Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

EA042942B1 - PATIENT-SPECIFIC MODELING OF HEMODYNAMIC PARAMETERS IN THE CORONARY ARTERIES - Google Patents

PATIENT-SPECIFIC MODELING OF HEMODYNAMIC PARAMETERS IN THE CORONARY ARTERIES Download PDF

Info

Publication number
EA042942B1
EA042942B1 EA202191778 EA042942B1 EA 042942 B1 EA042942 B1 EA 042942B1 EA 202191778 EA202191778 EA 202191778 EA 042942 B1 EA042942 B1 EA 042942B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
patient
coronary
model
flow
data
Prior art date
Application number
EA202191778
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Косиор
Крыспин Мирота
Войцех Тарнавски
Original Assignee
ХЕМОЛЕНС ДАЯГНОСТИКС Сп. з о.о.
Filing date
Publication date
Application filed by ХЕМОЛЕНС ДАЯГНОСТИКС Сп. з о.о. filed Critical ХЕМОЛЕНС ДАЯГНОСТИКС Сп. з о.о.
Publication of EA042942B1 publication Critical patent/EA042942B1/en

Links

Description

Предпосылки изобретенияBackground of the invention

Сердечно-сосудистые заболевания являются основной причиной смерти мужчин и женщин в Соединенных Штатах, и на их долю приходится не менее 30% смертей во всем мире. Хотя медицинские достижения последних лет обеспечили важные улучшения в диагностике и лечении сердечных заболеваний, частота преждевременной заболеваемости и смертности по-прежнему высока. Одна из причин этого - отсутствие точных оценок специфических для пациента параметров, которые точно характеризуют анатомию, физиологию и гемодинамику коронарных артерий, все из которых играют важную роль в прогрессировании сердечнососудистых заболеваний.Cardiovascular disease is the leading cause of death for men and women in the United States and accounts for at least 30% of deaths worldwide. Although medical advances in recent years have provided important improvements in the diagnosis and treatment of heart disease, the incidence of premature morbidity and mortality is still high. One reason for this is the lack of accurate estimates of patient-specific parameters that accurately characterize the anatomy, physiology, and hemodynamics of the coronary arteries, all of which play an important role in the progression of cardiovascular disease.

Методы, основанные на медицинской визуализации (например, компьютерная томографическая ангиограмма), обычно используются в клинической практике для характеристики тяжести стеноза в коронарных артериях. Однако такие методы обеспечивают только анатомическую оценку, которая часто недостаточна для принятия клинических решений. В частности, анатомическая оценка тяжести стеноза коронарной артерии часто приводит к переоценке или недооценке, что в обоих случаях нежелательно. Переоценка тяжести стеноза может привести к ненужному вмешательству и последующему риску рестеноза, тогда как недооценка, скорее всего, приведет к отказу от лечения. Для точной функциональной оценки могут потребоваться измерения давления и/или потока, которые определяются инвазивно.Medical imaging-based methods (eg, computed tomography angiogram) are commonly used in clinical practice to characterize the severity of stenosis in the coronary arteries. However, such methods provide only anatomical assessment, which is often insufficient for clinical decision making. In particular, the anatomical assessment of the severity of coronary artery stenosis often leads to an overestimation or underestimation, which in both cases is undesirable. Overestimation of the severity of stenosis may lead to unnecessary intervention and subsequent risk of restenosis, while underestimation is more likely to lead to treatment failure. Accurate functional assessment may require pressure and/or flow measurements, which are determined invasively.

Было разработано несколько методов на основе вычислительной гидродинамики (CFD) для функциональной оценки заболевания коронарной артерии. Однако они, как правило, основаны на упрощенных геометрических формах коронарных артерий с общими граничными условиями, полученными на основе данных в масштабах всей популяции. Это делает такие методы непригодными для комплексной специфической для пациента оценки заболевания коронарной артерии, такой как оценка тяжести стеноза в случае стеноза коронарной артерии. Пример такого способа был раскрыт в следующем документе: Chung J.H., Lee K.E., Nam C.W., Doh J.H., Kim H.I., Kwon S.S., Shim E.B., Shin E.S. (2017) Diagnostic Performance of a Novel Method for Fractional Flow Reserve Computed from Noninvasive Computed Tomography Angiography (NOVEL-FLOW Study) The American Journal of Cardiology, 120(3):362-368. Это исследование было направлено на снижение сложности вычислительного способа, что привело к сокращению среднего времени предоставления результатов до 185 мин. В указанном документе граничные условия были вычислены с использованием оцененных форм волн кровяного давления, полученных в результате подгонки функции, полученной в результате исследований относительно симуляции, к экспериментальным данным, таким как систолическое кровяное давление, диастолическое кровяное давление и частота ударов сердца. Документ не раскрывает однозначно, были ли параметры систолического кровяного давления, диастолического кровяного давления и частоты ударов сердца получены неинвазивным способом. Трехмерная модель коронарных артерий была получена неинвазивным способом с помощью коронарной компьютерной томографической ангиограммы (ССТА). Способ предлагает хорошую точность по сравнению с известными способами.Several computational fluid dynamics (CFD) based methods have been developed for the functional assessment of coronary artery disease. However, they are generally based on simplified coronary artery geometries with general boundary conditions derived from population-wide data. This renders such methods unsuitable for comprehensive patient-specific assessment of coronary artery disease, such as assessing the severity of stenosis in the case of coronary artery stenosis. An example of such a method has been disclosed in the following document: Chung J.H., Lee K.E., Nam C.W., Doh J.H., Kim H.I., Kwon S.S., Shim E.B., Shin E.S. (2017) Diagnostic Performance of a Novel Method for Fractional Flow Reserve Computed from Noninvasive Computed Tomography Angiography (NOVEL-FLOW Study) The American Journal of Cardiology, 120(3):362-368. This study was aimed at reducing the complexity of the computational method, which led to a reduction in the average time to provide results to 185 minutes. In said document, boundary conditions were calculated using estimated blood pressure waveforms obtained by fitting a function obtained from simulation studies to experimental data such as systolic blood pressure, diastolic blood pressure, and heart rate. The document does not unambiguously disclose whether the systolic blood pressure, diastolic blood pressure and heart rate parameters were obtained in a non-invasive manner. A three-dimensional model of the coronary arteries was obtained in a non-invasive way using a coronary computed tomographic angiogram (CCT). The method offers good accuracy compared to known methods.

Пример способа, реализующего вычисление CFD и инвазивные исследования, был раскрыт в следующем документе: Kousera С.А., Nijjer S., Torii R., Petraco R., Sen S., Foin N., Hughes A.D., Francis D.P., Xu X.Y., Davies J.E. (2014) Patient-specific coronary stenoses can be modeled using a combination of ОСТ and flow velocities to accurately predict hyperemic pressure gradients IEEE Transactions on Bio-medical Engineering, 61(6): 1902-1913. Это исследование было направлено на обеспечение специфического для пациента числового исследования, сочетающего результаты высокоточного способа воссоздания, представляющего собой оптическую когерентную томографию (ОСТ), с ангиограммой и специфическими для пациента формами волн давления и скорости. Ангиограмма, ОСТ и измерения давления проводились с использованием катетеров и, следовательно, инвазивным способом. Авторы этого исследования признали ограничения этого способа, связанные с инвазивными измерениями и с необходимостью ручной обработки данных, т.е. указанный способ не был автоматизирован. Однако в этом документе не предлагается использовать неинвазивные способы измерения. Полученные симуляции хорошо коррелировали с экспериментальными данными.An example of a method implementing CFD calculation and invasive examinations has been disclosed in the following document: Kousera C.A., Nijjer S., Torii R., Petraco R., Sen S., Foin N., Hughes A.D., Francis D.P., Xu X.Y. , Davies J.E. (2014) Patient-specific coronary stenoses can be modeled using a combination of OCT and flow velocities to accurately predict hyperemic pressure gradients IEEE Transactions on Bio-medical Engineering, 61(6): 1902-1913. This study was aimed at providing a patient-specific numerical study combining the results of a highly accurate optical coherence tomography (OCT) reconstruction technique with an angiogram and patient-specific pressure and velocity waveforms. Angiogram, OCT and pressure measurements were performed using catheters and therefore in an invasive manner. The authors of this study acknowledged the limitations of this method due to invasive measurements and the need for manual data processing, ie. this method was not automated. However, this document does not propose the use of non-invasive measurement methods. The resulting simulations correlated well with the experimental data.

Краткое описание графических материаловBrief description of graphic materials

Подробное описание приводится со ссылкой на прилагаемые графические материалы. Графические материалы предоставлены только в целях иллюстрации и просто изображают примеры вариантов осуществления настоящего изобретения. Графические материалы предоставлены для облегчения понимания настоящего изобретения и не должны рассматриваться как ограничивающие сферу, объем или применимость настоящего изобретения. На графических материалах крайняя левая цифра (крайние левые цифры) ссылочного номера может (могут) идентифицировать графический материал, на котором ссылочный номер появляется впервые. Использование одинаковых ссылочных номеров указывает на подобные, но не обязательно одинаковые или идентичные компоненты. Однако для идентификации подобных компонентов также могут использоваться разные ссылочные номера. В различных вариантах осуществления могут использоваться элементы или компоненты, отличные от тех, что проиллюстрированы на графических материалах, и некоторые элементы и/или компоненты могут отсутствовать в различных вариантах осуществления. Использование терминологии в единственном числе для описания компонента или элемента может в зависимости от контекста охватывать множественное число таких компонентов или элементов иA detailed description is given with reference to the accompanying drawings. The drawings are provided for illustrative purposes only and merely depict exemplary embodiments of the present invention. The drawings are provided to facilitate understanding of the present invention and should not be construed as limiting the scope, scope or applicability of the present invention. On drawings, the leftmost digit(s) of the reference number may (may) identify the drawing on which the reference number first appears. The use of like reference numbers indicates like, but not necessarily the same or identical components. However, different reference numbers may also be used to identify such components. In various embodiments, elements or components other than those illustrated in the drawings may be used, and some elements and/or components may not be present in various embodiments. The use of singular terminology to describe a component or element may, depending on the context, encompass the plural of such components or elements, and

- 1 042942 наоборот.- 1 042942 vice versa.

Фиг. 1 - схематическое изображение способа специфического для пациента моделирования гемодинамических параметров в коронарных артериях в соответствии с одним или несколькими примерами вариантов осуществления настоящего изобретения.Fig. 1 is a schematic representation of a method for patient-specific modeling of hemodynamic parameters in the coronary arteries in accordance with one or more exemplary embodiments of the present invention.

Фиг. 2 - блок-схема способа специфического для пациента моделирования гемодинамических параметров в коронарных артериях в соответствии с одним или несколькими примерами вариантов осуществления настоящего изобретения.Fig. 2 is a flow diagram of a method for patient-specific modeling of hemodynamic parameters in the coronary arteries in accordance with one or more exemplary embodiments of the present invention.

Фиг. 3 - примерная запись электрокардиограммы пациента.Fig. 3 is an exemplary recording of a patient's electrocardiogram.

Фиг. 4 - примерная периодограмма Ломба-Скаргла сердечного цикла пациента.Fig. 4 is an exemplary Lomb-Scargle periodogram of a patient's cardiac cycle.

Фиг. 5 - схематическое представление трехкомпонентной модели для использования при определении граничных условий коронарного кровообращения.Fig. 5 is a schematic representation of a three-component model for use in determining coronary circulation boundary conditions.

На фиг. 6 проиллюстрированы четыре разные модели Виндкесселя, конкретно двух-, трех-, четырех- и пятиэлементные модели Виндкесселя (2WM, 3WM, 4WM, 5WM), подходящие для использования в модели компонентов системы кровообращения (BCS).In FIG. 6 illustrates four different Windkessel models, specifically two-, three-, four-, and five-element Windkessel models (2WM, 3WM, 4WM, 5WM) suitable for use in a circulatory system (BCS) component model.

На фиг. 7 проиллюстрированы несколько функциональных блоков (а-с) и примерная многоблочная система (d), состоящая из функционального блока (b), для использования в модели компонентов системы кровообращения (BCS).In FIG. 7 illustrates several functional blocks (a-c) and an exemplary multi-block system (d) consisting of a functional block (b) for use in a circulatory system (BCS) component model.

На фиг. 8 проиллюстрированы модель системы кровообращения (BCS), содержащая элементы большого круга и малого круга кровообращения, и ее отношение к компоненту HPV.In FIG. 8 illustrates a circulatory system (BCS) model containing systemic and pulmonary circulation elements and its relationship to the HPV component.

На фиг. 9 проиллюстрирован функциональный блок сосредоточенных параметров, содержащий параметры сопротивления, инерционности и емкости (RLC), который подходит для использования в модели компонентов системы кровообращения (BCS).In FIG. 9 illustrates a lumped parameter function block containing resistance, inertia, and capacitance (RLC) parameters that is suitable for use in a circulatory system (BCS) component model.

На фиг. 10 проиллюстрированы схематические изображения (а) петли давление-объем желудочка сердца, (b) давления в аорте, представленного на графике как функция времени, и (с) желудочкового объема, представленного на графике как функция времени.In FIG. 10 illustrates schematic diagrams of (a) a ventricular pressure-volume loop, (b) aortic pressure plotted as a function of time, and (c) ventricular volume plotted as a function of time.

На фиг. 11 проиллюстрированы функциональный блок (а) и вся модель (b) компонентов зависимости давление-объем сердца (HPV).In FIG. 11 illustrates the functional block (a) and the entire model (b) of the heart pressure-volume (HPV) components.

Фиг. 12 - график, на котором показаны воссозданные специфические для пациента объем и давление желудочка сердца во время пяти сердечных циклов.Fig. 12 is a graph showing the reconstructed patient-specific ventricular volume and pressure during five cardiac cycles.

На фиг. 13 проиллюстрирована общая концепция модели коронарного кровотока (CBF).In FIG. 13 illustrates the general concept of the coronary blood flow (CBF) model.

На фиг. 14 проиллюстрированы шесть примерных моделей, подходящих для использования в модели компонентов коронарного кровотока (CBF).In FIG. 14 illustrates six exemplary models suitable for use in a coronary blood flow (CBF) component model.

На фиг. 15 проиллюстрированы пять разных функциональных блоков (а)-(е), подходящих для использования в многосекционной модели коронарного кровотока (CBF).In FIG. 15 illustrates five different functional blocks (a)-(e) suitable for use in a multisectional coronary flow (CBF) model.

На фиг. 16 проиллюстрирован набор параметров функционального блока, подходящего для использования в модели компонентов коронарного кровотока (CBF).In FIG. 16 illustrates a set of function block parameters suitable for use in a coronary blood flow (CBF) component model.

На фиг. 17 проиллюстрирована многослойная/многосекционная модель сосредоточенных параметров с описывающими параметрами, подходящая для использования в модели компонентов коронарного кровотока (CBF).In FIG. 17 illustrates a multi-layer/multi-section lumped parameter model with descriptive parameters suitable for use in a coronary blood flow (CBF) component model.

На фиг. 18 подробно проиллюстрирована трехкомпонентная модель для использования при определении граничных условий коронарного кровообращения, содержащая: компонент модели системы кровообращения (BCS) (малый круг и большой круг кровообращения), компонент модели зависимости давление-объем сердца (HPV) и компонент модели коронарного кровотока (CBF).In FIG. 18 illustrates in detail a three-component model for use in defining coronary circulation boundary conditions, containing: a circulatory system (BCS) model component (pulmonary and systemic circulation), a heart pressure-volume (HPV) model component, and a coronary blood flow (CBF) model component. .

Фиг. 19 - пример трехмерной сетки части кровеносного сосуда пациента.Fig. 19 is an example of a 3D mesh of a portion of a patient's blood vessel.

На фиг. 20 проиллюстрировано схематическое представление для определения граничных условий притока и оттока коронарного кровообращения.In FIG. 20 illustrates a schematic representation for determining the inflow and outflow boundary conditions of the coronary circulation.

Фиг. 21 - блок-схема способа специфического для пациента моделирования гемодинамических параметров в коронарных артериях с использованием симуляции устойчивого состояния в соответствии с одним или несколькими примерами вариантов осуществления настоящего изобретения.Fig. 21 is a flow diagram of a method for patient-specific modeling of hemodynamic parameters in coronary arteries using steady state simulation, in accordance with one or more exemplary embodiments of the present invention.

Фиг. 22 - блок-схема способа специфического для пациента моделирования гемодинамических параметров в коронарных артериях с использованием симуляции устойчивого состояния в соответствии с одним или несколькими примерами вариантов осуществления настоящего изобретения.Fig. 22 is a flow diagram of a method for patient-specific modeling of hemodynamic parameters in coronary arteries using steady state simulation, in accordance with one or more exemplary embodiments of the present invention.

Фиг. 23 - блок-схема способа специфического для пациента моделирования гемодинамических параметров в коронарных артериях с использованием симуляции переходных состояний в соответствии с одним или несколькими примерами вариантов осуществления настоящего изобретения.Fig. 23 is a flow diagram of a method for patient-specific modeling of hemodynamic parameters in coronary arteries using transient simulation, in accordance with one or more exemplary embodiments of the present invention.

