления с геометрической моделью исследуемого сосуда, которая выводится из данных медицинского изображения. Предпочтительно, но не обязательно во всех вариантах осуществления, результаты измерения собираются во время применения традиционного FFR с использованием соответствующего измерительного устройства MD.

Более подробно и продолжая ссылаться на фиг. 1, способ визуализации IM основан на получении предпочтительно, но не обязательно, данных 3D изображения интересующего объекта, например, коронарных или периферийных сосудов COR пациента, человека или животного. В одном варианте осуществления данные изображения генерируются в сеансе ротационной ангиографической визуализации. Предпочтительнее, во время или после формирования изображения, измерительное устройство MD, такое как проводник с датчиком давления, используется для приобретения в интервенционной процедуре, в множестве местоположений внутри системы сосудов COR, соответствующих показаний давления. Проводник с датчиком давления является регулируемым направляющим проводником с измерительной головкой. Измерительная головка образована одним или более преобразователями/датчиками давления, установленными проксимально к концевому участку направляющего проводника MD. Проводник с датчиком давления может также включать в себя устройство для вращения проводника, чтобы облегчить его продвижение через сосудистую систему. Проводник MD может также включать в себя следящую (под-) систему TR, такую как оптическая (считывающая форму) электромагнитная следящая система, или проводник MD может отслеживаться в 3D, используя обработку изображений, посылаемых формирователем изображений, и знание геометрии изображений, используемой формирователем изображений IM.

Предпочтительно показания включают в себя те, которые собраны по стенозу в дереве сосудов. Например, это может быть сделано при измерениях протягиванием катетера на себя во время FFR инвазии. Должно быть понятно, что каждое показание давления в общем случае связано или, по меньшей мере, может быть связано с определенным пространственным местоположением X_i в пределах коронарного COR, в котором снимается соответствующее показание. Связь между давлением и местоположением может генерироваться автоматически, например, с использованием датчика местоположения в следящем устройстве TR, соединенного с головкой проводника с датчиком давления. Альтернативно местоположения могут вычисляться по заданной первоначальной позиции измерительной головки и заданной пространственной выборке частоты (то есть количества измерений, производимых на единицу длины), и известной траектории измерений (которая действительно известна, например, в процедуре измерений с протягиванием катетера на себя).

Значения давления и данные изображения затем передаются на вход секции процессора PC, которая может быть реализована как модуль программного обеспечения на компьютере общего назначения, таком как рабочая станция WS. Основываясь на этом вводе, процессорный компонент предложенной системы анализатора динамики текучей среды вырабатывает в одном варианте осуществления желаемые объемные данные кровотока и/или сопротивления для системы сосудов COR, подлежащей исследованию.

Секция процессора PC принимает данные изображения и показания давления во входном порту IN. Из данных изображения генерируется 3D-геометрическая модель (такая как сетчатая модель, и т.п.) построителем модели MB. Это может быть достигнуто в одном варианте осуществления сегментацией сосуда, то есть сегментацией, основанной на интенсивности элемента изображения (пикселе, вокселе). Альтернативно может быть сегментирована 2D ангиограмма сосуда, и, основываясь на 2D кривизне сосуда, проекционной геометрии, используемой устройством IM медицинской визуализации для приобретения ангиограммы, и предположении сферической геометрии сосуда, создается 3D модель сосуда. Другими словами, это позволяет построить 3D модель из одного проекционного изображения. Модель, таким образом, создается, и показания давления затем пространственно регистрируются друг за другом регистрирующим устройством (не показано). Другими словами, при регистрации соответствующие местоположения, связанные с показаниями давления, делаются соответствующими относящимся к ним геометрическим точкам в модели. Регистрация может быть либо основанной на изображении регистрацией, ручной регистрацией, либо может быть основана на данных слежения, поставляемых следящим устройством TR, если оно имеется.

Пространственно регистрируемые показания затем передаются в LDA компонент анализатора динамики текучей среды. Он выполнен в одном варианте осуществления как устройство оценки потока или сопротивления, которое использует, например, способы вычислительной динамики потока (CFD) для вычисления объемных значений/оценок Q_i потока. Вычисленные значения принадлежат полю либо скалярных, либо векторных величин.

