BR112014022734B1

BR112014022734B1 - Método para determinação de forma não invasiva de parâmetros de circulação coronariana, sistema de controle e meio não transitório legível por computador

Info

Publication number: BR112014022734B1
Application number: BR112014022734-9A
Authority: BR
Inventors: Puneet Sharma; Ali Kamen; Lucian Mihai Itu; Xudong Zheng; Constantin Suciu; Dorin Comaniciu
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2013-03-13
Publication date: 2022-05-10
Also published as: KR20140138961A; JP2015509820A; CN104244813B; EP2825091A1; CN104244813A; KR101677085B1; EP2825091B1; US10622110B2; BR112014022734A2; US20150051888A1; WO2013138428A1

Abstract

MÉTODO PARA DETERMINAÇÃO DE FORMA NÃO INVASIVA DE PARÂMETROS DE CIRCULAÇÃO CORONARIANA, SISTEMA DE CONTROLE E MEIO NÃO TRANSITÓRIO LEGÍVEL POR COMPUTADOR A invenção refere-se à determinação não invasiva de parâmetros de circulação coronariana durante estados de repouso e hiperêmico para um paciente. O fluxo de sangue nas ar térias coronárias durante um estado hiperêmico provê uma avaliação funcional da árvore de vaso coronário do paciente. Técnicas de imagem são usadas para obter um modelo anatômico de árvore coronariana do paciente. Condições de limite de repouso (230) são computadas com base em medições não invasivas tomadas em estado de repouso, e as condições de limite hiperêmicas (320) estimadas são computadas. Um sistema de controle de realimentação (400) realiza uma simulação combinando o estado de repouso, utilizando um modelo baseado no modelo anatômico e uma pluralidade de controladores (410, 420), cada controlador relativo às respectivas variáveis de saída da árvore coronariana. Os parâmetros de modelo são ajustados para as variáveis de saída para estarem de acordo com as medições do estado de repouso; as condições de limite hiperêmicas são ajustadas do mesmo modo e são utilizadas para computar as variáveis da pressão coronariana e de fluxo coronariano.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA AOS PEDIDOS RELACIONADOS

[001] Este pedido reivindica prioridade ao Pedido Provisório US No. de Série 61/611210, depositado em 15 de março de 2012, o qual é aqui incorporado por referência na sua totalidade.

CAMPO DA TECNOLOGIA

[002] A presente invenção refere-se em geral à determinação de parâmetros de circulação coronariana para um paciente, e mais particularmente a um método não invasivo que utiliza um sistema de controle de realimentação para determinar os parâmetros de circulação coronariana durante um estado de repouso e um estado hiperêmico para um paciente.

ANTECEDENTE

[003] Os exames de imagem são normalmente utilizados pelos médicos para diagnosticar as doenças e determinar os tratamentos relacionados com a árvore coronariana do paciente, tais como obstruções em vários vasos coronários. Por exemplo, se uma obstrução parece ser grave, o médico pode tomar medidas invasivas, tais como a inserção do stent ou cirurgia, para aliviar a obstrução. No entanto, os resultados de imagem por si só, muitas vezes não fornecem uma avaliação completa para o médico. Em particular, os resultados de imagem não fornecem uma avaliação funcional da árvore coronariana do paciente, o que pode ser valioso para o médico no diagnóstico e tratamento subsequente. É, portanto, desejável ter uma abordagem não invasiva para a obtenção de uma avaliação funcional da árvore coronariana do paciente.

SUMÁRIO

[004] As modalidades da presente invenção proveem a determinação de parâmetros de circulação coronariana durante um estado de repouso e um estado hiperêmico para um paciente por meio de medições não invasivas e de uma estrutura de estimação de parâmetros iterativo com base em um sistema de controle de realimentação. Esta abordagem não invasiva permite a obtenção de uma avaliação funcional de vasos coronários do paciente.

[005] De acordo com uma modalidade, a determinação dos parâmetros de circulação coronariana inclui obter, por meio de imagem, de um modelo anatômico de uma árvore coronariana do paciente; determinar as condições de limite de repouso do paciente com base em medições não invasivas tomadas em um estado de repouso; computar as condições de limite hiperêmicas do paciente; implementar um sistema de controle de realimentação para executar uma simulação correspondente ao estado de repouso, em que o sistema de controle de retorno utiliza um modelo baseado no modelo anatômico da circulação coronariana e uma pluralidade de controladores, cada um da pluralidade de controladores relativos a uma respectiva variável de saída a árvore coronariana, e os parâmetros do modelo são ajustados para as variáveis de saída para estar de acordo com as medições do estado de repouso; ajustar as condições de limite hiperêmicas com base nos ajustes ao modelo; e realizar uma computação do fluxo correspondente ao estado hiperêmico utilizando o modelo ajustado.