Фиг. 24 - блок-схема способа специфического для пациента моделирования гемодинамических параметров в коронарных артериях с использованием симуляции переходных состояний в соответствии с одним или несколькими примерами вариантов осуществления настоящего изобретения.Fig. 24 is a flow diagram of a method for patient-specific modeling of hemodynamic parameters in coronary arteries using transient simulation, in accordance with one or more exemplary embodiments of the present invention.

Фиг. 25 - кривая рабочих характеристик приемника (ROC), сравнивающая результаты фракционного резерва потока (FFR), полученные с использованием варианта трехкомпонентной модели, с реальными результатами.Fig. 25 is a receiver performance curve (ROC) comparing fractional flux reserve (FFR) results obtained using a variant of the three-component model with actual results.

- 2 042942- 2 042942

Подробное описаниеDetailed description

Настоящее изобретение относится, среди прочего, к устройствам, системам, способам, машиночитаемым носителям, методам и методикам для неинвазивного специфического для пациента моделирования кровотока коронарной артерии на основе объемных данных визуализации и данных о непрерывном артериальном давлении. Объемные данные о коронарных артериях пациента могут быть собраны с использованием неинвазивных методов медицинской визуализации, таких как компьютерная томографическая ангиограмма (СТА) или магнитно-резонансная ангиограмма (MRA). Объемные данные могут быть использованы для создания анатомической модели коронарных артерий пациента, подходящей для симуляции вычислительной гидродинамики (CFD). Данные о непрерывном артериальном давлении могут быть получены с использованием неинвазивных методов. Данные о непрерывном артериальном давлении могут быть использованы для определения граничных условий для симуляции CFD. Специфические для пациента симуляции CFD могут быть выполнены с использованием анатомической модели коронарной артерии, причем граничные условия входа и выхода определены на основе данных о непрерывном артериальном давлении. Специфические для пациента гемодинамические параметры в коронарных артериях могут быть получены на основе симуляций CFD и могут быть использованы для характеристики/оценки сердечно-сосудистого заболевания, такой как функциональная оценка стеноза у пациента.The present invention relates, inter alia, to devices, systems, methods, computer-readable media, methods and techniques for non-invasive patient-specific modeling of coronary artery flow based on volumetric imaging data and continuous blood pressure data. Volumetric data on a patient's coronary arteries can be collected using non-invasive medical imaging techniques such as computed tomographic angiogram (CT) or magnetic resonance angiogram (MRA). Volumetric data can be used to create an anatomical model of the patient's coronary arteries suitable for computational fluid dynamics (CFD) simulation. Continuous blood pressure data can be obtained using non-invasive methods. The continuous blood pressure data can be used to determine the boundary conditions for CFD simulation. Patient-specific CFD simulations can be performed using an anatomical model of a coronary artery, with entry and exit boundary conditions determined based on continuous blood pressure data. Patient-specific hemodynamic parameters in the coronary arteries can be derived from CFD simulations and can be used to characterize/assess cardiovascular disease, such as functional assessment of stenosis in a patient.

Симуляция CFD может быть выполнена с использованием специфической для пациента анатомической модели коронарной артерии, полученной на основе данных медицинской визуализации, и специфических для пациента граничных условий, полученных на основе данных о непрерывном артериальном давлении, для определения специфических для пациента гемодинамических параметров в коронарных артериях пациента. В вариантах осуществления трехкомпонентная модель может быть использована для определения граничных условий притока коронарной артерии для симуляции CFD. Трехкомпонентная модель может содержать компонент системы кровообращения (BCS), который описывает большой круг и малый круг кровообращения, компонент зависимости давление-объем камер сердца (HPV), который описывает зависимость между желудочковыми или предсердными давлением и объемом, и компонент коронарного кровотока (CBF), который описывает кровообращение коронарного дерева. Трехкомпонентная модель может обеспечивать возможность определения формы волны объемного расхода на входе коронарных артерий пациента. Определенная форма волны объемного расхода на входе коронарных артерий пациента может быть использована для определения граничных условий оттока коронарной артерии для симуляции CFD. Например, форма волны объемного расхода на входе коронарных артерий пациента может быть использована для определения формы волны объемного расхода на выходе коронарных артерий пациента с использованием закона Мюррея или подобного закона аллометрического масштабирования (см. Sherman T (1981) On connecting large vessels to small - the meaning of Murray's law. Journal of General Physiology, 78(4): 431-453).CFD simulation can be performed using a patient-specific anatomical model of a coronary artery derived from medical imaging data and patient-specific boundary conditions derived from continuous blood pressure data to determine patient-specific hemodynamic parameters in the patient's coronary arteries. In embodiments, a three-component model may be used to determine coronary artery inflow boundary conditions for CFD simulation. A three-component model may contain a circulatory system (BCS) component that describes the systemic and pulmonary circulations, a chamber pressure-volume (HPV) component that describes the relationship between ventricular or atrial pressure and volume, and a coronary blood flow (CBF) component. which describes the circulation of the coronary tree. The three-component model may provide the ability to determine the volumetric flow waveform at the inlet of a patient's coronary arteries. The determined volume flow waveform at the inlet of the patient's coronary arteries can be used to determine the coronary artery outflow boundary conditions for CFD simulation. For example, a patient's coronary inlet volume flow waveform can be used to determine the patient's coronary outlet volume flow waveform using Murray's law or a similar allometric scaling law (see Sherman T (1981) On connecting large vessels to small - the meaning of Murray's law, Journal of General Physiology, 78(4): 431-453).

Специфическое для пациента моделирование кровотока коронарной артерии в соответствии с настоящим изобретением может использовать методы, которые предоставляют преимущества над существующими способами. Например, созданная специфическая для пациента анатомическая модель может моделировать только коронарные артерии пациента. То есть созданная специфическая для пациента анатомическая модель может не предусматривать, например, воссоздание аорты пациента или оценку объема камеры сердца. Это может снизить числовую сложность и время симуляции. Дополнительно граничные условия могут быть получены на основе данных о неинвазивно измеренном непрерывном артериальном давлении. Преимущества использования данных о давлении для получения граничных условий включают простоту, с которой давление может быть измерено, относительно других параметров, как правило, используемых для определения граничных условий (например, скорость, поток массы), и надежность измерений давления, которые не искажаются погрешностью, превышающей допустимую, даже при измерении неинвазивно и в месте, удаленном от сердца.Patient-specific modeling of coronary artery flow in accordance with the present invention may use methods that provide advantages over existing methods. For example, a patient-specific anatomical model created can only model the patient's coronary arteries. That is, the created patient-specific anatomical model may not, for example, recreate the patient's aorta or estimate the volume of the heart chamber. This can reduce numerical complexity and simulation time. Additionally, boundary conditions can be derived from non-invasively measured continuous blood pressure data. The advantages of using pressure data to derive boundary conditions include the ease with which pressure can be measured relative to other parameters typically used to determine boundary conditions (e.g. velocity, mass flow) and the reliability of pressure measurements that are not corrupted by error, exceeding the allowable, even when measured non-invasively and in a place remote from the heart.

В настоящем изобретении ссылка осуществляется на моделирование коронарных артерий и кровотока коронарной артерии. Следует понимать, что коронарные артерии могут предусматривать не только две главные коронарные артерии, но также артериальные ветви, отходящие от них, и любые бляшки, содержащиеся в них, если в контексте ясно не указано иное.In the present invention, reference is made to modeling the coronary arteries and coronary artery blood flow. It should be understood that the coronary arteries may include not only the two main coronary arteries, but also the arterial branches extending from them, and any plaques contained therein, unless the context clearly indicates otherwise.

На фиг. 1 и 2 проиллюстрирован способ 100 специфического для пациента моделирования гемодинамических параметров в коронарных артериях в соответствии с одним или несколькими примерами вариантов осуществления настоящего изобретения. Способ 100 может быть выполнен на компьютере или в компьютерной системе.In FIG. 1 and 2 illustrate a method 100 for patient-specific modeling of hemodynamic parameters in coronary arteries in accordance with one or more exemplary embodiments of the present invention. Method 100 may be performed on a computer or on a computer system.

Компьютер может содержать один или несколько энергонезависимых машиночитаемых носителей данных, которые хранят инструкции, которые при исполнении процессором могут выполнять любое из действий, описанных в настоящем документе, для специфического для пациента моделирования гемодинамических параметров в коронарных артериях. Компьютер может представлять собой или компьютерная система может содержать настольный или портативный компьютер, мобильное устройство (например, смартфон), облачную вычислительную систему, сервер или любой другой компьютер. Компьютер может содержать процессор, постоянное запоминающее устройство (ROM), оперативное запоминающее устройство (RAM), адаптер ввода/вывода (I/O) для подключения периферийных устройств (например,The computer may include one or more non-volatile computer-readable storage media that store instructions that, when executed by a processor, can perform any of the actions described herein for patient-specific modeling of hemodynamic parameters in the coronary arteries. The computer may be, or the computer system may comprise, a desktop or laptop computer, a mobile device (eg, a smartphone), a cloud computing system, a server, or any other computer. A computer may contain a processor, read-only memory (ROM), random access memory (RAM), an input/output (I/O) adapter for connecting peripheral devices (for example,

- 3 042942 устройства ввода, устройства вывода, устройства хранения данных и т.д.), адаптер пользовательского интерфейса для подключения устройств ввода, таких как клавиатура, мышь, сенсорный экран и/или другие устройства, адаптер связи для подключения компьютера к сети и адаптер дисплея для подключения компьютера к дисплею. Дисплей может быть использован для отображения любых вычисленных гемодинамических параметров пользователю (например, отображения изображений или трехмерных моделей коронарных артерий пациента, поверх которых показаны определенные гемодинамические параметры).- 3 042942 input devices, output devices, data storage devices, etc.), a user interface adapter for connecting input devices such as a keyboard, mouse, touch screen and / or other devices, a communication adapter for connecting a computer to a network and an adapter display to connect a computer to the display. The display may be used to display any calculated hemodynamic parameters to the user (eg, displaying images or 3D models of a patient's coronary arteries over which certain hemodynamic parameters are shown).

На этапе 102 компьютерная система может принимать специфические для пациента данные об анатомической структуре. Компьютерная система может принимать специфические для пациента данные об анатомической структуре (например, данные изображения, полученные с помощью сканера СТ или рентгеновского аппарата) по сети связи и/или от машиночитаемого носителя данных.At 102, the computer system may receive patient-specific anatomical structure data. The computer system may receive patient-specific anatomy data (eg, image data obtained with a CT scanner or x-ray machine) over a communications network and/or from a computer-readable storage medium.

Специфические для пациента данные об анатомической структуре могут представлять собой двухмерные или трехмерные изображения (объемы) системы кровообращения пациента. Изображения могут содержать по меньшей мере часть или всю протяженность коронарных артерий пациента. Изображения могут содержать или не содержать другие анатомические структуры, такие как сердце, аорта пациента и т.п. Специфические для пациента данные об анатомической структуре могут быть получены неинвазивно с использованием различных неинвазивных способов медицинской визуализации. Например, данные могут быть получены с использованием компьютерной томографии (СТ), компьютерной томографической ангиограммы (СТА), магнитно-резонансной визуализации (MRI) или магнитно-резонансной ангиограммы (MRA). Альтернативно специфические для пациента данные об анатомической структуре могут быть получены с использованием различных инвазивных способов визуализации, таких как ротационная ангиограмма, динамическая ангиограмма или цифровая субтракционная ангиограмма.Patient-specific anatomical data may be 2D or 3D images (volumes) of the patient's circulatory system. The images may include at least part or all of the patient's coronary arteries. The images may or may not contain other anatomical structures such as the patient's heart, aorta, and the like. Patient-specific data on the anatomical structure can be obtained non-invasively using various non-invasive medical imaging techniques. For example, data can be obtained using computed tomography (CT), computed tomographic angiogram (CT), magnetic resonance imaging (MRI), or magnetic resonance angiogram (MRA). Alternatively, patient-specific data on the anatomical structure can be obtained using various invasive imaging modalities such as rotational angiogram, dynamic angiogram, or digital subtraction angiogram.

Принятые специфические для пациента данные об анатомической структуре могут быть предварительно обработаны пользователем и/или компьютерной системой перед последующим использованием. Предварительная обработка может включать, например, проверку на рассовмещение, несоответствия или размытость в собранных данных изображения, проверку на наличие стентов, показанных в собранных данных изображения, проверку на наличие других артефактов, которые могут препятствовать видимости просветов коронарных артерий, проверку достаточности контраста между анатомическими структурами (например, аортой, главными коронарными артериями, другими кровеносными сосудами и другими частями пациента). Во время предварительной обработки пользователь и/или компьютерная система могут иметь возможность исправить некоторые ошибки или проблемы, связанные с данными. Предварительная обработка может также включать использование методов обработки изображения в отношении принятых специфических для пациента данных об анатомической структуре для подготовки данных к использованию при генерировании анатомической модели (например, подготовки данных к сегментированию). Обработка изображения может включать, например, регулировку уровней контраста между разными анатомическими структурами (например, сердцем, аортой, коронарными артериями, другой сосудистой сетью, атеросклеротическими бляшками и т.д.) на изображениях, сглаживание анатомических структур (например, применение сглаживающего фильтра) и т.п. На этапе 104 компьютерная система может принимать специфические для пациента физиологические данные. Компьютерная система может принимать специфические для пациента физиологические данные по сети связи и/или от машиночитаемого носителя данных. Специфические для пациента физиологические данные могут включать данные о непрерывном артериальном давлении (например, непрерывно записываемую форму волны кровяного давления). Непрерывное артериальное кровяное давление является изменяющимся во времени и измеряется в режиме реального времени без каких-либо прерываний (например, непрерывно). В некоторых вариантах осуществления непрерывно записываемая форма волны кровяного давления может быть получена в течение периода времени, составляющего приблизительно одну (1) минуту, или периода времени, находящегося в диапазоне от одной (1) минуты до двух (2) минут, хотя могут быть использованы и другие непрерывные периоды времени. Данные о непрерывном артериальном давлении могут быть получены без чрескожной процедуры (например, неинвазивно). Например, данные могут быть получены с использованием монитора Nexfin™, монитора ClearSight™, монитора CNAP™, монитора Finapres® NOVA, или последующих систем (например, мониторов Finometer® и Portapres®), или других подобных неинвазивных устройств измерения непрерывного артериального давления. Альтернативно данные о непрерывном артериальном давлении могут быть получены с использованием различных инвазивных способов, таких как артериальная катетеризация. Данные о непрерывном артериальном давлении могут подвергаться обработке данных (например, обработке сигнала) для подготовки данных к использованию при определении граничных условий для симуляции CFD и/или симуляции кровотока в анатомической модели с использованием CFD. Например, сигналы давления могут быть извлечены из данных о непрерывном артериальном давлении.The received patient-specific anatomical structure data may be pre-processed by the user and/or a computer system prior to subsequent use. Pre-processing may include, for example, checking for misregistration, inconsistencies, or blurring in the collected image data, checking for stents shown in the collected image data, checking for other artifacts that may interfere with the visibility of the coronary artery lumen, checking for sufficient contrast between anatomical structures (eg, aorta, major coronary arteries, other blood vessels, and other parts of the patient). During pre-processing, the user and/or the computer system may be able to correct some errors or problems associated with the data. Pre-processing may also include the use of image processing techniques on the received patient-specific anatomical structure data to prepare the data for use in generating an anatomical model (eg, preparing data for segmentation). Image processing may include, for example, adjusting contrast levels between different anatomical structures (eg, heart, aorta, coronary arteries, other vasculature, atherosclerotic plaques, etc.) in images, smoothing anatomical structures (eg, applying a smoothing filter), and etc. At 104, the computer system may receive patient-specific physiological data. The computer system may receive patient-specific physiological data over a communications network and/or from a computer-readable storage medium. The patient-specific physiological data may include continuous blood pressure data (eg, a continuously recorded blood pressure waveform). Continuous arterial blood pressure is time-varying and is measured in real time without any interruption (eg, continuously). In some embodiments, a continuously recorded blood pressure waveform may be obtained over a period of approximately one (1) minute, or a period of time ranging from one (1) minute to two (2) minutes, although and other continuous periods of time. Continuous blood pressure data can be obtained without a percutaneous procedure (eg, non-invasively). For example, data may be acquired using a Nexfin™ monitor, ClearSight™ monitor, CNAP™ monitor, Finapres® NOVA monitor, or subsequent systems (eg, Finometer® and Portapres® monitors), or other similar non-invasive continuous blood pressure measurement devices. Alternatively, continuous blood pressure data can be obtained using various invasive methods such as arterial catheterization. The continuous blood pressure data may be subjected to data processing (eg, signal processing) to prepare the data for use in determining boundary conditions for CFD simulation and/or blood flow simulation in an anatomical model using CFD. For example, pressure signals may be derived from continuous blood pressure data.

Специфические для пациента физиологические данные могут включать физиологические данные, отличные от данных о непрерывном артериальном давлении, такие как электрическая активность сердца пациента, исходная частота ударов сердца, рост, вес, гематокрит, ударный объем и т.п. В целом любые физиологические данные могут подвергаться обработке данных (например, обработке сигнала) для под- 4 042942 готовки данных к использованию при определении граничных условий для симуляции CFD и/или симуляции кровотока в анатомической модели с использованием CFD.Patient-specific physiological data may include physiological data other than continuous blood pressure data, such as the patient's heart electrical activity, baseline heart rate, height, weight, hematocrit, stroke volume, and the like. In general, any physiological data may be subjected to data processing (eg, signal processing) to prepare the data for use in determining boundary conditions for CFD simulation and/or blood flow simulation in an anatomical model using CFD.