Более конкретно, полученные показания давления используются в качестве граничных условий для вычисления пространственно разрешенного распределения потока. Тогда как модель образует геометрические ограничения для потока, показания давления описывают поток локально.

Известно, что соотношение между объемным потоком и давлением определяется системой дифференциальных уравнений в частных производных, таких как уравнение Навье-Стокса, или их аппроксимацией (например, моделью с сосредоточенными параметрами). Тип уравнений кодирован в устройстве FE оценки потока. Дифференциальные уравнения в частных производных пространственно дискретизованы методом конечных элементов в потенциально большой ряд обыкновенных дифференциальных уравнений, которые затем могут быть решены различными численными способами применительно к значениям потока. Решения для SFD проблемы могут быть в общем случае описаны как векторные поля (p, ) (где p - местоположение и - вектор скорости для потока в этой точке). Векторные поля являются сбором функции, а граничные условия предписывают, через какие точки в фазном пространстве любое возможное решение должно проходить. То есть, для любого решения (p, ) давление в p должно быть равно величине P, собранной в упомянутой точке p. Базовый алгоритм CFD принимает в расчет эти ограничения, накладываемые граничными условиями.

Если интересует только величина (скорость) векторов скорости согласно вычисленному решению в векторном поле, можно преобразовать в скалярно поле, используя абсолютные значения векторного компонента (p,⎜ ⎜=Q). Альтернативно, используя модель с сосредоточенными параметрами или другие подходы, можно вычислить значения in-situ как скалярные.

В другом варианте осуществления подход с сосредоточенными параметрами описан, например, в US 2011/0071404. Подход с сосредоточенными параметрами был представлен как обеспечивающий быстрый оборот. При этом любой другой способ CFD также предусмотрен. В одном варианте осуществления сбор таким образом вычисленных объемных значений потока (конкретно, скорости в каждой точке) вместе образует пространственно разрешенное объемное распределение потока для модели. То есть каждому местоположению в модели (которое, в свою очередь, соответствует местоположению внутри объекта COR) устройство оценки потока привязывает значение потока (объем в секунду, например, в мл/с).

Оцененные таким образом величины потока или сопротивления выводятся на выходной порт OUT как численные значения. Предпочтительно оценки визуализируются визуализатором VIZ и передаются для воспроизведения на монитор MT. Более конкретно, оценки потока перемещаются пространственно разрешенными, то есть каждая оценка показывается связанной с соответствующим местоположением в модели или в данных изображения.

На фиг. 2 на экране B) показан пример визуализации GD пространственно разрешенной карты оценки потока, основанной на результатах измерения давления p1, p2, p3, полученных в разных местоположениях внутри сосуда COR, которые показаны в виде диаграммы на экране A). Визуализация GD выполнена из пространственно организованных оценок Q1, Q2 и Q3 потока, вычисленных устройством FE оценки. Значения Q_i оценки потока могут быть цветокодированными (показанными разными типами линий: пунктирными, сплошными и штрихпунктирными) и перекрывающимися, как показано на фиг. 2B), на представлении данных изображения или модели. Графическое представление на 2B) иллюстрирует пример довольно грубой дискретизации только с 3 выбранными результатами измерения. Поэтому модель разбита на три части. Более точная дискретизация также предусмотрена, но в принципе должно быть достаточно выбирать просто 3 или даже просто 2 результата измерения давления.

Следует заметить, что построитель модели MB может не обязательно работать для построения модели из самих данных изображения. В альтернативном подходе может быть использована обобщенная сетчатая модель, которая затем адаптируется в соответствии с данными изображения, собранными с объекта. Например, итеративные способы прямой проекции могут быть использованы для деформирования обобщения в серии итераций до тех пор, пока проекции через деформированную обобщенную модель не будут соответствовать полученным данным изображения (реальным проекциям). Таким образом, обобщенная модель может быть персонализирована или ʺприспособленаʺ к данным изображения доступного объекта COR.

Для получения более убедительных результатов в FFR рекомендуется собирать показания давления в двух состояниях объекта, один ряд в состоянии напряжения и один ряд в состоянии покоя. Другими словами, в некоторых или в каждом местоположении собирается пара показаний давления: одно в состоянии напряжения и другое в состоянии покоя пациента.