[006] Em uma modalidade, a simulação correspondente aos resultados do estado hiperêmico em variáveis de saída hiperêmica da árvore coronariana, as variáveis de saída hiperêmicas compreendendo um ou mais de pressão coronariana e fluxo coronariano.

[007] Em uma modalidade, o modelo anatômico da árvore coronariana do paciente é obtido através de pelo menos uma varredura de TC, uma varredura de MRI, uma varredura de angiografia, uma varredura de ultrassom, e uma varredura de perfusão cardíaca.

[008] De acordo com uma modalidade, as medições não invasivas tomadas em um estado de repouso compreendem um ou mais de frequência cardíaca, pressão sanguínea sistólica e pressão sanguínea diastólica.

[009] Em uma modalidade, as condições de limite de repouso do paciente compreendem valores de resistência e capacitância terminais nas saídas dos vasos durante o estado de repouso. De acordo com uma modalidade, as condições de limite de repouso são ajustadas usando informações provenientes de um exame de perfusão cardíaca.

[0010] Em uma modalidade, as condições de limite hiperêmicas do paciente são uma função das condições de limite de repouso do paciente e compreendem os valores de resistência terminal na saída dos vasos durante o estado hiperêmico. De acordo com uma modalidade, as condições de limite hiperêmicas são ajustadas por meio de informações provenientes de um exame de perfusão cardíaca.

[0011] Em uma modalidade, um primeiro da pluralidade de controladores se refere à resistência coronariana da árvore coronariana, e um segundo da pluralidade de controladores se refere à saída cardíaca.

[0012] De acordo com uma modalidade, os parâmetros de modelo são adaptados em uma série de iterações até que as variáveis de saída estejam de acordo com os dados medidos do paciente.

[0013] As características adicionais e vantagens da invenção serão tornadas evidentes a partir da seguinte descrição detalhada das modalidades ilustrativas, que prosseguem com referência aos desenhos anexos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0014] O que precede e outros aspectos da presente invenção são melhor compreendidos a partir da seguinte descrição detalhada quando lida em conexão com os desenhos que a acompanham. Para o propósito de ilustrar a invenção, mostra-se nos desenhos as modalidades que são atualmente preferidas, subentendendo-se, no entanto, que a invenção não está limitada aos instrumentos específicos descritos. Incluído nos desenhos estão as seguintes figuras:

[0015] A figura 1 é uma representação de uma vista geral do fluxo de trabalho para a determinação de forma não invasiva de parâmetros de circulação coronariana durante um estado hiperêmico para um paciente, de acordo com uma modalidade;

[0016] A figura 2 é uma representação da estimativa das condições de limite no estado de repouso, de acordo com uma modalidade;

[0017] A figura 3 é uma representação da estimativa das condições de limite no estado hiperêmico, de acordo com uma modalidade;

[0018] A figura 4 é uma representação em diagrama de blocos de um sistema de controle de realimentação que é utilizado para a simulação do estado de repouso, de acordo com uma modalidade;

[0019] As figuras 5A e 5B são diagramas de fluxo que ilustram o processo de determinação dos parâmetros de circulação coronariana durante o estado hiperêmico para um paciente, de acordo com uma modalidade;

[0020] A figura 6 é uma representação do sistema de circulação coronariana utilizado em várias modalidades;

[0021] As figuras 7A e 7B ilustram os resultados das análises para um cenário de teste de aspectos da presente invenção; e

[0022] As figuras 8A, 8B, 8C, e 8D são uma série de gráficos que ilustram os parâmetros de circulação coronariana durante uma simulação de exemplo, de acordo com uma modalidade.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES ILUSTRATIVAS

[0023] As modalidades da presente invenção se referem à forma determinação não invasiva de parâmetros de circulação coronariana durante um estado de repouso e um estado hiperêmico para um paciente. O fluxo de sangue nas artérias coronárias durante um estado hiperêmico fornece uma avaliação funcional da árvore coronariana do paciente, que serve como uma ferramenta valiosa para um médico para diagnóstico e tratamento. O estado hiperêmico se refere a um estado de não repouso, no qual o coração bombeia mais sangue do que no estado de repouso. A abordagem não invasiva fornecida pelas modalidades da presente invenção é desejável que o paciente não é submetido a medidas invasivas demoradas e / ou desconfortáveis, o que inerentemente possui riscos, tais como, por exemplo, a infecção.