Физиологические данные могут предусматривать, например, непрерывную запись сигнала электрокардиографии (ECG) от пациента, пример чего показан на фиг. 3. Сигнал ECG может быть использован для непосредственного воссоздания временных параметров сердечного цикла, таких как вариабельность частоты ударов сердца (например, кардиоинтервал). В примере по фиг. 3 вычисленный средний кардиоинтервал для записи пациента составляет 0,897 с. Кардиоинтервал может быть использован, например, при определении граничных условий для симуляции CFD.Physiological data may include, for example, continuous recording of the electrocardiography (ECG) signal from the patient, an example of which is shown in FIG. 3. The ECG signal can be used to directly recreate the temporal parameters of the cardiac cycle, such as heart rate variability (eg, cardio interval). In the example of FIG. 3, the calculated average cardio interval for patient recording is 0.897 s. The cardio interval can be used, for example, when defining the boundary conditions for a CFD simulation.

Физиологические данные могут включать, например, динамику давления в аорте. Динамика давления в аорте может быть использована для опосредованного определения временных параметров сердечного цикла, когда сигнал ECG пациента недоступен, хотя она немного менее точная по сравнению с ECG. Алгоритм Ломба-Скаргла может быть использован для создания периодограммы Ломба-Скаргла сердечного цикла пациента на основе динамики давления в аорте, пример чего показан на фиг. 4. Алгоритм Ломба-Скаргла может быть использован для поиска и проверки значимости слабых периодических сигналов с неравномерной временной выборкой (см. Townsend RHD (2010) Fast calculation of the LombScargle periodogram using graphics processing units. The Astrophysical Journal, Supplement Series, Vol. 191, 247-253). В примере по фиг. 4 вычисленный кардиоинтервал для записи давления пациента с использованием алгоритма Ломба-Скаргла составляет 0,901 с. Кардиоинтервал, вычисленный с использованием алгоритма Ломба-Скаргла, немного отличается от кардиоинтервала, определенного на основе данных ECG, но разница составляет менее 0,5%. На этапе 106 компьютерная система может генерировать специфическую для пациента анатомическую модель коронарных артерий пациента на основе принятых специфических для пациента данных об анатомической структуре. Специфическая для пациента анатомическая модель может представлять собой трехмерную геометрическую модель коронарных артерий пациента. Созданная специфическая для пациента анатомическая модель может моделировать только коронарные артерии пациента. То есть созданная специфическая для пациента анатомическая модель может не предусматривать, например, воссоздание сердца, аорты, сосудистой сети, не связанной с коронарной артерией, пациента или других тканей. Принятые специфические для пациента данные об анатомической структуре (например, анатомические изображения) могут включать области переменной оптической плотности, которые соответствуют разным анатомическим структурам, таким как аорта, главные коронарные артерии, коронарные артериальные ветви, миокард и т.п. Местоположения поверхностей анатомической структуры могут быть определены на основе контраста (например, относительно темных и светлых участков) между разными анатомическими структурами. Контраст между анатомическими структурами может также обеспечивать выборочное моделирование некоторых анатомических признаков (например, коронарных артерий) с одновременным исключением других анатомических признаков из сгенерированной модели (например, сердца).Physiological data may include, for example, the dynamics of pressure in the aorta. Aortic pressure dynamics can be used to indirectly determine the timing of the cardiac cycle when the patient's ECG signal is not available, although it is slightly less accurate than ECG. The Lomb-Skargle algorithm can be used to generate a Lomb-Skargle periodogram of a patient's cardiac cycle based on aortic pressure dynamics, an example of which is shown in FIG. 4. The LombScargle algorithm can be used to find and test the significance of weak periodic signals with non-uniform time sampling (see Townsend RHD (2010) Fast calculation of the LombScargle periodogram using graphics processing units. The Astrophysical Journal, Supplement Series, Vol. 191 , 247-253). In the example of FIG. 4, the computed cardio interval for recording the patient's pressure using the Lomb-Skargle algorithm is 0.901 s. The CV interval calculated using the Lomb-Skargle algorithm differs slightly from the CV interval determined from ECG data, but the difference is less than 0.5%. At step 106, the computer system may generate a patient-specific anatomical model of the patient's coronary arteries based on the received patient-specific anatomical data. The patient-specific anatomical model may be a three-dimensional geometric model of the patient's coronary arteries. The created patient-specific anatomical model can only model the patient's coronary arteries. That is, the patient-specific anatomical model created may not, for example, recreate the heart, aorta, non-coronary vasculature, patient, or other tissues. The received patient-specific anatomical data (eg, anatomical images) may include regions of variable optical density that correspond to different anatomical structures such as the aorta, major coronary arteries, coronary arterial branches, myocardium, and the like. The locations of anatomical structure surfaces can be determined based on the contrast (eg, relatively dark and light areas) between different anatomical structures. The contrast between anatomical structures can also allow selective modeling of some anatomical features (eg, coronary arteries) while excluding other anatomical features from the generated model (eg, heart).

Процесс образования специфической для пациента анатомической модели в целом называется сегментированием. Сегментирование может быть выполнено автоматически компьютерной системой с вводом пользователя или без него. Чтобы сгенерировать специфическую для пациента анатомическую модель, коронарные артерии могут быть сегментированы в специфические для пациента данные об анатомической структуре с использованием любого подходящего способа сегментирования коронарной артерии. Способы генерирования анатомической модели коронарных артерий пациента (например, способы сегментирования коронарной артерии) описаны, например, в следующих документах: заявках на патент США № 2010/006776 и № 2012/0072190, а также патентах США № 7860290, № 7953266 и № 8315812, каждый из которых включен в настоящий документ посредством ссылки во всей своей полноте для всех целей. Сегментированные коронарные артерии могут быть просмотрены и/или исправлены компьютерной системой и/или пользователем при необходимости (например, для исправления сегментирования, если имеются какие-либо ошибки, например, пропущенные или неточные коронарные артерии или ветви, проходящие от них).The process of forming a patient-specific anatomical model as a whole is called segmentation. The segmentation may be performed automatically by the computer system with or without user input. To generate a patient-specific anatomical model, the coronary arteries may be segmented into patient-specific anatomical data using any suitable coronary artery segmentation technique. Methods for generating an anatomical model of a patient's coronary arteries (for example, methods for segmenting a coronary artery) are described, for example, in the following documents: US patent applications No. 2010/006776 and No. 2012/0072190, as well as US patents No. 7860290, No. each of which is incorporated herein by reference in its entirety for all purposes. Segmented coronary arteries can be viewed and/or corrected by the computer system and/or the user as needed (eg, to correct segmentation if there are any errors, such as omitted or inaccurate coronary arteries or branches extending from them).

Специфическая для пациента анатомическая модель (например, трехмерная геометрическая модель) может быть представлена как поверхностная сетка. Поверхностная сетка может представлять внешнюю границу сегментированных структур, так что их форма представлена как набор соединенных вершин (например, сетка). Путем использования такого представления ограничения формы могут быть наложены с использованием показателей или статистики формы на основе сетки. Деформируемая модель, такая как активная сеточная модель (АММ) (см. Dufour, A. et al., Segmenting and tracking fluorescent cells in dynamic 3-D microscopy with coupled active surfaces. IEEE Transactions on Image Processing, 14(9), 1396-1410, 2005; Dufour, A. et al., J.-C. 3-D active meshes: fast discrete deformable models for cell tracking in 3-D timelapse microscopy. IEEE Transactions on Image Processing, 20(7), 1925-1937, 2011), может представлять собой начальную точку для создания специфической для пациента анатомической модели. АММ представляет собой трехмерное расширение активной контурной модели (АСМ), используемой в методах анализа изображения (см. Kass, M. et al., Active contour models. Int. J. of Computer Vision 1(4), 321-331, 1988). В способах на основе АММ сегментированные структуры могут быть представлены как закрытые поверхности (передние части, сетки), которые усовершенствуются со скоростью, вычисляемой как на основеA patient-specific anatomical model (eg, a 3D geometric model) can be represented as a surface mesh. A surface mesh may represent the outer boundary of segmented structures such that their shape is represented as a set of connected vertices (eg, a mesh). By using such a representation, shape constraints can be imposed using grid-based shape scores or statistics. A deformable model such as an active mesh model (AMM) (see Dufour, A. et al., Segmenting and tracking fluorescent cells in dynamic 3-D microscopy with coupled active surfaces. IEEE Transactions on Image Processing, 14(9), 1396 -1410, 2005; Dufour, A. et al., J.-C. 3-D active meshes: fast discrete deformable models for cell tracking in 3-D timelapse microscopy, IEEE Transactions on Image Processing, 20(7), 1925 -1937, 2011) may represent a starting point for creating a patient-specific anatomical model. AMM is a three-dimensional extension of the active contour model (ACM) used in image analysis techniques (see Kass, M. et al., Active contour models. Int. J. of Computer Vision 1(4), 321-331, 1988) . In AMM-based methods, segmented structures can be represented as closed surfaces (fronts, grids) that advance at a rate computed as based on

- 5 042942 данных, зависящих от изображения, так и на основе геометрических свойств, не зависящих от изображения.- 5 042942 image-dependent data and based on image-independent geometric properties.

В вариантах осуществления процесс образования специфической для пациента анатомической модели может включать, например, сегментирование видимых бляшек в коронарных артериях с использованием способа на основе АММ, выбор компьютером и/или пользователем корневых точек (например, начальных точек) для левой и правой коронарных артерий, сегментирование коронарных артерий с использованием способа на основе АММ и выбранных корневых точек, а также подтверждение и/или исправление геометрии сегментированных бляшек и артерий.In embodiments, the process of generating a patient-specific anatomical model may include, for example, segmenting visible plaques in the coronary arteries using an AMM-based method, computer and/or user selection of root points (e.g., starting points) for the left and right coronary arteries, segmenting coronary arteries using the method based on AMM and selected root points, as well as confirmation and/or correction of the geometry of segmented plaques and arteries.

После сегментирования пользователь и/или компьютерная система может осуществлять последующую обработку специфической для пациента анатомической модели для подготовки модели к симуляциям CFD. Это может включать, например, определение центральных линий для коронарных артерий и их ветвей, определение площадей поперечного сечения коронарных артерий и их ветвей, создание моделей границ притока (например, границ, через которые поток направляется в коронарные артерии) и границ оттока (например, границ, через которые поток направляется из коронарных артерий и/или ветвей коронарных артерий) так, что границы притока и границы оттока перпендикулярны определенным центральным линиям, что тем самым позволяет применять граничное условие и сглаживает модель (например, сглаживает какие-либо гребни, точки и т.д.). Последующая обработка специфической для пациента анатомической модели может быть просмотрена и/или исправлена компьютерной системой и/или пользователем при необходимости. На этапе 108 компьютерная система может определять граничные условия для симуляции вычислительной гидродинамики (CFD) кровотока в анатомической модели. По меньшей мере некоторые из граничных условий могут быть определены с использованием принятых специфических для пациента физиологических данных, таких как принятые данные о непрерывном артериальном давлении. Граничные условия могут включать граничные условия притока и оттока коронарного кровообращения.After segmentation, the user and/or the computer system may post-process the patient-specific anatomical model to prepare the model for CFD simulations. This may include, for example, determining centerlines for coronary arteries and their branches, determining cross-sectional areas of coronary arteries and their branches, creating models of inflow boundaries (for example, boundaries through which flow is directed into the coronary arteries) and outflow boundaries (for example, through which flow is directed from the coronary arteries and/or branches of the coronary arteries) so that the inflow and outflow boundaries are perpendicular to certain center lines, thereby allowing the application of a boundary condition and smoothing the model (e.g., smoothing out any ridges, dots, etc.). .d.). Post-processing of the patient-specific anatomical model can be reviewed and/or corrected by the computer system and/or the user as needed. At 108, the computer system may determine boundary conditions for simulating computational fluid dynamics (CFD) of blood flow in the anatomical model. At least some of the boundary conditions may be determined using received patient-specific physiological data, such as received continuous blood pressure data. Boundary conditions may include inflow and outflow boundary conditions of the coronary circulation.

Трехкомпонентная модель, проиллюстрированная на фиг. 5, может быть использована при определении граничных условий коронарного кровообращения. Трехкомпонентная модель может содержать компонент системы кровообращения (BCS), который описывает большой круг и малый круг кровообращения, компонент зависимости давление-объем сердца (HPV), который описывает сердечную петлю давление-объем, и компонент коронарного кровотока (CBF), который описывает кровообращение коронарной артерии (см. фиг. 5). Каждый из компонентов BCS, HPV и CBF может быть выбран из различных моделей каждого компонента, которые обсуждены более подробно ниже. Трехкомпонентная модель может приниматься как ввод формы волны давления psa(t), которая может быть получена на основе специфической для пациента непрерывной записи артериального давления (например, специфических для пациента данных о непрерывном артериальном давлении). Примерный вариант осуществления трехкомпонентной модели показан на фиг. 18.The three-component model illustrated in Fig. 5 can be used to determine the boundary conditions of the coronary circulation. A three-component model may contain a circulatory system (BCS) component that describes the systemic and pulmonary circulations, a heart pressure-volume (HPV) component that describes the cardiac pressure-volume loop, and a coronary blood flow (CBF) component that describes the coronary circulation. arteries (see Fig. 5). Each of the BCS, HPV, and CBF components can be selected from various models of each component, which are discussed in more detail below. The three-component model can be taken as an input to the pressure waveform p sa (t), which can be derived from a patient-specific continuous blood pressure record (eg, patient-specific continuous blood pressure data). An exemplary embodiment of the three-component model is shown in FIG. 18.

Трехкомпонентная модель может быть использована для непосредственного определения граничных условий притока, например, формы волны объемного расхода на входе коронарных артерий пациента (см. фиг. 20). Трехкомпонентная модель может быть использована для опосредованного определения граничных условий оттока, например, формы волны объемного расхода на выходе коронарных артерий пациента (см. фиг. 20). Например, форма волны объемного расхода на входе коронарных артерий пациента может быть использована для определения формы волны объемного расхода на выходе коронарных артерий пациента с использованием аллометрического закона масштабирования (ALS), такого как закон Мюррея, который описывает зависимость между кровотоком и радиусом сосуда (см. фиг. 20) (см. Freund J. et al., (2012) Fluid flows and forces in development: functions, features and biophysical principles. Development, 139(7): 1229-1245; Newberry M. et al., VM (2015) Testing foundations of biological scaling theory using automated measurements of vascular networks. Public Library of Science Computational Biology, 11(8):e1004455; Sherman T. (1981) On connecting large vessels to small - the meaning of murray's law. Journal of General Physiology, 78(4):431-453; Algranati D. et al. (2010) Mechanisms of myocardium-coronary vessel interaction. American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology, Vol. 298, No. 3, H861-H873). Согласно закону Мюррея кровоток пропорционален r3 в каждом сосуде системы Мюррея.The three-component model can be used to directly determine inflow boundary conditions, such as the volumetric flow waveform at the inlet of a patient's coronary arteries (see FIG. 20). The three-component model can be used to indirectly determine outflow boundary conditions, such as the volumetric flow waveform at the outlet of a patient's coronary arteries (see FIG. 20). For example, a patient's coronary inlet volume flow waveform can be used to determine the patient's coronary outlet volume flow waveform using an allometric law of scaling (ALS), such as Murray's law, which describes the relationship between blood flow and vessel radius (see Figure 1). fig. 20) (see Freund J. et al., (2012) Fluid flows and forces in development: functions, features and biophysical principles. Development, 139(7): 1229-1245; Newberry M. et al., VM (2015) Testing foundations of biological scaling theory using automated measurements of vascular networks Public Library of Science Computational Biology, 11(8):e1004455 Sherman T. (1981) On connecting large vessels to small - the meaning of murray's law Journal of General Physiology, 78(4):431-453; Algranati D. et al. (2010) Mechanisms of myocardium-coronary vessel interaction. American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology, Vol. 298, No. 3, H861- H873). According to Murray's law, blood flow is proportional to r 3 in each vessel of the Murrey system.

