基于血流动力学模型建立由冠状动脉狭窄病灶形态特征评估其功能学意义的新方法

3D model of coronary stenosis section can be accurately reconstructed by using the advanced medical imaging technology. However, the functional significance of a coronary artery stenosis cannot be directly determined by anatomic techniques. By using the hemodynamics modeling approach, a noninvasive method for rapidly measurement of coronary functional stenosis will be proposed based on the morphological features of stenosis section. Impact of morphological features on blood flow resistance of the stenosis section will be investigated by using the computational fluid dynamics method. Loss coefficient model will be proposed to access the blood flow resistance by using the morphological features, and the functional significance of a stenosis will be accessed according to the patient-specific pressure distribution obtained by using a reduced-order coronary blood flow model. This study will reveal the potential relationship between morphological features and blood flow resistance of stenosis section, and provide a theoretical basis for accessing blood flow resistance by using morphological features. The completion of this project will provide a new effective noninvasive method for rapidly measurement of coronary functional stenosis, and will provide a new way for applying the image-based hemodynamics modeling techniques in clinical work.

先进的医学影像技术可对冠状动脉狭窄病灶的三维形态进行精确的重建，但形态狭窄与功能性狭窄间并不存在直接的对应关系，由病灶形态特征直接评估其功能学意义存在理论上的困难。本项目利用血流动力学模型作为连接病灶形态特征与功能学意义的纽带，提出一种基于形态特征的快速、非侵入式地评估冠状动脉狭窄病灶功能学意义的新方法。拟采用计算流体力学方法研究狭窄病灶形态特征与其血流阻力间的关系；研究由形态特征参量评估其血流阻力的局部阻力系数模型的构建方法；研究可对病例进行个性化血压分布仿真的低阶冠状动脉血流动力学模型；并在此基础上将基于上述血流动力学模型的新方法应用于冠状动脉狭窄病灶功能学意义的评估中。项目的完成有望阐明狭窄病灶形态特征与其血流阻力间的关系；为由病灶形态特征直接评估其血流阻力提供理论依据；为快速、非侵入式地评估病灶的功能学意义提供有效的解决方案；为基于医学图像的血流动力学分析方法的临床应用提供新思路。

冠状动脉粥样硬化性心脏病(冠心病)是危害人类健康的严重疾病，给予合理治疗的前提是对冠状动脉狭窄病灶功能学意义的准确评估。本项目利用血流动力学模型作为连接病灶形态特征与功能学意义的纽带，提出了一种基于压力-血流量曲线的非侵入式评估冠状动脉狭窄病灶功能学意义的新方法，以解决现有方法耗时长且依赖于不准确的边界条件估计的问题，从而实现更快速、准确的功能学意义评估。本项目首先基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)仿真方法，研究明确了狭窄病灶各形态参数对病灶血流动力学参数变化的影响；而后，引入血流阻力特性曲线（压力-血流量曲线），并基于CFD技术建立了由冠状动脉CTA图像评估压力-血流量曲线参数、进而评估狭窄病灶功能学意义的新方法；最后，通过与临床金标准（侵入式血流储备分数（Fractional Flow Reserve, FFR））数据进行对比，验证了该方法的有效性。结果显示，本项目提出的压力-血流量曲线参数VF(viscous friction) 和EL(expansion loss)识别功能性狭窄的正确率分别达到0.88 (95% CI: 0.78-0.95)和0.87 (95% CI: 0.76-0.93)；通过斯皮尔曼等级相关分析，压力-血流量曲线参数VF和EL与侵入式FFR间存在着显著的强相关关系（VF(rho=-0.74(95%CI:-0.83 to -0.61, P<0.0001)和EL (rho=-74 (95%CI:-0.83 to -0.61, P<0.0001)；同时，在FFR的临界病变区域，本项目提出的方法特异性高达0.91（95%CI：0.57-0.99）。本项目所提出的新方法通过将仿真区域压缩到狭窄病灶区域附近，从而大大减小了计算域、大幅提升计算速度；同时，本项目所提出的新方法不需要精确的边界条件估计（在临床上难以保证其可靠性），从而使得评估结果更准确、可靠。初步的临床分析表明，该方法能够较为准确的区分功能性和非功能性冠状动脉狭窄病灶，显著提升了基于CTA的传统形态学评估方法的准确性，后续有潜力作为介入导管室的新“看门人”，避免不必要的导管介入，在准确指导疾病治疗方案选择的同时，节约可观的医疗资源和经费。

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