[0024] De acordo com as modalidades, os resultados de imagem são usados para fornecer uma visão anatômica ou modelo de vasos coronários ou árvore coronariana de um paciente. As informações fornecidas pela imagem anatômica incluem características tais como o tamanho e localização da obstrução na árvore coronariana. A fim de determinar a forma como a informação anatômica funcionalmente afeta o paciente, as modalidades da presente invenção fornecem um método para a determinação do fluxo de sangue nas artérias coronárias durante um estado hiperêmico. Este método baseia-se em um novo processo de estimativa para determinar as condições de limite de dados do paciente adquiridos de forma não invasiva em repouso. A estrutura de controle de realimentação multivariável é utilizada para garantir que os valores dos parâmetros simulados, com base nas informações fornecidas pela imagem anatômica, correspondem aos valores estimados para um paciente individual, durante o estado de repouso As condições de limite em hiperemia são derivados dos respectivos valores de estado de repouso através de uma função de transferência que é baseada em características e fenômenos físicos conhecidos. Os parâmetros que são os principais determinantes do fluxo sanguíneo coronariano durante o estado de repouso são frequência cardíaca, pressão aórtica média, e a massa do miocárdio, por exemplo. Uma vez que estes parâmetros (e, consequentemente, a circulação de repouso) tem uma alta variabilidade entre os indivíduos, os principais índices de diagnósticos coronarianos são baseados nas condições de fluxo sanguíneo hiperêmicas, que são específicas para um determinado paciente.

[0025] De acordo com as modalidades aqui providas, o método pode ser resumido da seguinte forma: primeiramente as condições de limite de repouso são determinadas, seguido por uma computação das condições de limite hiperêmicas. Em seguida, um sistema de controle de realimentação é utilizado para executar uma simulação que corresponde ao estado de repouso. Finalmente, depois de se estabelecer as condições de limite hiperêmicas, o modelo arterial é retirado do circuito de controle e uma simulação que corresponde ao estado hiperêmico é realizada.

[0026] A figura 1 provê uma representação geral de alto nível do fluxo de trabalho 100 para determinar de forma não invasiva os parâmetros de circulação coronariana durante um estado hiperêmico para um paciente. Outros aspectos relacionados com cada fase do fluxo de trabalho 100 são fornecidos a seguir em maiores detalhes. A etapa 110 do fluxo de trabalho 100 representa a aquisição de imagem e as medições não invasivas em um estado de repouso do paciente. A aquisição das imagens podem ser adquiridas com uma varredura de TC, uma varredura de MRI, uma varredura de angiografia, uma varredura de ultrassom, um varredura de perfusão cardíaca, ou outra tecnologia capaz de obter uma imagem precisa, clara da estrutura anatômica do paciente. As medições não invasivas podem incluir, mas não estão limitadas à frequência cardíaca e à pressão sanguínea.

[0027] Em 120, a modelagem anatômica é realizada para obter uma estrutura baseada no modelo anatômico da árvore coronariana para o paciente. A modelagem anatômica pode incluir o estabelecimento de parâmetros com relação à imagem obtida do paciente, tais como, por exemplo, o fluxo e pressão através de várias porções da árvore coronariana. A modelagem anatômica pode também incluir a segmentação da árvore coronariana para se concentrar em áreas de interesse para o paciente específico. A modelagem anatômica pode envolver a construção de um modelo 3D de vasos coronários do paciente, a aorta proximal e o miocárdio.

[0028] A etapa 130 do fluxo de trabalho 100 representa a entrada de um médico, incluindo o fornecimento de realimentação para o modelo anatômico para ajustar o modelo com base em seu conhecimento ou outras informações relacionadas ao paciente, por exemplo.

[0029] As computações do fluxo são calculadas em 140, com a realimentação do médico (130 do fluxo de trabalho 100sendo inserido, se necessário, para chegar à avaliação funcional da árvore coronariana do paciente. As computações de fluxo utilizam as condições de limite hiperêmicas, que são ajustadas como resultado da aplicação de um sistema de controle de realimentação que realiza uma simulação correspondente ao estado de repouso. O sistema de controle de realimentação utiliza um modelo baseado no modelo anatômico da circulação coronariana, e inclui também uma pluralidade de controladores, com cada um da pluralidade de controladores relativos a uma respectiva variável de saída da árvore coronária. O modelo é ajustado para permitir que as variáveis de saída estejam de acordo com as medições do estado de repouso. As variáveis de saída que concordam com as medidas estatais de repouso são uma indicação de que o modelo reflete com precisão o paciente. Em seguida, as condições de limite hiperêmicas são ajustadas com base nas modificações introduzidas no modelo. O sistema de controle de realimentação é descrito em maiores detalhes com relação às figuras 4, 5A, e 5B.