Существует один вариант осуществления, в котором построитель модели MB выполнен с возможностью изменения модели с целью удаления или, по меньшей мере, смягчения структурного признака модели и затем упомянутой структуры (например, такой структуры, как стеноз), и в котором анализатор LDA динамики текучей среды выполнен с возможностью повторного вычисления величины потока и/или величины сопротивления, основываясь на измененной модели. Операция будет пояснена более подробно ниже, на этапах S40 a, b.

Со ссылкой на фиг. 3 A) представлена блок-схема последовательности операций в способе анализа динамики текучей среды, конкретно, способе оценки потока или сопротивления.

На этапе S10a собирается множество результатов измерения давления in-situ от объекта в множестве местоположений. Производится множество измерений внутрисосудистого давления с использованием катетера или направляющего проводника, снабженного датчиком давления. Показано, что является предпочтительным, когда по меньшей мере некоторые из точек измерения или местоположений (в которых собираются показатели давления на этапе S10a) включают в себя местоположения по меньшей мере одного входного отверстия и по меньшей мере одного выходного отверстия в геометрической модели сосуда в дереве сосудов. Это позволяет производить последующие вычисления (этап S20a) более реалистично, даже для других сегментов сосуда в дереве сосудов. В дополнение к этому в одном варианте осуществления соответствующая пара измерений производится выше и ниже любого по меньшей мере одного, или все же лучше любого местоположения стеноза.

На необязательном этапе S20a распределение потока для текучей среды, находящейся или проходящей через объект, вычисляется, основываясь на модели упомянутого объекта и основываясь на использовании собранных результатов измерений в качестве граничных условий в CFD решающем алгоритме.

Также предусмотрено в некоторых вариантах осуществления использовать значения потока или сопротивления в частях модели, которые соответствуют местоположению (например, в ответвлении дерева сосудов) в объекте, где не были собраны результаты измерений. Это осуществляется использованием одного или более из граничных условий также для частей модели, в отношении которых не были собраны результаты измерений. Это может быть сделано использованием некоторых из граничных условий в местоположениях в упомянутых других частях, которые соответствуют структурно или функционально местоположениям в измеряемом ответвлении. Например, граничное условие, которое основано на измерении в выходной точке, может быть использовано в выходной точке в другом ответвлении.

На (необязательном) этапе S30a оцененные значения распределения потока воспроизводятся на дисплейном устройстве.

Хотя в рассмотренном выше варианте осуществления были собраны in-situ результаты измерения для вычисления объемных значений потока, параллельный способ для этого также предусмотрен и показан в блок-схеме B) последовательности операций с соответствующими этапами S10b-S30b. При этом вместо сбора результатов измерения давления in-situ собираются результаты измерения потока in-situ на этапе S10b, и затем распределение давления вычисляется полностью аналогично этапу S20a на этапе S20b. Затем значения давления могут быть воспроизведены на дисплее как пространственно разрешенные значения распределения давления на этапе S30b.

В любом одном из приведенных выше способов A) и B) по меньшей мере позиции измерений по отношению к 3D-геометрической модели должны быть известны. Модель может быть построена из данных изображения, собранных от объекта. Данные изображения являются предпочтительно 3D данными или стереоскопическими. В случае рентгеноангиографии поворотная последовательность или две проекции под разными углами могут быть использованы. Возможно, будет достаточно одной проекции, когда используется оценка на формах сечения сосудов. Например, можно предположить априори круглые сечения сосудов. В некоторых вариантах осуществления построение простой 2D модели вместо 3D модели может быть также достаточным. Другой вариант осуществления, который может быть основан на однонаправленных данных изображения, является денситометрическим способом, в котором предсказывается диаметр в направлении проекции. См., например, US 2007/0053558A1 по денсиметрии. В принципе другие способы визуализации, отличающиеся от рентгеноангиографии, могут быть использованы для генерации геометрической модели сосуда. Это применимо особенно к внутрисосудистой оптической когерентной томографии (OCT) или ультразвуку (US), но может также включать в себя MRT и CT.