Компонент системы кровообращения (BCS) описывает большой круг и малый круг кровообращения. Кровообращение может быть смоделировано, например, с использованием двух-, трех-, четырех- и пятиэлементных сосредоточенных функциональных блоков Виндкесселя (2WM, 3WM, 4WM, 5WM), которые показаны на фиг. 6 (см. Garcia D. et al. (2009) Impairment of coronary flow reserve in aortic stenosis. Journal of Applied Physiology, Vol. 106, No. 1, 113-121; Li J. K.-J. (2000) The Arterial Circulation. Physical Principles and Clinical Applications, Springer, New York; Ostadfar A (2016) Biofluid mechanics. Principles and applications. Elsevier; Pappano A et al. (2013) Cardiovascular physiology. Elsevier; Stergiopulos N. et al. (1996) Determinants of stroke volume and systolic and diastolic aortic pressure. American Journal of Physiology, Vol. 270, No. 6, Pt. 2, H2050-H2059; Westerhof N et al. (2009) The arterial windkessel. Medical & Biological Engineering & Computing, Vol. 47, No. 2, 131-141; Zamir M. (2005) The physics of coronary blood flow. Springer-Verlag). Малый круг и большой круг кровообращения могут быть смоделированы в предпочтительном варианте осуществления с использованием одной из моделей сосредоточенных парамет- 6 042942 ров, показанной на фиг. 7, тогда как общее кровообращение может быть смоделировано с использованием многосекционной модели, показанной на фиг. 8.The circulatory system component (BCS) describes the systemic and pulmonary circulations. Circulation can be modeled, for example, using two-, three-, four-, and five-element Windkessel Lumped Function Blocks (2WM, 3WM, 4WM, 5WM) as shown in FIG. 6 (See Garcia D. et al. (2009) Impairment of coronary flow reserve in aortic stenosis. Journal of Applied Physiology, Vol. 106, No. 1, 113-121; Li J. K.-J. (2000) The Arterial Circulation Physical Principles and Clinical Applications, Springer, New York Ostadfar A (2016) Biofluid mechanics Principles and applications Elsevier Pappano A et al (2013) Cardiovascular physiology Elsevier Stergiopulos N et al (1996) Determinants of volume and systolic and diastolic aortic pressure. American Journal of Physiology, Vol. 270, No. 6, Pt. 2, H2050-H2059 Westerhof N et al. (2009) The arterial windkessel. Medical & Biological Engineering & Computing, Vol 47, No. 2, 131-141 Zamir M. (2005) The physics of coronary blood flow Springer-Verlag). The pulmonary and systemic circulations can be modeled in the preferred embodiment using one of the lumped parameter models shown in FIG. 7, while the general circulation can be modeled using the multisectional model shown in FIG. 8.

В варианте осуществления компонент модели системы кровообращения (например, модель большого круга и малого круга кровообращения) построен на основе функционального блока сосредоточенных параметров RLC сопротивление (R) - инерционность (L) - емкость (С), показанного на фиг. 9. В функциональном блоке сосредоточенных параметров по фиг. 9 вводы (in) и вывод (out) блока связаны во времени (t) _ r dp inIn an embodiment, a component of the circulatory system model (e.g., systemic circulation and pulmonary circulation model) is built based on the lumped RLC parameters function block resistance (R) - persistence (L) - capacitance (C) shown in FIG. 9. In the lumped parameter function block of FIG. 9 inputs (in) and output (out) of the block are connected in time (t) _ r dp in

Qin ~ di ' Qout>Qin~di' Qout>

n . , Qout . n . , Qout .

Pin ‘ Qout + L + P°ut’ где q - расход и p - давление протекающей крови в выбранной секции.Pin ' Qout + L + P° u t' where q is the flow rate and p is the pressure of the flowing blood in the selected section.

Как показано на фиг. 8, модель малого круга кровообращения содержит три секции в форме артерий (С=Cpa, R=Rpa, L=Lpa), резервуар малого круга (С=0, R=Rpr, L=0) и вены (C=Cpv, R=Rpv, L=0), что приводит к шести уравнениям (3x2=6). Модель большого круга кровообращения содержит пять секций, а именно аорту (C=Csa, R=Rsa, L=Lsa), проксимальные проводящие артерии (C=Csp, R=Rsp, L=Lsp), дистальные мышечные артерии (C=Csd, R=Rsd, L=0), резервуар большого круга (С=0, R=Rsr, L=0) и вены (C=Csv, R=Rsv, L=0), что приводит к десяти уравнениям (5x2=10). Полученная в результате система из шестнадцати уравнений может быть решена численно. Компонент зависимости давление-объем желудочка сердца или предсердия (HPV) описывает сердечную петлю давление-объем. Сердечный цикл состоит из четырех фаз, как показано на фиг. 10 (см. Barrett K.E. et al. (2016) Ganong's review of medical physiology, McGraw-Hill; Mohrman D. et al. (2013) Cardiovascular physiology. McGraw-Hill, Lange, New York; Pappano A. et al. (2013) Cardiovascular physiology. Elsevier). Многие разные модели могут быть использованы для изоволюметрических систолической и диастолической фаз, такие как, например, модель изменяющегося во времени эластанса (TVE), модель изменяющегося во времени комплаенса (TVC) или другие модели (см. Garcia D et al. (2009) Impairment of coronary flow reserve in aortic stenosis. Journal of Applied Physiology, Vol. 106, No. 1, 113-121; Lankhaar J.W. et al. (2009) Modeling the instantaneous pressure-volume relation of the left ventricle: a comparison of six models. Annals of biomedical engineering, Vol. 37, No. 9, 1710-1726; Stergiopulos N. et al. (1996) Determinants of stroke volume and systolic and diastolic aortic pressure. American Journal of Physiology, Vol. 270, No. 6, Pt. 2, H2050-H2059). На фиг. 11 проиллюстрирован функциональный блок для построения модели (а) компонента зависимости давление-объем камер сердца (HPV); и полной многосекционной модели (b) компонента зависимости давление-объем камер сердца (HPV). В предпочтительном варианте осуществления компонент зависимости давление-объем (HPV) использует модель на основе идеи изменяющегося эластанса E(t) как обратной величины комплаенса, что может быть записано в форме z s 1 dp = ~C(t) = dV'As shown in FIG. 8, the pulmonary circulation model contains three sections in the form of arteries (C=C pa , R=R pa , L=L pa ), a pulmonary reservoir (C=0, R=R pr , L=0) and a vein (C =C pv , R=R pv , L=0), which leads to six equations (3x2=6). The systemic circulation model contains five sections, namely the aorta (C=C sa , R=R sa , L=L sa ), proximal conducting arteries (C=C sp , R=R sp , L=L sp ), distal muscular arteries (C=C sd , R=R sd , L=0), reservoir of the great circle (C=0, R=R sr , L=0) and veins (C=C sv , R=R sv , L=0 ), which leads to ten equations (5x2=10). The resulting system of sixteen equations can be solved numerically. The ventricular or atrial pressure-volume (HPV) component describes the cardiac pressure-volume loop. The cardiac cycle consists of four phases, as shown in Fig. 10 (See Barrett KE et al. (2016) Ganong's review of medical physiology, McGraw-Hill; Mohrman D. et al. (2013) Cardiovascular physiology. McGraw-Hill, Lange, New York; Pappano A. et al. ( 2013) Cardiovascular Physiology Elsevier. Many different models can be used for isovolumetric systolic and diastolic phases, such as, for example, the time-varying elastance (TVE) model, the time-varying compliance (TVC) model, or other models (see Garcia D et al. (2009) Impairment of coronary flow reserve in aortic stenosis Journal of Applied Physiology, Vol 106, No 1, 113-121 Lankhaar JW et al (2009) Modeling the instantaneous pressure-volume relation of the left ventricle: a comparison of six models Annals of biomedical engineering, Vol 37, No. 9, 1710-1726 Stergiopulos N. et al (1996) Determinants of stroke volume and systolic and diastolic aortic pressure American Journal of Physiology, Vol 270, No. 6 , Pt. 2, H2050-H2059). In FIG. 11 illustrates a functional block for building a model of (a) a chamber pressure-volume (HPV) component; and a complete multisectional model (b) of the chamber pressure-volume (HPV) component. In a preferred embodiment, the pressure-volume (HPV) component uses a model based on the idea of varying elastance E(t) as the reciprocal of compliance, which can be written as zs 1 dp = ~C(t) = dV'

Давление в камере сердца во время изоволюметрической фазы может быть описано уравнением p(t) = E(t)-(V(t)-V0), где V(t) - объем камеры сердца, V0 - отсечка объема.The pressure in the heart chamber during the isovolumetric phase can be described by the equation p(t) = E(t)-(V(t)-V0), where V(t) is the volume of the heart chamber, V 0 is the volume cutoff.

Эластанс может быть вычислен на основе свертки функции Арчибальда Хилла /i(tn) =tn7W' + tn что может быть записано в формеThe elastance can be calculated based on the convolution of the Archibald Hill function /i(tn) =tn7W' + tn which can be written in the form

W = = А · (ρ(ΐη·) · (1 - ыу ^тах ^min 4 7 гдеW = A (ρ(ΐ η ) (1 - yy ^max ^min 4 7 where

It%T tn — ~ <tmax — t@E(t) — Emax, ^max и Т - продолжительность сердечного цикла согласно кардиоинтервалу, который может быть определен с помощью ECG или рассчитан на основе динамики давления в аорте. Типовые значения эмпирических параметров модели изменяющегося во времени эластанса предоставлены в таблице ниже (см. Stergiopulos N. et al. (1996) Determinants of stroke volume and systolic and diastolic aortic pressure. American Journal of Physiology, Vol. 270, No. 6, Pt. 2, H2050-H2059; Faragallah G. et al. (2012) A new control system for left ventricular assist devices based on patient-specific physiological demand. Inverse Problems in Science and Engineering, Vol. 20, No. 5, 721-734).It%T tn - ~ <t max - t@E(t) - E max , ^max and T - the duration of the cardiac cycle according to the cardio interval, which can be determined using ECG or calculated based on the pressure dynamics in the aorta. Typical values for empirical parameters of the time-varying elastance model are provided in the table below (see Stergiopulos N. et al. (1996) Determinants of stroke volume and systolic and diastolic aortic pressure. American Journal of Physiology, Vol. 270, No. 6, Pt 2, H2050-H2059; Faragallah G. et al. (2012) A new control system for left ventricular assist devices based on patient-specific physiological demand. Inverse Problems in Science and Engineering, Vol. 20, No. 5, 721- 734).

Emin Emin Emax Emax ai ai a2 a 2 И1 I1 m m 0,06 0.06 2,31 2.31 0,303 0.303 0,508 0.508 1,32 1.32 21,9 21.9 0,06 0.06 2,00 2.00 0,700 0.700 1,170 1.170 1,90 1.90 21,9 21.9

Модель изменяющегося во времени эластанса может использоваться только во время изоволюметрических фаз сердечного цикла. Для других двух фаз сердечного цикла (фиг. 10) объем крови частичноThe time-varying elastance model can only be used during the isovolumetric phases of the cardiac cycle. For the other two phases of the cardiac cycle (Fig. 10), the blood volume is partially

- 7 042942 накапливается в предсердии, тогда как остальная часть, за которой следует чрезклапанный градиент давления, вытекает. Следовательно, баланс относящегося к предсердию расхода можно описать как _ r dpsv , _ г ^Vpv .- 7 042942 accumulates in the atrium, while the rest, followed by a transvalvular pressure gradient, flows out. Therefore, the balance of atrial flow can be described as _ r dp sv , _ g ^Vpv .

Tsu — ^RA dt г Qt, QpV — + Qm, и подобным образом относящийся к желудочку расход можно описать как dViv — — Яра “ Qt> — - Qsa “ Qm-Tsu - ^RA dt g Qt, Qp V - + Q m , and similarly ventricular flow can be described as dViv - - Yara "Qt> - - Qsa " Qm-

Одновременно с этим, чрезклапанный поток может быть описан какAt the same time, the transvalvular flow can be described as

(.Ppp Plv) „/ \ (.PlV Psa) „хх(.Ppp - Plv) "/ \ (.PlV - Psa) "xx

Qm 7 H\PpV — PLvJ’Qsa 7 H(.Plv Psa)’ KLAQm 7 H\Pp V — PLvJ'Qsa 7 H(.Plv Psa)' K LA

(.Psv - Prv) x (PRV - Ppa)x(.Psv - Prv)x (PRV - Ppa)x

Qt — D H(psv Prv)’ Qpa D ^\Prv Ppa)’ KRA KRV где Н - ступенчатая функция Хевисайда.Qt - D H(p sv Prv)' Qpa - D ^\Prv Ppa)' K RA K RV where H is the Heaviside step function.

В вариантах осуществления процедура специфической для пациента калибровки (PSC) может быть использована для оптимальной оценки параметров моделей HPV и BCS. Процедура может включать: (i) определение исходных приближений параметров модели на основе уровней систолического и диастолического давления, пола, возраста и частоты ударов сердца (HR) пациента (см. Barrett K.E. et al. (2016) Ganong's review of medical physiology, McGraw-Hill; Li J. K.-J. (2000) The Arterial Circulation. Physical Principles and Clinical Applications, Springer, New York; Pappano A. et al. (2013) Cardiovascular physiology. Elsevier; Zamir M. (2005) The physics of coronary blood flow. Springer-Verlag; Maceira A.M. et al. (2006) Reference right ventricular systolic and diastolic function normalized to age, gender and body surface area from steady-state free precession cardiovascular magnetic resonance. European Heart Journal, Vol. 27, Issue 23, Pages 2879-2888; Maceira A.M. et al. (2006) Normalized left ventricular systolic and diastolic function by steady state free precession cardiovascular magnetic resonance. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance, Vol. 8, Issue 3, 417-426), (ii) осуществление исправлений на основе дополнительной информации, включая привычки относительно курения, привычки относительно фитнеса и употребление лекарственных препаратов (см. Tsanas A. et al. (2009) The Windkessel model revisited: a qualitative analysis of the circulatory system. Medical Engineering & Physics, Vol. 31, Issue 5, 581-588), (iii) разработку моделей (HPV + BCS) и (iv) и калибровку параметров путем их подгонки к вычисленному давлению и текущей записи давления пациента. Таким образом, модель изменяющегося во времени эластанса (например, примененная в модели HPV) совместно с моделью кровообращения (BCS) могут быть использованы для воссоздания текущих объемов левого и правого желудочков сердца (V) и динамики внутренних давлений (pv) с использованием записанного давления в аорте пациента (psa), как показано на фиг. 12.In embodiments, a patient specific calibration (PSC) procedure may be used to optimally estimate the parameters of the HPV and BCS models. The procedure may include: (i) determining initial approximations of model parameters based on systolic and diastolic pressure levels, gender, age, and heart rate (HR) of the patient (see Barrett KE et al. (2016) Ganong's review of medical physiology, McGraw- Hill Li JK-J (2000) The Arterial Circulation Physical Principles and Clinical Applications, Springer, New York Pappano A et al (2013) Cardiovascular physiology Elsevier Zamir M (2005) The physics of coronary blood flow Springer-Verlag Maceira AM et al (2006) Reference right ventricular systolic and diastolic function normalized to age, gender and body surface area from steady-state free precession cardiovascular magnetic resonance European Heart Journal, Vol 27, Issue 23 , Pages 2879-2888 Maceira AM et al (2006) Normalized left ventricular systolic and diastolic function by steady state free precession cardiovascular magnetic resonance Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance, Vol 8, Issue 3, 417-426), (ii ) making corrections based on additional information, including smoking habits, fitness habits, and drug use (see Tsanas A. et al. (2009) The Windkessel model revisited: a qualitative analysis of the circulatory system. Medical Engineering & Physics, Vol. 31, Issue 5, 581-588), (iii) model development (HPV + BCS), and (iv) and parameter calibration by fitting them to the calculated pressure and the patient's current pressure record. Thus, a time-varying elastance model (such as that used in the HPV model) in conjunction with a circulatory model (BCS) can be used to recreate the current left and right ventricular volumes (V) and internal pressure dynamics (pv) using the recorded pressure in patient's aorta (p sa ), as shown in FIG. 12.

Компонент коронарного кровотока (CBF) описывает кровообращение коронарной артерии и показан в целом на фиг. 13. Компонент CBF получен на основе нескольких выводов, сделанных на основе данных физиологии (см. Epstein S. et al. (2015) Reducing the number of parameters in 1D arterial blood flow modeling: less is more for patient-specific simulations. American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology, Vol. 309, No. 1, H222-H234; Kheyfets V.O. et al. (2016) A zero-dimensional model and protocol for simulating patient-specific pulmonary hemodynamics from limited clinical data. Journal of Biomechanical Engineering, Vol. 138, Issue 12,1-8; Maruyama Y. et al. (1994) Recent advances in coronary circulation. Springer-Verlag, Berlin and Heidelberg; Mohrman D. et al. (2013) Cardiovascular physiology. McGraw-Hill, Lange, New York; Ostadfar A. (2016) Biofluid mechanics. Principles and applications. Elsevier; Pappano A. et al. (2013) Cardiovascular physiology. Elsevier; Zamir M. (2005) The physics of coronary blood flow. SpringerVerlag; Algranati D. et al. (2010) Mechanisms of myocardium-coronary vessel interaction. American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology, Vol. 298, No. 3, H861-H873; Mynard J.P. et al. (2014) Scalability and in vivo validation of a multiscale numerical model of the left coronary circulation. American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology, Vol. 306, No. 4, H517-H528; Westerhof N. et al. (2006) Crosstalk between cardiac muscle and coronary vasculature. Physiological Reviews, Vol. 86, No. 4, 1263-1308), которые предусматривают следующее: (i) основным фактором, стимулирующим поток в коронарных артериях, является текущее давление в аорте psa(t); (ii) взаимодействие миокард сердца - коронарный сосуд вызывает давление, противоположное psa(t), с эффектом дросселирования или даже реверсирования потока; и (iii) инерционный эффект крови, накопленной в артериях, незначителен. На основе вышеизложенного компонент CBF, показанный в целом на фиг. 13, является подходящим для определения граничных условий для симуляций CFD потока в коронарных артериях. Компонент CBF указывает, что поток на входе коронарной артерии q0(t) является результатом стимулирующего давления в аорте psa(t), дросселируемого за счет сокращения сердца и обратного накопления, причем последнее определяется в основ ном желудочковым давлением.The coronary flow component (CBF) describes the circulation of the coronary artery and is shown generally in FIG. 13. The CBF component is based on several findings based on physiology data (see Epstein S. et al. (2015) Reducing the number of parameters in 1D arterial blood flow modeling: less is more for patient-specific simulations. American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology, Vol. 309, No. 1, H222-H234; Kheyfets VO et al. (2016) A zero-dimensional model and protocol for simulating patient-specific pulmonary hemodynamics from limited clinical data. Journal of Biomechanical Engineering, Vol 138, Issue 12,1-8 Maruyama Y et al (1994) Recent advances in coronary circulation Springer-Verlag, Berlin and Heidelberg Mohrman D et al (2013) Cardiovascular physiology McGraw- Hill, Lange, New York Ostadfar A (2016) Biofluid mechanics Principles and applications Elsevier Pappano A et al (2013) Cardiovascular physiology Elsevier Zamir M (2005) The physics of coronary blood flow Springer Verlag Algranati D. et al (2010) Mechanisms of myocardium-coronary vessel interaction. American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology, Vol. 298, no. 3, H861-H873; Mynard JP et al. (2014) Scalability and in vivo validation of a multiscale numerical model of the left coronary circulation. American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology, Vol. 306, no. 4, H517-H528; Westerhof N. et al. (2006) Crosstalk between cardiac muscle and coronary vasculature. Physiological Reviews, Vol. 86, no. 4, 1263-1308), which include the following: (i) the main factor stimulating flow in the coronary arteries is the current pressure in the aorta p sa (t); (ii) the interaction of the myocardium - the coronary vessel causes a pressure opposite to p sa (t), with the effect of throttling or even reversing the flow; and (iii) the inertial effect of the blood accumulated in the arteries is negligible. Based on the above, the CBF component shown generally in FIG. 13 is suitable for defining boundary conditions for CFD flow simulations in coronary arteries. The CBF component indicates that coronary artery inlet flow q 0 (t) is the result of aortic stimulus pressure p sa (t) throttled by cardiac contraction and reverse accumulation, the latter being determined primarily by ventricular pressure.