[0030] Um relatório é provido em 150, com o relatório de identificação dos resultados de uma simulação que corresponde ao estado hiperêmico utilizando o modelo ajustado. O relatório inclui a avaliação funcional da árvore coronariana do paciente e pode incluir, mas não está limitado a, informações como parâmetros de reserva de fluxo fracionado (FFR) e reserva de fluxo coronariano (RFC) com base no estado hiperêmico que serve as ferramentas de diagnóstico como importantes para um médico.

[0031] Para uma simulação precisa de um fluxo de sangue coronária de um paciente, dois requisitos fundamentais para os métodos à base de dinâmica computacional de fluidos (CFD) são: (1) um modelo anatômico da árvore dos vasos coronários e (b) as condições de limite na entrada e saídas. Recentes avanços no processamento de imagens médicas têm abordado precedentes empregando algoritmos manuais, semiautomáticos ou totalmente automáticos para segmentação de imagem com multimodalidade e geração de malha da superfície.

[0032] A figura 2 provê uma representação 200 para estimar as condições de limite no estado de repouso, enquanto que a figura 3 provê uma representação 300 da estimativa das condições de limite no estado hiperêmico, os quais são descritos mais detalhadamente abaixo.

ESTIMATIVA DAS CONDIÇÕES DE LIMITE NO ESTADO DE REPOUSO

[0033] Uma vez que a região de interesse, ou seja, a árvore de vasos coronários faz parte do sistema de circulação maior, as condições de limite de entrada e de saída são escolhidas de tal modo que eles modelam adequadamente o fenômeno proximal e distal da circulação do paciente. Os modelos levam em conta o efeito da contração do miocárdio no fluxo. Estes modelos concentrados são geralmente compostos por um conjunto de resistências e adesões, que representam as camas microvasculares. O cumprimento influencia a forma de onda transitória, enquanto o valor médio é afetado somente pela resistência. Uma vez que os índices de diagnóstico chaves (como FFR e CFR) baseiam-se em quantidades médias durante o ciclo cardíaco, a estimativa de estado limite é limitada para determinar corretamente os valores de resistência em cada saída, a qual é definida como a razão entre a pressão do fluxo através da saída. A pressão arterial média (MAP) é constante nas artérias epicárdicas saudáveis e pode ser estimada pelas pressões sistólicas, diastólica arterial de manguito (PAS e PAD), e a frequência cardíaca da seguinte forma:

[0034] O fluxo coronariano depende da demanda de oxigênio do coração, e uma vez que a extração de oxigênio nos capilares coronarianos está perto de níveis máximos, mesmo em estado de repouso, o aumento da necessidade metabólica pode ser satisfeito apenas através de um aumento do fluxo, o fluxo coronário, portanto, é proporcional à necessidade de oxigênio. É difícil quantificar a demanda e o consumo de oxigênio nas coronárias através de medidas não invasivas. Vários métodos para estimar o consumo de oxigênio de variáveis mecânicas foram propostos no passado, com a frequência cardíaca como um principal determinante do consumo de oxigênio. O segundo principal determinante é a pressão (a geração de pressão custa mais oxigênio do que o encurtamento muscular, ou seja, o fluxo). O índice mais amplamente utilizado para estimar o consumo de oxigênio do miocárdio é o produto da taxa de pressão, segundo o qual:

[0035] Para determinar o valor absoluto do fluxo de repouso (Qrepouso), a perfusão de repouso é multiplicada com a massa total do miocárdio. Em corações normais, o ventrículo esquerdo representa tipicamente dois terços da massa total, ou seja, Qrepouso = Qrepouso x 1,5 x MLV. Daí a resistência coronariana total pode ser computada como Rcor = MAP / Q repouso. O valor M LV é estimado a partir de imagens de TC por segmentação do miocárdio. A próxima etapa é a de distribuir a resistência total dos diversos modelos amontoados nas saídas. Para fazer isso, a lei de Murray, que afirma que a energia necessária para o fluxo de sangue e a energia necessária para manter a vasculatura é assumida mínima e, por conseguinte, Qi ~ constante e r é o raio do vaso. Um valor de 3 potência tem sido sugerido pela invariabilidade de cisalhamento (taxa) quando a taxa de fluxo varia substancialmente. Em seguida, o fluxo de repouso absoluto, que é a soma de todos os fluxos de saída, é escrito como:

[0036] O fluxo através de uma saída em particular é determinado por:

[0037] Deste modo, as resistências terminais podem agora ser

[0038] Com referência à figura 2, a representação 200 provê um sumário conciso das estimativas das condições de limite para o estado de repouso, como descrito acima em relação às equações (1), (2) e (3). Os parâmetros 210 utilizados para a estimativa incluem frequência cardíaca, pressão sanguínea diastólica, pressão sanguínea sistólica, e os dados de imagem (tais como dados de imagem de TC). A estimativa de condição de limite no repouso (220) é realizada com os parâmetros de entrada 210 e as equações (1), (2) e (3), resultando na cama coronariana e condições de limite de circulação sistêmica no repouso (230). As condições de limite no repouso incluem, mas não estão limitadas a, o produto de pressão - taxa, q repouso ; o fluxo através de uma saída especial, Qi ,e as resistências terminais, Ri.

[0039] Estimativa das condições de limite em hiperemia

[0040] A hiperemia induzida por fármacos de forma intravenosa e intracoronária leva a reduções semelhantes em resistências microvasculares. A administração intravenosa de adenosina conduz a um ligeiro aumento da frequência cardíaca e da diminuição da pressão sanguínea. Para uma simulação, o efeito vasodilatador intracoronária pode ser estendido infinitamente e minimamente influencia a frequência cardíaca e a pressão sanguínea. A adenosina conduz a um aumento da velocidade do fluxo coronário de cerca de 4,5 para indivíduos normais, saudáveis (sem doença da artéria coronária). Conforme a pressão arterial diminui um pouco durante a hiperemia, um aumento de 4,5 vezes no fluxo não significa uma diminuição de 4,5 vezes na resistência coronariana. Um índice de resistência total coronariana (IRCT) pode ser computado, o que é igual a:

[0041] Um valor médio de TCRI = 0,22 foi obtido durante vários estudos. Ele aumenta de 0,22, para HR inferior a 75 bpm, a 0,26, para uma frequência cardíaca de l00 bpm, e para 0,28 para a frequência cardíaca de 120 bpm. Portanto, a relação a seguir pode ser derivada para se obter um TCRI corrigido de RH:

[0042] Por fim, as resistências hiperêmicas microvasculares são calculadas por:

(Ri) repouso é o valor a partir da equação (3).

[0043] Com referência à figura 3, a representação 300 fornece um sumário conciso das estimativas das condições de limite para a hiperemia, como descrito acima em relação às equações (4) e (5). Os parâmetros de entrada 210 e a estimativa de condições de limite em estado de repouso 220 são aplicados a um modelo para efeitos de hiperemia 310, como representado pelas equações (4) e (5). Isso resulta nas condições de limite de circulação sistêmica e de cama coronariana em hiperemia (320). As condições de limite em hiperemia incluem, mas não estão limitadas ao índice de resistência coronariana total, TCRI; e resistências hiperêmicas microvasculares, (Ri) hiper

- SISTEMA DE CONTROLE DE REALIMENTAÇÃO

[0044] A fim de avaliar com precisão os índices diagnósticos coronarianos, o objetivo de uma simulação CFD é obter as mesmas taxas médias de pressão e fluxo no interior das artérias coronárias como obtido se o paciente estivesse em repouso / hiperemia intracoronariana induzida por fármacos. Uma vez que o método proposto é baseado em parâmetros adquiridos durante o estado de repouso, é importante a primeira configuração da simulação para o estado de repouso e, em seguida, fazer a transição para a hiperemia. As resistências coronarianas são determinadas como descrito acima em relação à descrição da estimativa das condições de limite em estado de repouso. Como resultado, se o mapa simulado corresponder ao valor determinado através da equação (1), o fluxo coronariano combina automaticamente o valor estimado. Durante a hiperemia intracoronariana induzida por fármacos, MAP cai ligeiramente, devido à diminuição das resistências coronarianas. Para capturar este aspecto, a circulação coronariana está acoplada à aorta. Este acoplamento permite também a utilização de um modelo simplificado do coração, a fim de prover a condição de limite de entrada. Se apenas as coronárias foram modeladas, então qualquer fluxo ou pressão variante no tempo seria necessário na entrada, nenhum dos quais está disponível de forma não invasiva. O fluxo coronariano em repouso representa cerca de 4 a 5 % do débito cardíaco total. Embora o foco encontra-se na circulação coronariana, as resistências sistêmicas (acopladas à saída da aorta e dos outros vasos proximais) estão adaptadas de modo que o fluxo coronariano total é de cerca de 4 a 5 % do débito cardíaco. A segunda variável de referência é o fluxo coronariano como percentual do débito cardíaco. Uma estimativa precisa para que durante o repouso é importante obter uma diminuição da pressão aórtica precisa ao realizar simulação em hiperemia.