В варианте осуществления оценки потока измеряются значения объемного потока (измеряемого в объеме) в отличие от ʺточечныхʺ значений скорости (измеряемых на расстоянии/длине), причем названные последними обычно поставляются традиционными устройствами измерения потока, такими как combo-проводники, которые измеряют как поток, так и давление. Это точечные значения скорости, которые могут быть преобразованы в объемные данные перемножением с соответствующим сечением сосуда согласно геометрии модели в местоположении, в котором были собраны результаты измерения потока.

Тогда как скорость потока определяет, с какой скоростью (направление и быстрота) перемещается воображаемая точка, когда подвешивается в исследуемую текучую среду, объемный поток определяет количество текучей среды, которая проходит через воображаемую плоскую зону, находящуюся в заданном местоположении в текучей среде. Было найдено, что данные объемного потока более уместны для оценки жизнеспособности ткани, чем поток в терминах скорости, и более уместны, чем давление.

Предложенный способ особенно чувствителен в присутствии стеноза (когда падение давления происходит от входного отверстия к выходному). Однако была обнаружена меньшая чувствительность, если падение давления близко к нулю. Измерение давления может производиться при нормальных условиях или во время вызванной лекарством гиперемии с целью повышения потери давления вдоль сосуда.

Предложенные способ и система могут обеспечивать более надежный подход к измерению объемного потока и могут потенциально заменить дорогостоящее измерение потока с использованием устройства типа ʺCombo-проводниковʺ или PET измерения. ʺCombo-проводникиʺ включают в себя те измерительные устройства, которые позволяют производить измерение как давления, так и потока.

Дополнительным улучшением предложенных выше вариантов осуществления является сегментация данных изображения в перфузируемые под-объемы для каждого ответвления дерева сосудов и назначение вычисленного кровотока каждому под-объему. Это может обеспечить ʺвиртуальную перфузионную картуʺ.

Когда измерение коронарного давления производится при нормальных условиях и при гиперемии (то есть в состоянии покоя), показатель резерва коронарного кровотока (CFR) может быть определен из вычисленных значений потока. См., например, Керн, Мортон (Kern, Morton) и др. в ʺТекущие концепции интегрированной коронарной физиологии в лаборатории катетеризацииʺ, Journal of the American College of Cardiology (Журнал Американской коллегии кардиологии) 55,3 (2010), стр. 173-185.

Еще в одном улучшении измерения давления или потока могут быть синхронизированы с ECG сигналом, с тем чтобы вычислить зависимые от фаз сердца поток или давление, соответственно. Это может включать в себя использование 4D (то есть 3D+время) коронарной модели. На фиг. 4 представлен способ согласно A) на фиг. 3. Показания P1-P7 давления собраны в разных местоположениях. Основываясь на 3D модели и используя измеренные данные давления в качестве граничных условий в CFD алгоритме, вычисляются соответствующие значения Q1-Q5 потока, и, в дополнение, используя геометрию модели, поток Q6-Q8 может быть также экстраполирован в ответвления, где не проводились измерения давления. Альтернативно и подобным образом могут быть вычислены соответствующие значения R1-R5 сопротивления для измеряемого ответвления и интерполированные значения R6, R7 для других ответвлений (где не проводились измерения). Например, как можно увидеть на фиг. 4, произведена экстраполяция в другие ответвления модели сосуда, используя показание P6 на выходе измеряемого ответвления в качестве соответствующих граничных условий выходного показания для других (не измеряемых) ответвлений, чтобы таким образом вычислить значения Q6-Q8 и R7-R8, соответственно.

Такая же процедура, как описанная выше по отношению к фиг.4, может быть выполнена аналогично для способа B) на фиг. 3, где собирались результаты измерения потока, и при этом вычисляются значения давления и/или сопротивления (для представления этого варианта осуществления каждая величина ʺPʺ заменяется на ʺQʺ на фиг. 4).