Компонент CBF описывает обычную зависимость, при которой давление действует как независимая переменная. Поскольку давление служит независимой переменной в компоненте CBF, компонент CBF и его использование в специфическом для пациента численном моделировании являются преимущественными относительно других методов определения граничных условий. Некоторые преимущества использования давления как независимой переменный включают следующее: (i) давление относительно легкоThe CBF component describes a normal relationship where pressure acts as the independent variable. Because pressure serves as the independent variable in the CBF component, the CBF component and its use in patient-specific numerical simulations are superior to other methods for determining boundary conditions. Some advantages of using pressure as an independent variable include the following: (i) pressure is relatively easy to

- 8 042942 измерить по сравнению со скоростью или потоком массы, которые намного сложнее измерить; и (ii) измерения давления, даже неинвазивные и в местоположении, удаленном от сердца, не будут искажены погрешностью, превышающей допустимую.- 8 042942 to measure compared to velocity or mass flow, which are much more difficult to measure; and (ii) pressure measurements, even non-invasive and at a location far from the heart, will not be distorted by an error greater than acceptable.

Коронарный кровоток может быть смоделирован многими разными способами (см. Beyar R. et al. (1987) Time-dependent coronary blood flow distribution in left ventricular wall. American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology, Vol. 252, No. 2, Pt. 2, H417-H433; Boileau E et al. (2015) OneDimensional Modelling of the Coronary Circulation. Application to Noninvasive Quantification of Fractional Flow Reserve (FFR). Computational and Experimental Biomedical Sciences: Methods and Applications, Vol. 21, 137-155; Bruinsma T et al. (1988) Model of the coronary circulation based on pressure dependence of coronary resistance and compliance. Basic Res Cardiol, 83:510-524; Burattini R et al. (1985) Identification of canine intramyocardial compliance on the basis of the waterfall model. Annals of Biomedical Engineering, Vol. 13, No. 5, 385-404; Chadwick RS et al. (1990) Phasic regional myocardial inflow and outflow: comparison of theory and experiments. American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology, Vol. 258, No. 6, H1687H1698; Garcia D et al. (2009) Impairment of coronary flow reserve in aortic stenosis. Journal of Applied Physiology, Vol. 106, No. 1, 113-121; Holenstein R et al. (1990) Parametric analysis of flow in the intramyocardial circulation. Annals of Biomedical Engineering, Vol. 18, No. 4, 347-365; Judd RM et al. (1991) Coronary input impedance is constant during systole and diastole. American Journal of Physiology - Heart and Circulatory Physiology, Vol. 260, No. 6, H1841-H1851; Kresh JY et al. (1990) Model-based analysis of transmural vessel impedance and myocardial circulation dynamics. American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology, Vol. 258, No. 1, H262-H276; Lee J et al. (1984) The role of vascular capacitance in the coronary arteries. Circ Res 55: 751-762; Lee J et al. (2012) The multi-scale modelling of coronary blood flow. Annals of Biomedical Engineering, Vol. 40, Issue 11, 2399-2413; Li J K-J (2000) The Arterial Circulation. Physical Principles and Clinical Applications, Springer, New York; Mynard JP et al. (2014) Scalability and in vivo validation of a multiscale numerical model of the left coronary circulation. American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology, Vol. 306, No. 4, H517-H528; Marsden AL (2014) Thrombotic risk stratification using computational modeling in patients with coronary artery aneurysms following Kawasaki disease. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology, Vol. 13, No. 6, 1261-1276; Spaan JAE et al. (1981) Diastolic-systolic coronary flow differences are caused by intramyocardial pump action in the anesthetized dog. Circ Res, Vol. 49, Issue 3, 584-593, некоторые из которых показаны на фиг. 14. Модели коронарного кровотока, показанные на фиг. 14, можно обобщить следующим образом: (i) все модели имеют один истоковый элемент, обычно предполагаемый равным давлению в аорте (psa) (см. там же); (ii) энергия истока частично рассеивается на резистивных элементах в количестве одного (с, е, f) (см. Bruinsma T et al. (1988) Model of the coronary circulation based on pressure dependence of coronary resistance and compliance. Basic Res Cardiol, 83:510-524; Burattini R et al. (1985) Identification of canine intramyocardial compliance on the basis of the waterfall model. Annals of Biomedical Engineering, Vol. 13, No. 5, 385-404; Garcia D et al. (2009) Impairment of coronary flow reserve in aortic stenosis. Journal of Applied Physiology, Vol. 106, No. 1, 113-121; Holenstein R et al. (1990) Parametric analysis of flow in the intramyocardial circulation. Annals of Biomedical Engineering, Vol. 18, No. 4, 347-365; Kresh JY et al. (1990) Model-based analysis of transmural vessel impedance and myocardial circulation dynamics. American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology, Vol. 258, No. 1, H262H276; Lee J et al. (1984) The role of vascular capacitance in the coronary arteries. Circ Res 55:751-762; Lee J et al. (2012) The multi-scale modelling of coronary blood flow. Annals of Biomedical Engineering, Vol. 40, Issue 11, 2399-2413; Li J K-J (2000) The Arterial Circulation. Physical Principles and Clinical Applications, Springer, New York; Mohrman D et al. (2013) Cardiovascular physiology. McGraw-Hill, Lange, New York; Sengupta D et al.; Spaan JAE et al. (1981) Diastolic-systolic coronary flow differences are caused by intramyocardial pump action in the anesthetized dog. Circ Res, Vol. 49, Issue 3, 584-593), двух (b) (см. Chadwick RS et al. (1990) Phasic regional myocardial inflow and outflow: comparison of theory and experiments. American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology, Vol. 258, No. 6, H1687-H1698) или нуля (a, d) (см. Beyar R et al. (1987) Time-dependent coronary blood flow distribution in left ventricular wall. American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology, Vol. 252, No. 2, Pt. 2, H417-H433; Boileau E et al. (2015) OneDimensional Modelling of the Coronary Circulation. Application to Noninvasive Quantification of Fractional Flow Reserve (FFR). Computational and Experimental Biomedical Sciences: Methods and Applications, Vol. 21, 137-155; Garcia D et al. (2009) Impairment of coronary flow reserve in aortic stenosis. Journal of Applied Physiology, Vol. 106, No. 1, 113-121; Judd RM et al. (1991) Coronary input impedance is constant during systole and diastole. American Journal of Physiology - Heart and Circulatory Physiology, Vol. 260, No. 6, H1841H1851; Li J K-J (2000) The Arterial Circulation. Physical Principles and Clinical Applications, Springer, New York; Mynard JP et al. (2014) Scalability and in vivo validation of a multiscale numerical model of the left coronary circulation. American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology, Vol. 306, No. 4, H517H528) штук; (iii) приток обычно разделяется между одиночными резистивной и емкостной ветвями, при этом некоторые модели имеют два емкостных элемента (b, f) (см. Burattini R et al. (1985) Identification of canine intramyocardial compliance on the basis of the waterfall model. Annals of Biomedical Engineering, Vol. 13, No. 5, 385-404; Chadwick RS et al. (1990) Phasic regional myocardial inflow and outflow: comparison of theory and experiments. American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology, Vol. 258, No. 6,Coronary blood flow can be modeled in many different ways (see Beyar R. et al. (1987) Time-dependent coronary blood flow distribution in the left ventricular wall. American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology, Vol. 252, No. 2, Pt. 2, H417-H433 Boileau E et al (2015) OneDimensional Modeling of the Coronary Circulation Application to Noninvasive Quantification of Fractional Flow Reserve (FFR) Computational and Experimental Biomedical Sciences: Methods and Applications, Vol 21, 137 -155 Bruinsma T et al (1988) Model of the coronary circulation based on pressure dependence of coronary resistance and compliance Basic Res Cardiol, 83:510-524 Burattini R et al (1985) Identification of canine intramyocardial compliance on the basis of the waterfall model Annals of Biomedical Engineering, Vol 13, No 5, 385-404 Chadwick RS et al (1990) Phasic regional myocardial inflow and outflow: comparison of theory and experiments American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology, Vol. 258, no. 6, H1687H1698; Garcia D et al. (2009) Impairment of coronary flow reserve in aortic stenosis. Journal of Applied Physiology, Vol. 106, no. 1, 113-121; Holenstein R et al. (1990) Parametric analysis of flow in the intramyocardial circulation. Annals of Biomedical Engineering, Vol. 18, no. 4, 347-365; Judd RM et al. (1991) Coronary input impedance is constant during systole and diastole. American Journal of Physiology - Heart and Circulatory Physiology, Vol. 260, no. 6, H1841-H1851; Kresh JY et al. (1990) Model-based analysis of transmural vessel impedance and myocardial circulation dynamics. American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology, Vol. 258, no. 1, H262-H276; LeeJ et al. (1984) The role of vascular capacitance in the coronary arteries. Circ Res 55: 751-762; LeeJ et al. (2012) The multi-scale modeling of coronary blood flow. Annals of Biomedical Engineering, Vol. 40, Issue 11, 2399-2413; Li J KJ (2000) The Arterial Circulation. Physical Principles and Clinical Applications, Springer, New York; Mynard JP et al. (2014) Scalability and in vivo validation of a multiscale numerical model of the left coronary circulation. American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology, Vol. 306, no. 4, H517-H528; Marsden AL (2014) Thrombotic risk stratification using computational modeling in patients with coronary artery aneurysms following Kawasaki disease. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology, Vol. 13, no. 6, 1261-1276; SpaanJAE et al. (1981) Diastolic-systolic coronary flow differences are caused by intramyocardial pump action in the anesthetized dog. Circ Res, Vol. 49, Issue 3, 584-593, some of which are shown in FIG. 14. The coronary flow models shown in FIG. 14 can be summarized as follows: (i) all models have a single source element, usually assumed to be equal to aortic pressure (p sa ) (ibid.); (ii) the source energy is partially dissipated by the resistive elements in the amount of one (c, e, f) (see Bruinsma T et al. (1988) Model of the coronary circulation based on pressure dependence of coronary resistance and compliance. Basic Res Cardiol, 83:510-524 Burattini R et al (1985) Identification of canine intramyocardial compliance on the basis of the waterfall model Annals of Biomedical Engineering, Vol 13, No. 5, 385-404 Garcia D et al ( 2009) Impairment of coronary flow reserve in aortic stenosis Journal of Applied Physiology, Vol 106, No 1, 113-121 Holenstein R et al (1990) Parametric analysis of flow in the intramyocardial circulation Annals of Biomedical Engineering, Vol.18, No. 4, 347-365;Kresh JY et al.(1990) Model-based analysis of transmural vessel impedance and myocardial circulation dynamics.American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology, Vol.258, No. 1 , H262H276; Lee J et al. (1984) The role of vascular capacitance in the coronary arteries. Circ Res 55:751-762; LeeJ et al. (2012) The multi-scale modeling of coronary blood flow. Annals of Biomedical Engineering, Vol. 40, Issue 11, 2399-2413; Li J KJ (2000) The Arterial Circulation. Physical Principles and Clinical Applications, Springer, New York; Mohrman D et al. (2013) Cardiovascular physiology. McGraw-Hill, Lange, New York; Sengupta D et al.; SpaanJAE et al. (1981) Diastolic-systolic coronary flow differences are caused by intramyocardial pump action in the anesthetized dog. Circ Res, Vol. 49, Issue 3, 584-593), two (b) (see Chadwick RS et al. (1990) Phasic regional myocardial inflow and outflow: comparison of theory and experiments. American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology, Vol. 258, No. 6, H1687-H1698) or zero (a, d) (see Beyar R et al. (1987) Time-dependent coronary blood flow distribution in left ventricular wall. American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology, Vol. 252, No. 2, Pt. 2, H417-H433; Boileau E et al. (2015) OneDimensional Modeling of the Coronary Circulation. Application to Noninvasive Quantification of Fractional Flow Reserve (FFR). Computational and Experimental Biomedical Sciences: Methods and Applications, Vol 21, 137-155 Garcia D et al (2009) Impairment of coronary flow reserve in aortic stenosis Journal of Applied Physiology, Vol 106, No 1, 113-121 Judd RM et al. (1991) Coronary input impedance is constant during systole and diastole American Journal of Physiology - Heart and Circulatory Physiology, Vol. 260, no. 6, H1841H1851; Li J KJ (2000) The Arterial Circulation. Physical Principles and Clinical Applications, Springer, New York; Mynard JP et al. (2014) Scalability and in vivo validation of a multiscale numerical model of the left coronary circulation. American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology, Vol. 306, no. 4, H517H528) pieces; (iii) the inflow is usually split between single resistive and capacitive branches, with some models having two capacitance elements (b, f) (see Burattini R et al. (1985) Identification of canine intramyocardial compliance on the basis of the waterfall model. Annals of Biomedical Engineering, Vol 13, No. 5, 385-404 Chadwick RS et al (1990) Phasic regional myocardial inflow and outflow: comparison of theory and experiments American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology, Vol. 258, No. 6,