[0045] A figura 4 mostra o sistema de controle de realimentação 400, que é usado para a estimativa de estado de repouso, e para as computações de fluxo para o estado em hiperemia. O sistema de controle de realimentação utiliza um modelo 430 com base no modelo anatômico da árvore coronariana e inclui uma pluralidade de controladores (tais como os controladores 410 e 420), cada um deles correspondendo a uma respectiva variável de saída da árvore coronariana. Como se mostra, o controlador 410 é um controlador de resistência sistêmica relacionado à resistência coronariana da circulação coronariana, e o controlador 420 é um controlador de débito cardíaco, relativo ao débito cardíaco. O modelo de paciente 430 (ou seja, o modelo anatômico da árvore coronariana para o paciente) é usado para gerar os valores simulados de fluxo e pressão. Os valores simulados estão adaptados para as equações de cálculo do fluxo (computações 440 e 450), cujos resultados são comparados com aqueles derivados a partir das medições não invasivas. Se um erro (E) está determinado a existir a partir da comparação, os controladores 410 e 420 ajustam os parâmetros do modelo 430 para permitir que as variáveis de saída estejam de acordo com as medições do estado de repouso. Esse processo pode levar várias iterações até que o modelo 430 com precisão reflete o paciente. Além disso, os controladores adicionais (não mostrados) podem também ser incorporados no sistema de controle de realimentação 400. Se incluídos, cada controlador adicional relaciona-se com outro aspecto da árvore dos vasos coronários e pode aumentar a precisão do modelo do paciente 430.

[0046] Uma vez que as variáveis de saída estão de acordo com as variáveis com base nas medidas não invasivas, as condições de limite hiperêmicas estão em conformidade com base nas atualizações feitas no modelo de paciente 430 e são utilizadas nas equações de cálculo do fluxo para a obtenção dos parâmetros de circulação coronariana (fluxo e pressão) durante o estado hiperêmico para o paciente.

[0047] O processo é ainda representado no fluxograma 500 da figura 5 A e a representação da computação 570 da figura 5B. Com referência à figura 5A, em 510, os parâmetros do modelo são inicializados. Isto se refere aos valores simulados de fluxo e pressão, por exemplo. Em 520, as computações de fluxo são realizadas. Em 530, a comparação é feita entre os dados medidos (com base nas medições não invasivas) e os dados simulados (com base no modelo). Em 540, é feita uma determinação para verificar se um objetivo é satisfeito. O objetivo pode referir-se a um erro percentual entre os valores medidos e os dados simulados. Se o erro de porcentagem for igual ou inferior a um valor predeterminado (que pode ser diferente para cada variável), o objetivo é satisfeito. Em 550, se o erro de porcentagem não for menor que o valor predeterminado, em seguida, os parâmetros do modelo precisam ser atualizados, conforme determinado pelos controladores 410 e 420. As computações em 520, a avaliação em 530, e a determinação de satisfazer o objetivo em 540 são repetidas. Uma vez que o objetivo é satisfeito, os resultados podem ser apresentados em 560.

[0048] A figura 5B ilustra o processo computacional 570 que conduz aos parâmetros de circulação coronariana (fluxo e pressão) durante o estado hiperêmico para o paciente. O cálculo do fluxo (590), utilizando as condições de limite em hiperemia (320), juntamente com um modelo de coração (575) e o modelo do paciente (580, 585), são utilizados para derivar o fluxo coronariano e a pressão coronariana em hiperemia (595). Estes parâmetros podem ser utilizados para a determinação de outras variáveis hiperêmicas para o paciente.