Еще одно улучшение, соединяемое с любым из описанных выше, представлено на фиг. 5. Граничные условия (то есть результаты измерений давления или потока, собранные in-situ) могут быть локализованы внизу на уровне сечения, как показано на этом чертеже, принимая во внимание, что следящая информация, поставляемая следящей подсистемой TR, достаточно подробна. Так что вместо того, чтобы просто назначать граничный сбор для определенной секции в сосуде (что может быть хорошо в некоторых вариантах осуществления), граничное условие назначается вдоль определенного радиуса в этой секции, чтобы точно ʺприбитьʺ граничное условие на соответствующем расстоянии от стенки сосуда в соответствующей секции сосуда. Граничное условие затем может быть отображено в пространственные узлы согласно используемым CFD алгоритмам. Это улучшение особенно полезно в варианте осуществления на фиг. 3 B), где собираются результаты измерения потока, поскольку известно, что они изменяются вдоль радиуса сечения, то есть с расстоянием от стенки сосуда. Эти местоположения обозначены знаком ʺXʺ на фиг. 5 в показанном в качестве примера сечении. Например, некоторые 3D CFD алгоритмы используют 3D систему узлов, выполненную из множества элементов, таких как тетраэдр или другие, которые покрывают пространство внутри сосуда. Пространственное назначение измерений внутри сечения модели в качестве граничных условий вершинам или центральным точкам, и т.п., этих узловых элементов может быть обеспечено использованием следящей информации. Вычисления связанных с этим давлений могут ожидаться более точными. Кроме того, можно предполагать, что такая локализация граничных условий может также дать и более точные результаты для варианта осуществления на фиг. 3 A).

Может оказаться также возможным ʺвылечитьʺ стенозный сосуд посредством QCA (количественный коронарный анализ), то есть оценить ʺздоровыйʺ контур сосуда и произвести повторные вычисления, с тем чтобы можно было смоделировать соответствующие объемные потоки или давления. В одном варианте осуществления, в любом из описанных выше способов A), B) на фиг. 3, способ включает в себя дополнительный этап для случая, в котором модель включает в себя по меньшей мере одно местоположение, которое представляет структуру, такую как стеноз, в сосудистом объекте. Этот дополнительный этап включает в себя изменение на этапе S40a,b модели для удаления или, по меньшей мере, смягчения упомянутой структуры и повторное вычисление i) по меньшей мере одного значения потока и/или сопротивления, или ii) по меньшей мере одного значения давления и/или сопротивления, соответственно,, основываясь на измененной модели. Более подробно и ссылаясь на способ A) на фиг. 3 с целью определенности, этот способ может быть с успехом использован для виртуальных проверок будущей терапевтической меры, чтобы лучше понимать ее медицинскую пользу. Объект (например, сосуд) может быть ʺвиртуально вылеченʺ геометрическим удалением или смягчением стеноза из модели, после чего повторяются вычисления CFD алгоритма, основываясь на измененной модели, которая представляет сосуд со смягченным стенозом или без стеноза. Благотворные последствия терапии стеноза могут при этом быть лучше оценены ʺвиртуальноʺ, то есть заранее. Другими словами, и согласно одному варианту осуществления построитель модели MB может быть (повторно) использован для адаптации модели геометрическим удалением соответствующих структур, представляющих соответствующий стеноз. В одном варианте осуществления это выполняется использованием сечения/ширины сосуда выше и ниже структуры для линейной (или более многомерной) интерполяции между ними двумя, чтобы тем самым исключить структуру. Таким образом, создается новая, измененная модель, которая представляет новые геометрические граничные условия.

Ранее вычисленные результаты измерения либо сохраняются как граничные условия для измененной модели, либо значение (значения) ниже измененного теперь стеноза игнорируется или подобным образом адаптируется для смягчения эффекта расположенных ниже граничных условий. Например, граничные условия могут быть умножены на подходящий весовой коэффициент для реализации смягчения в вычислениях потока или сопротивления для измененной модели. Эта виртуальная процедура лечения может быть также использована аналогично варианту осуществления B) на фиг. 3, где вычисляется давление и/или сопротивление. Предпочтительно адаптация соответствующих граничных условий производится ниже (прежнего или измененного) стеноза для любого заданного ответвления модели сосудов, где располагается структура.

Способы или системы, предложенные здесь выше, относятся к функциональной оценке всех типов стеноза в артериях тела человека, включая сюда коронарную, подвздошную, бедренную, плечевую и печеночную артерии, а также сонную артерию.

Компоненты системы оценки потока или давления согласно фиг. 1 могут быть построены как отдельные модули в распределенной архитектуре и соединены соответствующей сетью связи.