- 9 042942- 9 042942

H1687-H1698; Li J K-J (2000) The Arterial Circulation. Physical Principles and Clinical Applications, Springer, New York; Marsden AL (2014) Thrombotic risk stratification using computational modeling in patients with coronary artery aneurysms following Kawasaki disease. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology, Vol. 13, No. 6, 1261-1276; Sengupta D et al); (iv) емкостная ветвь может содержать свой собственный резистивный элемент (d) (см. Garcia D et al. (2009) Impairment of coronary flow reserve in aortic stenosis. Journal of Applied Physiology, Vol. 106, No. l, 113-121; Judd RM et al. (1991) Coronary input impedance is constant during systole and diastole. American Journal of Physiology - Heart and Circulatory Physiology, Vol. 260, No. 6, H1841-H1851; Li J K-J (2000) The Arterial Circulation. Physical Principles and Clinical Applications, Springer, New York) или исток как функцию внутрижелудочкового давления (с, f) (см. Burattini R et al. (1985) Identification of canine intramyocardial compliance on the basis of the waterfall model. Annals of Biomedical Engineering, Vol. 13, No. 5, 385-404; Garcia D et al. (2009) Impairment of coronary flow reserve in aortic stenosis. Journal of Applied Physiology, Vol. 106, No. 1, 113-121; Kresh JY et al. (1990) Model-based analysis of transmural vessel impedance and myocardial circulation dynamics. American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology, Vol. 258, No. l, H262-H276; Lee J et al. (2012) The multi-scale modelling of coronary blood flow. Annals of Biomedical Engineering, Vol. 40, Issue 11, 2399-2413; Li J K-J (2000) The Arterial Circulation. Physical Principles and Clinical Applications, Springer, New York; Sengupta D et al.; Spaan JAE et al. (1981) Diastolic-systolic coronary flow differences are caused by intramyocardial pump action in the anesthetized dog. Circ Res, Vol. 49, Issue 3, 584-593), но не оба из них; (v) резистивная ветвь обычно содержит свой собственный исток, относящийся к внутрижелудочковому давлению (а, b, с, d, е) (см. Beyar R et al. (1987) Time-dependent coronary blood flow distribution in left ventricular wall. American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology, Vol. 252, No. 2, Pt. 2, H417-H433; Boileau E et al. (2015) One-Dimensional Modelling of the Coronary Circulation. Application to Noninvasive Quantification of Fractional Flow Reserve (FFR). Computational and Experimental Biomedical Sciences: Methods and Applications, Vol. 21, 137-155; Bruinsma T et al. (1988) Model of the coronary circulation based on pressure dependence of coronary resistance and compliance. Basic Res Cardiol, 83:510-524; Chadwick RS et al. (1990) Phasic regional myocardial inflow and outflow: comparison of theory and experiments. American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology, Vol. 258, No. 6, H1687-H1698; Garcia D et al. (2009) Impairment of coronary flow reserve in aortic stenosis. Journal of Applied Physiology, Vol. 106, No. l, 113-121; Holenstein R et al. (1990) Parametric analysis of flow in the intramyocardial circulation. Annals of Biomedical Engineering, Vol. 18, No. 4, 347-365; Judd RM et al. (1991) Coronary input impedance is constant during systole and diastole. American Journal of Physiology Heart and Circulatory Physiology, Vol. 260, No. 6, H1841-H1851; Kresh JY et al. (1990) Model-based analysis of transmural vessel impedance and myocardial circulation dynamics. American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology, Vol. 258, No. 1, H262-H276; Lee J et al. (1984) The role of vascular capacitance in the coronary arteries. Circ Res 55:751-762; Lee J et al. (2012) The multi-scale modelling of coronary blood flow. Annals of Biomedical Engineering, Vol. 40, Issue 11, 2399-2413; Li J K-J (2000) The Arterial Circulation. Physical Principles and Clinical Applications, Springer, New York; Mynard JP et al. (2014) Scalability and in vivo validation of a multiscale numerical model of the left coronary circulation. American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology, Vol. 306, No. 4, H517-H528; Spaan JAE et al. (1981) Diastolic-systolic coronary flow differences are caused by intramyocardial pump action in the anesthetized dog. Circ Res, Vol. 49, Issue 3, 584-593). В целом они могут быть рассмотрены как многосекционные модели, построенные на функциональных блоках, показанных на фиг. 15.H1687-H1698; Li J K-J (2000) The Arterial Circulation. Physical Principles and Clinical Applications, Springer, New York; Marsden AL (2014) Thrombotic risk stratification using computational modeling in patients with coronary artery aneurysms following Kawasaki disease. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology, Vol. 13, no. 6, 1261-1276; Sengupta D et al); (iv) the capacitive arm may contain its own resistive element (d) (see Garcia D et al. (2009) Impairment of coronary flow reserve in aortic stenosis. Journal of Applied Physiology, Vol. 106, No. l, 113-121 ; Judd RM et al. (1991) Coronary input impedance is constant during systole and diastole. American Journal of Physiology - Heart and Circulatory Physiology, Vol. 260, No. 6, H1841-H1851; Li J K-J (2000) The Arterial Circulation Physical Principles and Clinical Applications, Springer, New York) or source as a function of intraventricular pressure (c, f) (see Burattini R et al. (1985) Identification of canine intramyocardial compliance on the basis of the waterfall model. Annals of Biomedical Engineering, Vol 13, No. 5, 385-404 Garcia D et al (2009) Impairment of coronary flow reserve in aortic stenosis Journal of Applied Physiology, Vol 106, No. 1, 113-121 Kresh JY et al (1990) Model-based analysis of transmural vessel impedance and myocardial circulation dynamics American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology, Vol. 258, no. l, H262-H276; LeeJ et al. (2012) The multi-scale modeling of coronary blood flow. Annals of Biomedical Engineering, Vol. 40, Issue 11, 2399-2413; Li J K-J (2000) The Arterial Circulation. Physical Principles and Clinical Applications, Springer, New York; Sengupta D et al.; SpaanJAE et al. (1981) Diastolic-systolic coronary flow differences are caused by intramyocardial pump action in the anesthetized dog. Circ Res, Vol. 49, Issue 3, 584-593), but not both of them; (v) the resistive branch usually contains its own source related to intraventricular pressure (a, b, c, d, e) (see Beyar R et al. (1987) Time-dependent coronary blood flow distribution in the left ventricular wall. American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology, Vol 252, No. 2, Pt. 2, H417-H433 Boileau E et al (2015) One-Dimensional Modeling of the Coronary Circulation Application to Noninvasive Quantification of Fractional Flow Reserve (FFR) Computational and Experimental Biomedical Sciences: Methods and Applications, Vol 21, 137-155 Bruinsma T et al (1988) Model of the coronary circulation based on pressure dependence of coronary resistance and compliance Basic Res Cardiol, 83 :510-524 Chadwick RS et al (1990) Phasic regional myocardial inflow and outflow: comparison of theory and experiments American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology Vol 258 No 6 H1687-H1698 Garcia D et al (2009) Impairment of coronary flow reserve in aortic stenosis. Journal of Applied Physiology, Vol. 106, no. l, 113-121; Holenstein R et al. (1990) Parametric analysis of flow in the intramyocardial circulation. Annals of Biomedical Engineering, Vol. 18, no. 4, 347-365; Judd RM et al. (1991) Coronary input impedance is constant during systole and diastole. American Journal of Physiology Heart and Circulatory Physiology, Vol. 260, no. 6, H1841-H1851; Kresh JY et al. (1990) Model-based analysis of transmural vessel impedance and myocardial circulation dynamics. American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology, Vol. 258, no. 1, H262-H276; LeeJ et al. (1984) The role of vascular capacitance in the coronary arteries. Circ Res 55:751-762; LeeJ et al. (2012) The multi-scale modeling of coronary blood flow. Annals of Biomedical Engineering, Vol. 40, Issue 11, 2399-2413; Li J K-J (2000) The Arterial Circulation. Physical Principles and Clinical Applications, Springer, New York; Mynard JP et al. (2014) Scalability and in vivo validation of a multiscale numerical model of the left coronary circulation. American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology, Vol. 306, no. 4, H517-H528; SpaanJAE et al. (1981) Diastolic-systolic coronary flow differences are caused by intramyocardial pump action in the anesthetized dog. Circ Res, Vol. 49, Issue 3, 584-593). In general, they can be considered as multi-sectional models built on the functional blocks shown in Fig. 15.

В предпочтительном варианте осуществления коронарный кровоток смоделирован с использованием сосредоточенного функционального блока, показанного на фиг. 16. Использование модели коронарного кровотока, показанной на фиг. 16, может требовать решения следующего уравнения непрерывности потока массы:In a preferred embodiment, coronary flow is modeled using the lumped functional block shown in FIG. 16. Using the coronary flow model shown in FIG. 16 may require solving the following mass flow continuity equation:

D , d(Psa-Pc) , (Psa - Рй - PzJ „Z ч D , d(Psa-Pc) , (Psa - Ry - PzJ „Z h

Я0С — + Qo = C +------R----— И(Psa - PR-Pzf).I 0 C - + Qo \u003d C +------R----- And (Psa - PR-Pzf).

где Н - ступенчатая функция Хевисайда. Дросселирующее давление pR, а также pC описывает взаимодействие миокард - коронарный сосуд (MVI), при этом pC=kc(CEP+SIP), и pR=kR (CEP+SIP. [3 4 9 14 22 25 32] L , , , , , , J. Существуют три основные гипотезы механизма пассивного взаимодействия, и описание внесосудистого давления может включать следующее (см. Algranati D et al. (2010) Mechanisms of myocardium-coronary vessel interaction. American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology, Vol. 298, No. 3,H861-H873; Mynard JP et al. (2014) Scalability and in vivo validation of a multiscale numerical model of the left coronary circulation. American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology, Vol. 306, No. 4, H517-H528; Westerhof N et al. (2006) Cross-talk between cardiac muscle and coronary vasculature. Physiological Reviews, Vol. 86, No. 4, 1263-1308): (i) интерстициальное внеклеточное давление, вызванное полостью (CEP=μ1·pV), и (ii) внутриклеточное давление, вызванное сокращением (SIP=μ2·EV). Текущее давление в левом (или правом соответственно) желудочке сердца pV и эластанс EV могут быть взяты из компонента HPV, и давление нулевого расхода pzf может предполагаться равным 20 мм рт. ст. или меньше.where H is the Heaviside step function. Throttling pressure p R , as well as p C describes the interaction of the myocardium - coronary vessel (MVI), while p C =kc(CEP+SIP), and p R =k R (CEP+SIP. [3 4 9 14 22 25 32 ] L , , , , , , J. There are three main hypotheses for the mechanism of passive interaction, and descriptions of extravascular pressure may include the following (see Algranati D et al. (2010) Mechanisms of myocardium-coronary vessel interaction. American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology, Vol. 298, No. 3, H861-H873; Mynard JP et al. (2014) Scalability and in vivo validation of a multiscale numerical model of the left coronary circulation. American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology, Vol. 306, No. 4, H517-H528; Westerhof N et al. (2006) Cross-talk between cardiac muscle and coronary vasculature Physiological Reviews, Vol. 86, No. 4, 1263-1308): (i) interstitial cavity-induced extracellular pressure (CEP=μ 1 ·p V ), and (ii) contraction-induced intracellular pressure (SIP=μ 2 ·E V ). Current left (or right, respectively) ventricular pressure p V and elastance E V can be taken from the HPV component, and zero flow pressure p zf can be assumed to be 20 mmHg. Art. or less.

Коронарные артерии пространственно распределены в стенке сердца и неоднородно подвержены влиянию внеклеточного давления, и кровь в них может быть дополнительно замедлена условиями физиCoronary arteries are spatially distributed in the wall of the heart and are not uniformly affected by extracellular pressure, and the blood in them can be additionally slowed down by physical conditions.

- 10 042942 ческого или фармакологического стресса, особенно гиперемией, путем введения агонистов аденозиновых рецепторов (пуринергических рецепторов Р1), таких как Аденокард или Аденоскан, или более селективного агониста рецептора А2А (Регаденозона, Биноденозона). В вариантах осуществления эффект неоднородности стенки сердца (дополнительно измененной под действием стресса) может быть описан с использованием многослойной и многосекционной модели с переменным коэффициентом давления ткани (см. Garcia D et al. (2009) Impairment of coronary flow reserve in aortic stenosis. Journal of Applied Physiology, Vol. 106, No. 1, 113-121; Holenstein R et al. (1990) Parametric analysis of flow in the intramyocardial circulation. Annals of Biomedical Enginfeering, Vol. 18, No. 4, 347-365; Westerhof N et al. (2006) Cross-talk between cardiac muscle and coronary vasculature. Physiological Reviews, Vol. 86, No. 4, 1263-1308), пример чего показан на фиг. 17. Согласно фиг. 17 N d N N d- 10 042942 medical or pharmacological stress, especially hyperemia, by administering adenosine receptor agonists (P1 purinergic receptors), such as Adenocardium or Adenoscan, or a more selective A2A receptor agonist (Regadenosone, Binodenosone). In embodiments, the effect of heart wall heterogeneity (further altered by stress) can be described using a multilayer and multisectional tissue pressure ratio model (see Garcia D et al. (2009) Impairment of coronary flow reserve in aortic stenosis. Journal of Applied Physiology, Vol 106, No. 1, 113-121 Holenstein R et al (1990) Parametric analysis of flow in the intramyocardial circulation Annals of Biomedical Enginfeering, Vol 18, No 4, 347-365 Westerhof N et al (2006) Cross-talk between cardiac muscle and coronary vasculature Physiological Reviews Vol 86 No 4 1263-1308), an example of which is shown in FIG. 17. Referring to FIG. 17 N d NN d

Σ R°Cn^ + Σ4η=Σ CTt(Psa Kp№c(CEp + SIP))Σ R ° C n^ + Σ 4η= Σ C Tt( Psa K p№c(CE p + SIP))

П—l П—lП—1 , V Psa - Kp(n)kR(CEP + SIP) -pzf (.P—l P—lP—1 , V Psa - K p (n)k R (CEP + SIP) -p zf ( .

+ / , д H\Psa Kp(n)kR(CEP + SIP) Pzf)>+ / , d H\Psa K p (n)k R (CEP + SIP) Pzf)>

n=i где коэффициент давления ткани сердца имеет видn=i where the pressure coefficient of the heart tissue has the form

В состоянии покоя внесосудистое давление снижается нелинейно с вогнутостью вниз от эндокарда к эпикарду с экспонентой k~2,0 или больше. В противоположность этому, при кассации любого активного коронарного сосудистого тонуса (гипотетическая максимальная коронарная дилатация) можно предположить линейную зависимость (k~ 1,0). Сосудорасширяющий эффект, связанный с устранением активного коронарного сосудистого тонуса, может не ограничиваться тканью и функцией сердца. В более общем плане сосудорасширение - это лишь одна из форм сердечного тропизма (хронотропизм, инотропизм, лузитропизм и многие другие). Кроме того, эндогенные и/или экзогенные медиаторы могут вызывать снижение сосудистого сопротивления и способствовать увеличению коронарного кровотока, а также кровотока в большом круге и малом круге кровообращения. В предпочтительном варианте осуществления чистые эффекты сердечного тропизма (Е/Етах) пуринергического рецептора (R), связывающего эндоили экзогенных агонистов (A), могут быть смоделированы с помощью объединенного кинетического соотношенияAt rest, extravascular pressure decreases non-linearly with downward concavity from endocardium to epicardium with exponent k~2.0 or greater. In contrast, with cassation of any active coronary vascular tone (hypothetical maximum coronary dilatation), a linear relationship (k~ 1.0) can be assumed. The vasodilating effect associated with the elimination of active coronary vascular tone may not be limited to cardiac tissue and function. More generally, vasodilation is just one form of cardiac tropism (chronotropism, inotropism, lusitropism, and many others). In addition, endogenous and/or exogenous mediators can cause a decrease in vascular resistance and contribute to an increase in coronary blood flow, as well as blood flow in the systemic and pulmonary circulation. In a preferred embodiment, the net effects of cardiac tropism (E/E max ) of a purinergic receptor (R) binding endo or exogenous agonists (A) can be modeled using the combined kinetic ratio

Е _ [АЯ]П E _ [AY] P

Ё^х~ К? + [AR^ где концентрация занятых рецепторов имеет видE^ x ~ K? + [AR^ where the concentration of occupied receptors has the form

Комбинируя эти уравнения и вводя коэффициент преобразователя t=[R0]/Ke, мы получаем явное соотношениеCombining these equations and introducing the transducer factor t=[R 0 ]/K e , we get the explicit relation

Е _ тп[Л]п то есть объединенную модель пуринергический рецептор-раздражитель агонизма (с использованием значений аффинности KA и значений эффективности KE). На этапе 110 компьютерная система может осуществлять симуляцию кровотока в специфической для пациента анатомической модели (например, коронарных артериях) с использованием CFD и специфических для пациента граничных условий. В частности, симуляция CFD может использовать форму волны объемного расхода коронарной артерии на входах и/или выходах коронарных артерий, которая может быть определена, по меньшей мере частично, с помощью специфических для пациента данных о непрерывном артериальном давлении, как граничные условия для моделирования CFD.E _ t p [L] p ie a combined model of purinergic stimulus receptor agonism (using K A affinity values and K E potency values). At 110, the computer system may simulate blood flow in a patient-specific anatomical model (eg, coronary arteries) using CFD and patient-specific boundary conditions. In particular, the CFD simulation may use the coronary artery volumetric flow waveform at the inlets and/or outlets of the coronary arteries, which may be determined at least in part by patient-specific continuous blood pressure data, as boundary conditions for the CFD simulation.

Перед запуском симуляции CFD трехмерная сетка может быть создана для специфической для пациента анатомической модели вместе с отдельными моделями границы притока и оттока для обеспечения симуляции CFD (например, создания трехмерной вычислительной грид-системы для численных симуляций). Трехмерная сетка может содержать множество узлов (например, точек сетки или точек гридсистемы) вдоль поверхностей специфической для пациента анатомической модели и по всей внутренней части специфической для пациента анатомической модели (см. фиг. 19). Сгенерированная сетка может быть просмотрена и/или исправлена компьютерной системой и/или пользователем при необходимости (например, для исправления искажений сетки, недостаточного пространственного разрешения в сетке и т.д.).Before running a CFD simulation, a 3D mesh can be created for the patient-specific anatomical model along with separate inflow and outflow junction models to enable CFD simulation (eg, create a 3D computational grid for numerical simulations). The 3D mesh may comprise a plurality of nodes (eg, grid points or grid points) along the surfaces of the patient-specific anatomy model and throughout the interior of the patient-specific anatomy model (see FIG. 19). The generated mesh can be reviewed and/or corrected by the computer system and/or the user as needed (eg, to correct mesh distortion, insufficient spatial resolution in the mesh, etc.).