[0049] A partir de uma análise de sensibilidade, existem várias maneiras de alterar o débito cardíaco do modelo de coração, ou seja, o tempo de elastância máxima, contratilidade máxima, volume morto, o volume inicial do ventrículo esquerdo (VE), resistência sistêmica ou pressão atrial esquerda (a frequência cardíaca é determinada e não pode ser alterada). A sensibilidade mais elevada é devido à diferença entre o volume inicial do VE e o volume morto. Note-se que o objetivo do método proposto é chegar a um estado de equilíbrio, que corresponde ao estado de equilíbrio específico do paciente corretamente, e não necessariamente modelar os aspectos transitórios do mecanismo de controle. Uma vez que a simulação tem convergido e os valores para as resistências sistêmicas e para a diferença entre o volume inicial e o volume LV mortos foram determinadas, a malha de controle está desligada, e as resistências de saída de repouso são substituídas pelas resistências hiperêmicas. Assim, o MAP é permitido cair um pouco e, o percentual representado pelo fluxo coronariano para fora do fluxo total se torna muito maior, pois o fluxo coronário aumenta várias vezes. A simulação é executada novamente até a convergência.

[0050] A figura 6 fornece uma representação 600 de um modelo da circulação coronariana, indicando os locais de condições de limite rotulados como "BC". Ra indica a resistência arterial proximal; Ca a complacência arterial; Ram resistência microvascular arterial; Cim Cumprimento intramiocárdico (que representa redução de volume com a contração sistólica); RVM resistência venosa microvascular; e resistência venosa Rv.

[0051] O método aqui descrito foi testado usando um modelo específico do paciente de ordem reduzida. Os vasos proximais são modelados utilizando segmento ID enquanto as camas microvasculares são representadas tanto por modelos de 3 elementos Windkessel, ou através de modelos especializados tratados para a circulação coronariana. As resistências de saída totais foram determinadas, enquanto os modelos coronarianos tratados são compostos por quatro resistências diferentes. A primeira resistência é igual à resistência à característica, de modo a minimizar as reflexões, enquanto as terceira e quarta resistências representam as resistências arteriais e venosas microvasculares que são consideradas constantes. Assim, a resistência arterial microvascular é determinada como a diferença entre as resistências total e as outras três. Note-se que a pressão e fluxo médios dependem da resistência total e não sobre a sua distribuição para as resistências individuais. Dados específicos do paciente foram extraídos de varreduras coronarianas de CTA por segmentação de imagens, extração de lúmen e linha central. A circulação sistêmica é representada pelo comprimento e raios médios, mas isto não afeta os resultados uma vez que o papel da circulação sistêmica é capturar corretamente as condições de hiperemia e este objetivo é alcançado se a pressão em estado de repouso e a porcentagem de fluxo coronário correspondem o estado do paciente. Uma estenose de diâmetro artificial de 65 % com um comprimento de 1,0 centímetros foi introduzida em um dos ramos da artéria descendente esquerda. A análise de sensibilidade foi realizada para os quatro parâmetros diferentes de entrada do método proposto: frequência cardíaca, pressão sistólica e diastólica (tomadas em conjunto uma vez que o MAP é a entrada real), a massa ventricular esquerda e o coeficiente de potência n. Os valores de base utilizados para a análise são: HR = 60 bpm, PAS de 140 mmHg, PAD = 100 mmHg, LVM = 250 g, n = 3. Cada parâmetro de entrada é variado individualmente por ± 10 %, ± 20 % e ± 30 % (exceto o coeficiente de potência, onde apenas ± 10 % e ± 20 % de variação foram feitas). As pressões do manguito foram variadas simultaneamente na mesma porcentagem.

[0052] As figuras 7A e 7B mostram os resultados, respectivamente, 710 e 720, da análise de sensibilidade para a gota transestenótica de pressão (P) e Pd / Pa. A maior sensibilidade para P é em relação às pressões de manguito, seguido por LVM (vide 710 na figura 7A). Para FFR (Pd / Pa), a maior sensibilidade é em relação à MVE, seguido por HR (vide 720 na figura 7B). Em ambos os casos, o coeficiente de potência tem influência mínima. Para demonstrar ainda mais a necessidade de uma estimativa da condição de limite de saída exata, as resistências hiperêmicas foram diretamente manipuladas através de ± 10 %, ± 20 % e ± 30 %, e a Tabela I abaixo mostra os resultados para ΔP e FFR. Os resultados mostram claramente que não é suficiente a utilização de um circuito fechado de controle, como o representado na figura 4, ou qualquer outra abordagem, que coincide com o ritmo cardíaco e a pressão do paciente, mas que é crucial para determinar corretamente a resistência microvascular hiperêmica e de repouso de cada recipiente de saída, a fim de estimar corretamente os valores de índices hemodinâmicos. Para o caso dado, o valor varia entre FFR 0,628 e 0,784, um intervalo que se cruza o valor de corte utilizado na prática clínica.