Компоненты могут быть выстроены как целевая FPGA или как жестко смонтированные автономные микросхемы.

Компоненты и, в частности, анализатор LDA динамики текучей среды, могут быть запрограммированы на подходящем языке программирования, таком как C+++ или C программы. Альтернативно научные вычислительные платформы более высокого уровня, такие как Matlab® или Simulink®, могут быть использованы.

В другом приводимом в качестве примера варианте осуществления настоящего изобретения обеспечены компьютерная программа или элемент компьютерной программы, которые характеризуются способностью адаптации к выполнению этапов способа в способе, соответствующем одному из предшествующих вариантов осуществления, на соответствующей системе.

Элемент компьютерной программы может быть поэтому запомнен на компьютерном устройстве, которое может быть также частью варианта осуществления настоящего изобретения. Компьютерное устройство может быть выполнено с возможностью выполнения или побуждения к выполнению этапов способа, описанных выше. Кроме того, оно может быть выполнено с возможностью управления работой компонентов описанного выше аппарата. Компьютерное устройство может быть выполнено с возможностью работать автоматически и/или выполнять команды пользователя. Компьютерная программа может быть загружена в рабочую память процессора для обработки данных. Процессор для обработки данных может быть оборудован таким образом, чтобы выполнять способ согласно изобретению.

Этот приводимый в качестве примера вариант осуществления изобретения охватывает как компьютерную программу, которая с самого начала использует изобретение, так и компьютерную программу, которая посредством обновления превращает существующую программу в программу, которая использует изобретение.

Далее, элемент компьютерной программы может быть способен обеспечить все необходимые этапы для выполнения процедуры согласно приводимому в качестве примера варианту осуществления способа, как описано выше.

Согласно другому приводимому в качестве примера варианту осуществления настоящего изобретения представлен машиночитаемый носитель информации, такой как CD-ROM, при этом машиночитаемый носитель информации имеет элемент компьютерной программы, запомненный на нем, и этот элемент компьютерной программы описывается предшествующим параграфом.

Компьютерная программа может запоминаться или распределяться на соответствующем носителе (конкретно, но не обязательно, на энергонезависимом носителе), таком как оптический носитель информации или твердотельный носитель, вместе или как часть другого аппаратного оборудования, но может также распределяться в других формах, например, через интернет или другие проводные и беспроводные телекоммуникационные системы.

Однако компьютерная программа может быть также представлена по сети, такой как Word Wide Web, и может быть загружена в рабочую память процессора для обработки данных из такой сети. Согласно другому приводимому в качестве примера варианту осуществления настоящего изобретения обеспечен носитель, делающий элемент компьютерной программы доступным для загрузки, причем элемент компьютерной программы выполнен с возможностью выполнения способа согласно одному из описанных выше вариантов осуществления изобретения.

Следует заметить, что варианты осуществления изобретения описаны со ссылкой на разные объекты изобретения. В частности, некоторые варианты осуществления описаны со ссылкой на типовые пункты формулы изобретения на способ, тогда как другие варианты осуществления описаны со ссылкой на типовые пункты формулы изобретения на устройство. Однако специалистам в данной области техники будет понятно из вышесказанного и последующего описания, если не заявлено иное, что в дополнение к любому сочетанию признаков, принадлежащих одному типу объекта изобретения, также и любое сочетание признаков, относящихся к разным объектам изобретения, рассматривается как раскрываемое этой заявкой. Однако все признаки могут сочетаться, обеспечивая синергические эффекты, которые являются более чем простым суммированием признаков.

Хотя изобретение было представлено и описано подробно на чертежах и в вышеизложенном описании, такое представление и описание должны рассматриваться как иллюстративные и приводимые в качестве примера, а не ограничивающие. Изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления. Другие вариации раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и реализованы специалистами в данной области техники в практическом применении заявленного изобретения из изучения чертежей, описания и зависимых пунктов формулы изобретения.

В формуле изобретения слово ʺсодержащийʺ не исключает других элементов или этапов, а артикль единственного числа (ʺaʺ или ʺanʺ в оригинале) не исключает множественности. Один процессор или устройство может выполнять функции нескольких предметов, упомянутых в формуле изобретения. Простой факт, что определенные меры упомянуты во взаимно отличающихся пунктах формулы изобретения не означает, что сочетание этих мер не может быть с успехом использовано. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны рассматриваться как лимитирующие объем.