При симуляции CFD кровь может быть смоделирована как ньютоновская жидкость или неньютоновская жидкость, и поля потока могут быть получены путем численного решения дискретизованных уравнений баланса массы и импульса (Навье-Стокса) в предположении жесткой стенки. Численные методы решения трехмерных уравнений кровотока могут включать метод конечных разностей, метод конечного объема, спектральный метод, метод решеточных уравнений Больцмана, метод на основе частиц,In CFD simulation, blood can be modeled as a Newtonian fluid or a non-Newtonian fluid, and flow fields can be obtained by numerically solving discretized mass and momentum (Navier-Stokes) balance equations assuming a rigid wall. Numerical methods for solving 3D blood flow equations may include finite difference method, finite volume method, spectral method, lattice Boltzmann method, particle-based method,

- 11 042942 метод набора уровней, изогеометрический метод, или метод конечных элементов, или другие численные методы вычислительной гидродинамики (CFD). Дискретизованные уравнения Навье-Стокса могут быть использованы для осуществления постепенной симуляции скорости кровотока и давления в коронарных артериях с течением времени. То есть симуляция CFD может определять кровоток и давление в каждом из узлов сетчатой анатомической модели. Результат симуляций CFD может представлять собой специфическое для пациента распределение кровотока и давления в коронарных артериях пациента на основе специфической для пациента анатомии и специфических для пациента граничных условий.- 11 042942 level set method, isogeometric method, or finite element method, or other computational fluid dynamics (CFD) numerical methods. The discretized Navier-Stokes equations can be used to gradually simulate blood flow velocity and pressure in the coronary arteries over time. That is, the CFD simulation can determine the blood flow and pressure in each of the nodes of the mesh anatomical model. The output of CFD simulations may represent a patient-specific distribution of blood flow and pressure in the patient's coronary arteries based on the patient-specific anatomy and patient-specific boundary conditions.

На этапе 112 компьютерная система может определять один или несколько гемодинамических параметров, связанных с коронарными артериями пациента. Один или несколько гемодинамических параметров могут быть определены на основе, по меньшей мере частично, результатов симуляции CFD. Примеры гемодинамических параметров могут включать характеристики коронарной артерии, такие как кровяное давление, расход кровотока, напряжение сдвига на стенке (WSS), индекс пульсирующего сдвига (OSI), относительное время пребывания (RRT), фракционный резерв потока (FFR), резерв коронарного потока (CFR), мгновенное безволновое соотношение (iFR) и т.п. Гемодинамические параметры могут быть интерполированы по специфической для пациента анатомической модели для предоставления пользователю информации о гемодинамических параметрах по анатомической модели.At 112, the computer system may determine one or more hemodynamic parameters associated with the patient's coronary arteries. One or more hemodynamic parameters may be determined based at least in part on the results of the CFD simulation. Examples of hemodynamic parameters may include coronary artery characteristics such as blood pressure, flow rate, wall shear stress (WSS), pulsatile shear index (OSI), relative residence time (RRT), fractional flow reserve (FFR), coronary flow reserve ( CFR), instantaneous waveless ratio (iFR), etc. Hemodynamic parameters can be interpolated from a patient-specific anatomical model to provide the user with information about hemodynamic parameters from the anatomical model.

На этапе 114 компьютерная система может выводить один или несколько определенных гемодинамических параметров. Компьютерная система может, например, отображать один или несколько гемодинамических параметров или визуализаций (например, двухмерных или трехмерных изображений) одного или нескольких гемодинамических параметров. Компьютерная система может, например, представлять гемодинамические параметры как трехмерную интерактивную визуализацию. Компьютерная система может отправлять один или несколько определенных гемодинамических параметров на удаленный компьютер для отображения на удаленном компьютере.At 114, the computer system may output one or more specific hemodynamic parameters. The computer system may, for example, display one or more hemodynamic parameters or visualizations (eg, two-dimensional or three-dimensional images) of one or more hemodynamic parameters. The computer system may, for example, present hemodynamic parameters as a 3D interactive visualization. The computer system may send one or more specific hemodynamic parameters to a remote computer for display on the remote computer.

На этапе 116 один или несколько определенных гемодинамических параметров используют для определения и/или как часть специфического для пациента плана лечения. В варианте осуществления один или несколько определенных гемодинамических параметров используют для планирования процедуры коронарной реваскуляризации при сердечно-сосудистом заболевании. Например, один или несколько определенных гемодинамических параметров могут быть использованы для определения оптимального специфического для пациента местоположения для размещения стента у пациента, которое улучшает гемодинамические условия для кровотока в коронарных артериях пациента, а затем стент располагают в определенном оптимальном местоположении. В качестве другого примера, один или несколько определенных гемодинамических параметров могут быть использованы для определения оптимальной процедуры коронарного шунтирования у пациента, которая обеспечивает лучшие гемодинамические условия для потока в коронарной артерии у пациента по сравнению с альтернативными процедурами коронарного шунтирования, а затем врач выполняет оптимальную процедуру коронарного шунтирования у пациента. В варианте осуществления один или несколько определенных гемодинамических параметров используют для обеспечения виртуального сердечно-легочного нагрузочного теста. Например, один или несколько определенных гемодинамических параметров могут включать оценку фракционного резерва потока (FFR), которая может быть использована для предоставления неинвазивной оценки фракционного резерва потока и/или насыщения крови кислородом в условиях виртуального сердечно-легочного нагрузочного теста. Хотя вышеупомянутые варианты осуществления были описаны со ссылкой на симуляцию переходных состояний кровотока через коронарные артерии, понятно, что настоящее изобретение также охватывает симуляцию устойчивого состояния кровотока через коронарные артерии.At 116, one or more determined hemodynamic parameters are used to determine and/or as part of a patient-specific treatment plan. In an embodiment, one or more defined hemodynamic parameters are used to plan a coronary revascularization procedure for cardiovascular disease. For example, one or more determined hemodynamic parameters can be used to determine an optimal patient-specific location for placement of a stent in a patient that improves hemodynamic conditions for blood flow in the patient's coronary arteries, and then the stent is positioned at the determined optimal location. As another example, one or more determined hemodynamic parameters can be used to determine the optimal coronary artery bypass procedure for a patient that provides the best hemodynamic conditions for flow in the patient's coronary artery compared to alternative coronary artery bypass procedures, and then the clinician performs the optimal coronary artery bypass procedure. bypass in a patient. In an embodiment, one or more defined hemodynamic parameters are used to provide a virtual cardiopulmonary exercise test. For example, one or more defined hemodynamic parameters may include a fractional flow reserve (FFR) estimate, which may be used to provide a non-invasive estimate of fractional flow reserve and/or oxygen saturation under virtual cardiopulmonary exercise testing conditions. Although the above embodiments have been described with reference to simulating coronary artery flow transient states, it is understood that the present invention also encompasses simulating a steady state coronary artery flow.

Кровоток через коронарные артерии является пульсирующим. Его давление и скорость меняются во времени в течение одного удара сердца, и этот процесс повторяется. Самый простой способ симуляции такого потока - использовать решатель переходных состояний, но это может занять очень много времени. Использование симуляции устойчивого состояния (например, стационарной) может быть преимущественным, поскольку ее решение занимает относительно меньше времени, но она не применима ко всем нестационарным явлениям. Чтобы воспользоваться преимуществом стационарной симуляции, коронарные артерии можно рассматривать как систему трубопроводов. В такой системе падение давления Ap зависит от скорости жидкости ν. Для обычного потока падение давления является квадратичной функцией скорости (Δр=aν2+bν+с). Чтобы определить коэффициенты в этом уравнении, нужно найти три пары значений (v,Ap). Для этого можно запустить три симуляции устойчивого состояния для различных граничных условий значений давления и скорости (вычисленных на основе расхода) и можно найти значения падения давления, соответствующие этим скоростям. Поскольку эти симуляции независимы, их можно запускать параллельно. Это позволяет значительно сократить время, необходимое для решения. Например, результаты симуляции переходных состояний, выполнение которой занимает десятки часов, могут быть получены на основе стационарной симуляции менее чем за час. Для учета эффекта инерции в уравнение для падения давления был добавлен дополнительный член (см. Bird RB et al. (1960) Transport Phenomena. John Wiley & Sons, New York; Young D et al. (1973) Flow characteristics in models of arterial stenoses. II. Unsteady flow, Journal of Biomechanics, Vol. 6, No. 5, 547-559; Young D et al. (1977) Hemody- 12 042942 namics of arterial stenoses at elevated flow rates. Circulation Research, Vol. 41, No. 1, 99-107): _ dvThe blood flow through the coronary arteries is pulsatile. Its pressure and speed change in time during one heartbeat, and this process is repeated. The easiest way to simulate such a flow is to use a transient solver, but this can be very time consuming. Using a steady state simulation (eg stationary) can be advantageous because it takes relatively less time to solve, but it is not applicable to all non-stationary phenomena. To take advantage of stationary simulation, the coronary arteries can be viewed as a piping system. In such a system, the pressure drop Ap depends on the fluid velocity ν. For normal flow, the pressure drop is a quadratic function of the velocity (Δр=aν 2 +bν+с). To determine the coefficients in this equation, you need to find three pairs of values (v,Ap). To do this, you can run three steady state simulations for different boundary conditions for pressure and velocity values (calculated from the flow rate) and you can find the pressure drop values corresponding to these velocities. Because these simulations are independent, they can be run in parallel. This allows you to significantly reduce the time required for the solution. For example, the results of a transient simulation that takes tens of hours to run can be obtained from a stationary simulation in less than an hour. An additional term has been added to the pressure drop equation to account for the effect of inertia (see Bird RB et al. (1960) Transport Phenomena. John Wiley & Sons, New York; Young D et al. (1973) Flow characteristics in models of arterial stenoses II Unsteady flow, Journal of Biomechanics, Vol. No. 1, 99-107): _dv

Δρ = avz + bv + c + kl K dt где a, b, с - коэффициенты, вычисленные на основе стационарных симуляций, k=1,2 -коэффициент инерции, l - расстояние от входа.Δρ = av z + bv + c + kl K dt where a, b, c are coefficients calculated from stationary simulations, k=1,2 is the inertia coefficient, l is the distance from the entrance.

На фиг. 21-24 показаны низкодетализированные или высокодетализированные блок-схемы способа специфического для пациента моделирования гемодинамических параметров в коронарных артериях с использованием симуляции устойчивого состояния или симуляции переходных состояний. Как показано на фиг. 21-24, имеется несколько отличий между способом на основе симуляции устойчивого состояния и способом на основе симуляции переходных состояний. Однако многие детали реализации для способа на основе симуляции устойчивого состояния могут быть применены к способу на основе симуляции переходных состояний и наоборот.In FIG. 21-24 show low-detailed or high-detailed flowcharts of a method for patient-specific modeling of hemodynamic parameters in coronary arteries using steady-state or transient-state simulation. As shown in FIG. 21-24, there are several differences between the steady state simulation method and the transient simulation method. However, many of the implementation details for a steady state simulation based method can be applied to a transient simulation based method and vice versa.

Ссылаясь на фиг. 21-22, на них показаны низкодетализированные или высокодетализированные блок-схемы способа 200 специфического для пациента моделирования гемодинамических параметров в коронарных артериях с использованием симуляции устойчивого состояния.Referring to FIG. 21-22, they show low-detail or high-detail flow diagrams of a method 200 for patient-specific modeling of hemodynamic parameters in coronary arteries using steady state simulation.

Ссылаясь конкретно на фиг. 21, на этапе 202 получают и предварительно обрабатывают специфические для пациента анатомические данные. На этапе 204 трехмерную модель создают на основе полученных анатомических данных. На этапе 206 трехмерную модель подготавливают к численному анализу. На этапе 208 вычислительный анализ выполняют с использованием трехмерной модели. На этапе 210 получают и предварительно обрабатывают специфические для пациента данные о записи давления в периферической артерии. На этапе 212 граничные условия создают на основе данных о записи давления. На этапе 214 собирают и выводят результаты вычислительного анализа и граничные условия. На этапе 216 специфический для пациента план лечения подготавливают на основе результатов. Ссылаясь конкретно на фиг. 22, на этапе 302 изначально просматривают полученные специфические для пациента анатомические данные (например, данные СТ). На этапе 304 полученные анатомические данные подвергают обработке изображения. На этапе 306, который обозначает начало создания трехмерной модели на основе полученных анатомических данных, сегментируют бляшку. На этапе 308 выбирают корневые точки коронарных артерий. На этапе 310 сегментируют коронарные артерии. На этапе 312 проверяют качество сегментирования. На этапе 314 автоматически находят центральные линии артерий. На этапе 316 создают модели границы притока и оттока. На этапе 318 выводят и сглаживают монолитную модель. На этапе 320 подтверждают выведенную монолитную модель. На этапе 322, который обозначает начало подготовки монолитной модели к численному анализу, генерируют конечную сетку модели. На этапе 324 подтверждают сетку. На этапе 326, который обозначает начало выполнения вычислительного анализа, набор случаев CFD подготавливают к численному анализу. На этапе 328 набор случаев CFD решают путем гидродинамических симуляций. На этапе 330 подтверждают результаты симуляции. На этапе 332 изначально просматривают полученные специфические для пациента анатомические данные (например, записанные данные о давлении). На этапе 334, на котором начинается создание граничных условий на основе записанных данных о давлении, данные о давлении вводят в модель системы кровообращения. На этапе 336 результаты из модели системы кровообращения вводят в модель камер сердца. На этапе 338 результаты из модели камер сердца вводят в модель коронарного кровотока, вводы которых используют для определения граничных условий. На этапе 340 подтверждают результаты определения граничных условий. На этапе 342 собирают результаты определения граничных условий и анализа вычислительной гидродинамики. На этапе 344 выводят собранные результаты.Referring specifically to FIG. 21, in step 202, patient-specific anatomical data is acquired and pre-processed. At step 204, a three-dimensional model is created based on the received anatomical data. At step 206, the 3D model is prepared for numerical analysis. At step 208, the computational analysis is performed using the 3D model. At 210, patient-specific peripheral arterial pressure recording data is obtained and pre-processed. At 212, boundary conditions are created based on the pressure record data. At step 214, the results of the computational analysis and boundary conditions are collected and output. At 216, a patient-specific treatment plan is prepared based on the results. Referring specifically to FIG. 22, at step 302, the acquired patient-specific anatomical data (eg, CT data) is initially viewed. In step 304, the acquired anatomical data is subjected to image processing. At step 306, which marks the beginning of the creation of a three-dimensional model based on the received anatomical data, the plaque is segmented. At 308, root points of the coronary arteries are selected. At 310, the coronary arteries are segmented. At step 312, the quality of the segmentation is checked. At step 314, the central lines of the arteries are automatically found. At 316, inflow and outflow boundary models are created. At 318, a monolithic model is output and smoothed. At step 320, the derived monolithic model is validated. At step 322, which marks the start of preparing the monolithic model for numerical analysis, the final mesh of the model is generated. At step 324, the mesh is confirmed. At step 326, which marks the beginning of the computational analysis, the set of CFD cases is prepared for numerical analysis. At step 328, a set of CFD cases are solved by hydrodynamic simulations. At step 330, the results of the simulation are confirmed. At 332, the acquired patient-specific anatomical data (eg, recorded pressure data) is initially reviewed. At step 334, at which the creation of boundary conditions based on the recorded pressure data begins, the pressure data is entered into the model of the circulatory system. In step 336, the results from the circulatory system model are entered into the heart chamber model. At step 338, the results from the heart chamber model are fed into the coronary flow model, the inputs of which are used to determine the boundary conditions. At step 340, the results of determining the boundary conditions are confirmed. At step 342, the results of the determination of the boundary conditions and the analysis of computational fluid dynamics are collected. At step 344, the collected results are output.

Ссылаясь на фиг. 23-24, на них показаны низкодетализированные или высокодетализированные блок-схемы способа 400 специфического для пациента моделирования гемодинамических параметров в коронарных артериях с использованием симуляции переходных состояний.Referring to FIG. 23-24, they show low-detail or high-detail flow diagrams of a method 400 for patient-specific modeling of hemodynamic parameters in coronary arteries using transient simulation.

Ссылаясь конкретно на фиг. 23, на этапе 402 получают и предварительно обрабатывают специфические для пациента анатомические данные. На этапе 404 трехмерную модель создают на основе полученных анатомических данных. На этапе 406 получают и предварительно обрабатывают специфические для пациента данные о записи давления в периферической артерии. На этапе 408 граничные условия создают на основе данных о записи давления. На этапе 410 трехмерную модель подготавливают к численному анализу. На этапе 412 вычислительный анализ выполняют с использованием трехмерной модели и граничных условий. На этапе 414 выводят результаты вычислительного анализа. На этапе 416 специфический для пациента план лечения подготавливают на основе результатов. Ссылаясь конкретно на фиг. 24, на этапе 502 изначально просматривают полученные специфические для пациента анатомические данные (например, данные СТ). На этапе 504 полученные анатомические данные подвергают обработке изображения. На этапе 506, который обозначает начало создания трехмерной модели на основе полученных анатомических данных, сегментируют бляшку. На этапе 508 выбирают корневые точки коронарных артерий. На этапе 510 сегментируют коронарные артерии. На этапе 512 проверяют качество сегментирования. На этапе 514 автоматически находят центральные линии артерий. На этапе 516 создают модели границы притока и оттока. На этапе 518 выводят и сглаживают монолитную модель. На этапе 520 подтверждают выведенную монолитную модель. На этапе 522 изначально просматривают полученные специфиReferring specifically to FIG. 23, at step 402, patient-specific anatomical data is acquired and pre-processed. At step 404, a three-dimensional model is created based on the received anatomical data. At 406, patient-specific peripheral arterial pressure recording data is obtained and pre-processed. At 408, boundary conditions are created based on the pressure record data. At 410, the 3D model is prepared for numerical analysis. At 412, a computational analysis is performed using the 3D model and boundary conditions. At 414, the results of the computational analysis are output. At 416, a patient-specific treatment plan is prepared based on the results. Referring specifically to FIG. 24, at step 502, the acquired patient-specific anatomical data (eg, CT data) is initially viewed. At 504, the acquired anatomical data is subjected to image processing. At step 506, which marks the beginning of the creation of a three-dimensional model based on the received anatomical data, the plaque is segmented. At 508, root points of the coronary arteries are selected. At 510, the coronary arteries are segmented. At step 512, the quality of the segmentation is checked. At step 514, the central lines of the arteries are automatically found. At 516, inflow and outflow boundary models are created. At 518, a monolithic model is output and smoothed. At step 520, the derived monolithic model is confirmed. At step 522, the received specifics are initially viewed.