Системы и связанные с ними способы оценки, применительно к динамической системе текучей среды, потока или сопротивления, основываясь на модели объекта и результатах измерения давления, собранных in-situ на объекте. 4 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Система оценки динамики текучей среды, содержащая:

входной порт (IN) для приема

i) по меньшей мере одного результата измерения давления текучей среды, полученного in-situ от дерева сосудов (COR), причем каждый результат измерения давления связан с местоположением внутри дерева сосудов; и

ii) данных медицинского изображения дерева сосудов (COR);

построитель модели (MB) для генерации 3D-геометрической модели, выведенной из данных медицинского изображения;

регистрационное устройство для пространственной регистрации упомянутого по меньшей мере одного результата измерения давления текучей среды для генерируемой 3D-геометрической модели на основании его связанного местоположения; и

анализатор динамики текучей среды (LDA), выполненный с возможностью вычисления на основании 3D-геометрической модели дерева сосудов по меньшей мере одного значения потока и/или сопротивления по отношению к дереву сосудов (COR) с использованием пространственно зарегистрированных результатов измерения в качестве граничных условий.

2. Система оценки по п. 1, в которой геометрическая модель включает в себя по меньшей мере одно местоположение, представляющее структуру в упомянутом объекте, причем построитель модели (MB) выполнен с возможностью изменения модели с целью удаления или по меньшей мере смягчения упомянутой структуры, а анализатор динамики текучей среды (LDA) выполнен с возможностью повторного вычисления по меньшей мере одного значения потока и/или сопротивления на основании измененной модели.

3. Система оценки по п. 1 или 2, в которой данные изображения включают в себя ренгеноангиографические данные или данные компьютерной томографии.

4. Система оценки по любому из предшествующих пунктов, которая дополнительно содержит аппарат визуализации (IM) для предоставления упомянутых данных изображения.

5. Система оценки по любому из предшествующих пунктов, которая дополнительно содержит измерительное устройство (MD) для введения в объект (COR) с целью получения упомянутого по меньшей мере одного результата измерения давления.

6. Система оценки по п. 5, в которой устройство измерения давления является катетером, имеющим по меньшей мере один датчик давления.

7. Система оценки по п. 6, в которой головка катетера снабжена следящим устройством (TR), включающим в себя датчик местоположения для установки местоположения, которое должно быть связано с измерением давления.

8. Способ оценки, включающий этапы, на которых:

принимают по меньшей мере один результат измерения давления текучей среды, полученный in-situ от объекта, причем каждый результат измерения связан с местоположением внутри дерева сосудов;

принимают данные медицинского изображения;

генерируют 3D-геометрическую модель, выведенную из данных изображения;

регистрируют упомянутый по меньшей мере один результат измерения давления текучей среды для генерируемой 3D-геометрической модели на основании связанного с ним местоположении; и

вычисляют на основании 3D-геометрической модели упомянутого дерева сосудов по меньшей мере одно значение потока и/или сопротивления по отношению к дереву сосудов с использованием пространственно зарегистрированных результатов измерения давления в качестве граничных условий.

9. Способ по п. 8, в котором модель включает в себя по меньшей мере одно местоположение, представляющее структуру в упомянутом объекте, причем способ включает в себя изменение (S40a, b) модели с целью удаления или по меньшей мере смягчения упомянутой структуры и повторное вычисление по меньшей мере одного значения потока и/или сопротивления, основываясь на измененной модели.

10. Способ по п. 8 или 9, в котором результаты измерения давления собирают по стенозу в дереве сосудов (COR).

11. Способ по одному из пп. 8, 9 или 10, в котором результаты измерения давления собирают по меньшей мере в местоположении по меньшей мере одного входного отверстия и по меньшей мере одного выходного отверстия в геометрической модели дерева сосудов.

12. Элемент компьютерной программы для управляющей системы согласно одному из пп. 1-7, который, будучи исполняемым процессорным устройством (WS), выполнен с возможностью осуществления этапов способа по любому из пп. 8-11.

13. Машиночитаемый носитель информации, имеющий хранимый на нем элемент программы по п. 12.