- 13 042942 ческие для пациента анатомические данные (например, записанные данные о давлении). На этапе 524, на котором начинается создание граничных условий на основе записанных данных о давлении, данные о давлении вводят в модель системы кровообращения. На этапе 526 результаты из модели системы кровообращения вводят в модель камер сердца. На этапе 528 результаты из модели камер сердца вводят в модель коронарного кровотока, вводы которых используют для определения граничных условий. На этапе 530 подтверждают результаты определения граничных условий. На этапе 532, который обозначает начало подготовки монолитной модели к численному анализу, генерируют конечную сетку модели. На этапе 534 подтверждают сетку. На этапе 536, который обозначает начало выполнения вычислительного анализа, случай CFD подготавливают к численному анализу. На этапе 538 случай CFD решают путем гидродинамической симуляции. На этапе 540 подтверждают результаты симуляции. На этапе 542 выводят результаты. Хотя варианты осуществления были описаны на языке, характерном для структурных признаков и/или методологических действий, следует понимать, что настоящее изобретение не обязательно ограничивается конкретными описанными признаками или действиями. Скорее, конкретные признаки и действия раскрыты как иллюстративные формы реализации вариантов осуществления. Условный язык, такой как, среди прочего, может, мог, мог бы или имеет возможность, если специально не указано иное или иным образом не понимается в используемом контексте, обычно предназначен для передачи того, что определенные варианты осуществления могут содержать, тогда как другие варианты осуществления не содержат определенные признаки, элементы и/или этапы. Таким образом, такой условный язык обычно не предназначен для обозначения того, что признаки, элементы и/или этапы каким-либо образом требуются для одного или нескольких вариантов осуществления, или что один или несколько вариантов осуществления обязательно содержат логику для принятия решения с помощью ввода или подсказки пользователя или без них о том, содержатся ли эти признаки, элементы и/или этапы или должны ли они выполняться в любом конкретном варианте осуществления.- 13 042942 patient-specific anatomical data (for example, recorded pressure data). At step 524, at which the creation of boundary conditions based on the recorded pressure data begins, the pressure data is entered into the model of the circulatory system. In step 526, the results from the circulatory system model are entered into the heart chamber model. At step 528, the results from the heart chamber model are input into the coronary flow model, the inputs of which are used to determine the boundary conditions. At step 530, the results of determining the boundary conditions are confirmed. At step 532, which marks the start of preparing the monolithic model for numerical analysis, the final mesh of the model is generated. At step 534, the mesh is confirmed. At step 536, which marks the beginning of the computational analysis, the CFD case is prepared for numerical analysis. At step 538, the CFD case is solved by hydrodynamic simulation. At step 540, the results of the simulation are confirmed. At step 542, the results are output. Although the embodiments have been described in language specific to structural features and/or methodological acts, it should be understood that the present invention is not necessarily limited to the specific features or acts described. Rather, specific features and actions are disclosed as illustrative forms of implementation of the embodiments. Conventional language such as, but not limited to, may, could, could, or has the ability, unless specifically noted otherwise or otherwise understood in the context used, is generally intended to convey what certain embodiments may contain, while other embodiments implementation do not contain certain features, elements and/or steps. Thus, such conditional language is generally not intended to indicate that the features, elements, and/or steps are in any way required by one or more embodiments, or that one or more embodiments necessarily contain logic for making a decision using input or prompts the user with or without them about whether these features, elements and/or steps are contained or whether they should be performed in any particular embodiment.

ПримерыExamples

Пример 1.Example 1

Результаты из способа специфического для пациента моделирования гемодинамических параметров в коронарных артериях в соответствии с одним или несколькими примерами вариантов осуществления настоящего изобретения были сравнены с результатами из реальной жизни. В частности, инвазивно собранные данные о FFR у 30 пациентов в 3 больницах сравнивали с численно вычисленными значениями FFR с использованием одного или нескольких примерных вариантов осуществления настоящего изобретения. Статистические результаты в общем для 35 стенозов обобщены в таблице ниже и на фиг. 25.Results from a method for patient-specific modeling of hemodynamic parameters in coronary arteries in accordance with one or more exemplary embodiments of the present invention were compared with real life results. In particular, invasively collected FFR data from 30 patients at 3 hospitals were compared with numerically calculated FFR values using one or more exemplary embodiments of the present invention. The statistical results for a total of 35 stenoses are summarized in the table below and in FIG. 25.

Чувствительность Sensitivity 82,4% 82.4% Специфичность Specificity 88,9% 88.9% Положительная прогностическая ценность Positive Predictive Value 87,5% 87.5% Отрицательная прогностическая ценность Точность Negative Predictive Value Accuracy 84,2% 85,7%> 84.2% 85.7%> Площадь под кривой ROC Area under the ROC curve 0,863 0.863

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM

Claims (22)

1. Способ определения гемодинамических параметров кровотока в коронарных сосудах пациента (100, 200, 400), включающий прием специфических для пациента данных (102, 202, 302, 402, 502) об анатомической структуре и специфических для пациента физиологических данных (104, 210, 322, 406, 522), при этом данные об анатомической структуре содержат структурную информацию о коронарных артериях пациента и специфические для пациента физиологические данные содержат непрерывно записываемую форму волны кровяного давления;1. A method for determining the hemodynamic parameters of blood flow in the coronary vessels of a patient (100, 200, 400), including receiving patient-specific data (102, 202, 302, 402, 502) about the anatomical structure and patient-specific physiological data (104, 210, 322, 406, 522), wherein the anatomical data includes structural information about the patient's coronary arteries and the patient-specific physiological data includes a continuously recorded blood pressure waveform; генерирование анатомической модели по меньшей мере части коронарных артерий (106, 204, 306, 308, 310, 312, 314, 316, 318, 320, 404, 506, 508, 510, 512, 514, 516, 518, 520) пациента на основе, по меньшей мере частично, данных об анатомической структуре;generating an anatomical model of at least a portion of the coronary arteries (106, 204, 306, 308, 310, 312, 314, 316, 318, 320, 404, 506, 508, 510, 512, 514, 516, 518, 520) of the patient on based, at least in part, on data about the anatomical structure; определение граничных условий для симуляции вычислительной гидродинамики (CFD) кровотока в анатомической модели (108, 212, 334, 336, 338, 340, 408, 524, 526, 528, 530) на основе, по меньшей мере частично, непрерывно записываемой формы волны кровяного давления;determination of boundary conditions for a computational fluid dynamics (CFD) simulation of blood flow in an anatomical model (108, 212, 334, 336, 338, 340, 408, 524, 526, 528, 530) based at least in part on a continuously recorded blood waveform pressure; симуляцию кровотока в анатомической модели с использованием CFD и граничных условий (110, 208, 214, 326, 328, 330, 342, 412, 536, 538, 540); и определение одного или нескольких гемодинамических параметров, связанных с коронарными артериями пациента (112, 214, 344, 414, 542), на основе, по меньшей мере частично, симуляции, отличающийся тем, что непрерывно записываемая форма волны кровяного давления основана на неинвазивном измерении, при этом определение граничных условий (108, 212, 334, 336, 338, 340, 408, 524, 526, 528, 530) simulation of blood flow in an anatomical model using CFD and boundary conditions (110, 208, 214, 326, 328, 330, 342, 412, 536, 538, 540); and determining one or more hemodynamic parameters associated with the patient's coronary arteries (112, 214, 344, 414, 542) based at least in part on the simulation, characterized in that the continuously recorded blood pressure waveform is based on a non-invasive measurement, while determining the boundary conditions (108, 212, 334, 336, 338, 340, 408, 524, 526, 528, 530) - 14 042942 включает определение данных об объемном расходе кровотока на основе, по меньшей мере частично, модели системы кровообращения и непрерывно записываемой формы волны кровяного давления;- 14 042942 includes determining data on the volume flow rate of blood flow based at least in part on the model of the circulatory system and continuously recorded blood pressure waveform; определение данных о давлении в желудочке на основе, по меньшей мере частично, модели зависимости давление-объем камер сердца и данных об объемном расходе кровотока;determining ventricular pressure data based at least in part on the pressure-volume model of the chambers of the heart and volume flow data; определение данных о потоке на входе коронарной артерии на основе, по меньшей мере частично, модели коронарного кровотока, непрерывно записываемой формы волны кровяного давления и данных о давлении в желудочке; и определение данных о потоке на выходе коронарной артерии на основе, по меньшей мере частично, закона аллометрического масштабирования и данных о потоке на входе коронарной артерии.determining coronary artery inlet flow data based at least in part on the coronary flow model, continuously recorded blood pressure waveform, and ventricular pressure data; and determining the coronary outlet flow data based at least in part on the allometric scaling law and the coronary inlet flow data. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что данные об анатомической структуре основаны на неинвазивном измерении.2. The method according to claim 1, characterized in that the data on the anatomical structure is based on a non-invasive measurement. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что данные об анатомической структуре основаны на компьютерной томографной ангиограмме.3. The method according to claim 1, characterized in that the data on the anatomical structure is based on a computed tomography angiogram. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что генерирование анатомической модели (106) не включает сегментирование аорты.4. The method according to claim 1, characterized in that the generation of the anatomical model (106) does not include segmenting the aorta. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что анатомическая модель представляет собой модель только коронарных артерий пациента.5. The method according to claim 1, characterized in that the anatomical model is a model of only the patient's coronary arteries. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что граничные условия включают граничные условия притока для коронарных артерий пациента и граничные условия оттока для коронарных артерий пациента.6. The method of claim 1, wherein the boundary conditions include inflow boundary conditions for the patient's coronary arteries and outflow boundary conditions for the patient's coronary arteries. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что модель системы кровообращения содержит по меньшей мере один функциональный блок сосредоточенных параметров, выбранный из функциональных блоков сосредоточенных параметров: (a) CR, (b) CRL и (с) RCRL, показанных на фиг. 7(а, b, c).7. The method of claim 1, wherein the circulatory system model comprises at least one lumped parameter functional block selected from the lumped parameter functional blocks: (a) CR, (b) CRL, and (c) RCRL shown in FIG. . 7(a, b, c). 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что модель зависимости давление-объем камер сердца представляет собой модель изменяющегося во времени эластанса.8. The method according to claim 1, characterized in that the pressure-volume model of the chambers of the heart is a time-varying elastance model. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что модель коронарного кровотока содержит по меньшей мере один функциональный блок сосредоточенных параметров, выбранный из функциональных блоков сосредоточенных параметров: (a) CRp, (b) CpR, (с) RCRp, (d) CpRp и (е) RCpRp, показанных на фиг. 15(a, b, c, d, e).9. The method of claim 1, wherein the coronary flow model comprises at least one lumped parameter functional block selected from lumped parameter functional blocks: (a) CRp, (b) CpR, (c) RCRp, (d) CpRp and (e) RCpRp shown in FIG. 15(a, b, c, d, e). 10. Способ по п.1, отличающийся тем, что модель коронарного кровотока содержит множество функциональных блоков сосредоточенных параметров (е) RCpRp, показанных на фиг. 15(f).10. The method of claim 1, wherein the coronary flow model comprises a plurality of functional blocks of lumped parameters (e) RCpRp shown in FIG. 15(f). 11. Способ по п.1, отличающийся тем, что состояние коронарного потока на входе определяют на основе, по меньшей мере частично, связывающей модели блоков сосредоточенных параметров системы кровообращения и коронарного кровотока, показанной на фиг. 18.11. The method according to claim 1, characterized in that the state of the coronary inlet flow is determined based at least in part on the coupling model of blocks of lumped parameters of the circulatory system and coronary blood flow shown in FIG. 18. 12. Способ по п.1, отличающийся тем, что эффекты потока, относящиеся к неоднородности стенки сердца, описывают с помощью многослойной и многосекционной модели с переменным коэффициентом давления ткани.12. The method according to claim 1, characterized in that the flow effects related to the inhomogeneity of the wall of the heart are described using a multi-layer and multi-section model with a variable tissue pressure coefficient. 13. Способ по п.12, отличающийся тем, что один или несколько гемодинамических параметров включают один или несколько гемодинамических параметров, относящихся к хронотропизму, инотропизму или лузитропизму сердца, полученных с помощью объединенной модели пуринергический рецептор-раздражитель агонизма.13. The method of claim 12, wherein the one or more hemodynamic parameters comprise one or more hemodynamic parameters related to cardiac chronotropism, inotropism, or lusitropism derived from a coupled purinergic receptor-irritant agonism model. 14. Способ по п.1, отличающийся тем, что симуляции кровотока выполняют с использованием решателя переходных состояний или решателя устойчивого состояния.14. The method of claim 1, wherein the blood flow simulations are performed using a transient state solver or a steady state solver. 15. Способ по п.1, отличающийся тем, что характеристики падения давления и потока в сосуде определяют с помощью подхода устойчивого состояния.15. The method of claim 1, wherein the pressure drop and flow characteristics of the vessel are determined using a steady state approach. 16. Способ по п.1, отличающийся тем, что один или несколько гемодинамических параметров выбирают из кровяного давления, кровотока, расхода кровотока, напряжения сдвига на стенке (WSS), индекса пульсирующего сдвига (OSI), относительного времени пребывания (RRT), фракционного резерва потока (FFR), мгновенного безволнового соотношения (iFR) и резерва коронарного потока (CFR).16. The method of claim 1, wherein one or more hemodynamic parameters are selected from blood pressure, blood flow, flow rate, wall shear stress (WSS), pulsatile shear index (OSI), relative residence time (RRT), fractional flow reserve (FFR), instantaneous waveless ratio (iFR), and coronary flow reserve (CFR). 17. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно включает вывод одного или нескольких определенных гемодинамических параметров.17. The method of claim 1, further comprising deriving one or more specific hemodynamic parameters. 18. Способ по п.17, отличающийся тем, что вывод (214, 344, 414, 542) включает отправку одного или нескольких определенных гемодинамических параметров на дисплейное устройство.18. The method of claim 17, wherein the output (214, 344, 414, 542) includes sending one or more determined hemodynamic parameters to a display device. 19. Способ по п.17, отличающийся тем, что вывод (214, 344, 414, 542) включает отправку одного или нескольких определенных гемодинамических параметров на удаленный компьютер.19. The method of claim 17, wherein the output (214, 344, 414, 542) includes sending one or more determined hemodynamic parameters to a remote computer. 20. Способ по п.17, отличающийся тем, что дополнительно включает определение специфического для пациента плана (116, 216, 416) лечения на основе, по меньшей мере частично, одного или нескольких определенных гемодинамических параметров.20. The method of claim 17, further comprising determining a patient-specific treatment plan (116, 216, 416) based at least in part on one or more determined hemodynamic parameters. 21. Способ по п.20, отличающийся тем, что специфический для пациента план лечения предусматривает оптимальное специфическое для пациента местоположение для размещения стента у пациента.21. The method of claim 20, wherein the patient-specific treatment plan provides for the optimal patient-specific location for placement of the stent in the patient. 22. Способ по п.17, отличающийся тем, что один или несколько определенных гемодинамических параметров используют как часть виртуального сердечно-легочного нагрузочного теста.22. The method of claim 17 wherein one or more defined hemodynamic parameters are used as part of a virtual cardiopulmonary exercise test.
EA202191778 2019-01-10 PATIENT-SPECIFIC MODELING OF HEMODYNAMIC PARAMETERS IN THE CORONARY ARTERIES EA042942B1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EA042942B1 true EA042942B1 (en) 2023-04-06

Family

ID=

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11871995B2 (en) Patient-specific modeling of hemodynamic parameters in coronary arteries
EP3820357B1 (en) Patient-specific modeling of hemodynamic parameters in coronary arteries
US9595089B2 (en) Method and system for non-invasive computation of hemodynamic indices for coronary artery stenosis
US10373700B2 (en) Non-invasive functional assessment of coronary artery stenosis including simulation of hyperemia by changing resting microvascular resistance
EP3127026B1 (en) Systems and methods for determining blood flow characteristics using flow ratio
CN108922580A (en) A kind of method, apparatus, system and computer storage medium obtaining blood flow reserve score
JP2017529146A (en) System and method for automatically determining myocardial bridge and patient impact
KR20140138961A (en) A framework for personalization of coronary flow computations during rest and hyperemia
JP6987282B1 (en) Blood flow simulation method and device for blood vessels unique to the subject
EA042942B1 (en) PATIENT-SPECIFIC MODELING OF HEMODYNAMIC PARAMETERS IN THE CORONARY ARTERIES
EP3905951B1 (en) Virtual stress test based on electronic patient data
Frigerio Modelling strategies for non-invasive assessment of coronary fractional flow reserve
CN115985504A (en) Method for reconstructing coronary artery model based on coronary angiography and related equipment