TABELA I

[0053] As figuras 8A a 8D exibem a evolução das duas variáveis controladas (pressão aórtica (810 na figura 8A) e a porcentagem de fluxo coronariano (820 na figura 8B)) e das entradas do sistema (resistência sistêmica (840 na figura 8D) e o volume do VE inicial (830 na figura 8C)) durante uma simulação realizada com os valores de base dos parâmetros. Cada gráfico é dividido em três seções: (1) representa o período de inicialização, (2) representa o período de tempo durante o qual o sistema de controle de realimentação apresentado na figura 4 é utilizado e o estado de repouso, é simulado, e (3) representa a simulação do estado hiperêmico. As figuras 8A e 8B mostram claramente como, durante a fase (2) da simulação, os valores convergem para os valores de referência estimados para o estado de repouso do paciente. Durante a fase (3) (hiperemia), as duas entradas do sistema permanecem constantes (um circuito de realimentação não é mais usado), e, uma vez que a resistência coronariana diminui, diminui a pressão aórtica e a porcentagem do fluxo coronariano aumenta.

[0054] Um método é introduzido para estimar as condições de limite coronarianos específicos do paciente (em repouso e hiperemia), em conjunto com um sistema de controle de realimentação que pode ser utilizado para assegurar que uma simulação baseada em CFD corresponda a pressão coronariana específica para cada paciente e o fluxo. As principais vantagens desta abordagem é que se baseia exclusivamente nos parâmetros, que são adquiridos de forma não invasiva durante o estado de repouso, e que ele pode ser usado para a simulação de ordem total ou de ordem reduzida. Além disso, pode ser usado para avaliar os índices de diagnóstico coronarianos, que se baseiam exclusivamente em estado hiperêmico (por exemplo, FFR) ou com base no estado de repouso e hiperêmico (por exemplo, CFR).

[0055] O método proposto não leva em consideração as diferenças entre os sexos (as mulheres necessitam de um fluxo de repouso maior para a mesma quantidade de massa do miocárdio), mas não há nenhum estudo que também leve em conta o gênero ao avaliar o fluxo coronariano em repouso. Os pacientes com angina de repouso tem que ser excluídos, uma vez que a angina significa que o fluxo de repouso não coincide com a demanda de oxigênio, portanto, a equação (1) pode não ser mais válida. Os pacientes hipertensos e pacientes com doença microvascular tem que ser modelados separadamente, uma vez que os valores calculados de TCRI através da equação (4) não seriam mais válidos.

[0056] O sistema de controle de realimentação 400 pode ser um ou mais dispositivos de processamento, os dispositivos de computação, processadores, ou semelhantes, para realizar os cálculos e as operações aqui descritas. Por exemplo, um ou mais processadores podem ser utilizados para realizar os cálculos e as operações de determinação das condições de limite do estado de repouso e hiperêmicas, implementando o modelo de paciente 430 e os controladores 410 e 420, e determinar o cálculo do fluxo.

[0057] O sistema de controle de realimentação 400 pode interagir com um ou mais dispositivos de memória (não mostrados), tais como memória semente para leitura (ROM), memória de acesso aleatório (RAM), e um ou mais dispositivos não transitórios de memória opcionais, como, por exemplo, um disco rígido externo ou interno de DVD, uma unidade de CD-ROM, disco rígido, memória flash, uma unidade USB, ou algo semelhante. Os dispositivos de memória podem ser configurados para incluir arquivos individuais e / ou em um ou mais bancos de dados para o armazenamento de todos os módulos de software, instruções ou dados.

[0058] Instruções de programa, software, ou módulos interativos para realizar qualquer uma das etapas funcionais associadas com os processos como descritos acima, podem ser armazenados na ROM e / ou na memória RAM. Opcionalmente, as instruções do programa podem ser armazenadas em um meio legível por computador tangível, como um disco compacto, um disco digital de memória flash, um cartão de memória, uma unidade USB, um meio de armazenamento de disco ótico, como um disco de Blu-ray ™, e / ou outro meio de gravação.

[0059] Uma interface de exibição opcional pode permitir que as informações do sistema de controle de realimentação 400 sejam exibidas em um ou mais monitores de áudio, visual, gráfico, e / ou formato alfanumérico. A comunicação com dispositivos externos pode ocorrer usando várias portas de comunicação que podem ser associadas a uma ou mais redes de comunicação, como a Internet ou uma rede de área local, ou diretamente para um dispositivo de computação portátil, como um computador portátil. Uma interface pode permitir a recepção de dados a partir de dispositivos de entrada tais como um teclado, um mouse, um joystick, uma tela tátil, um controle remoto, um dispositivo apontador, um dispositivo de entrada de vídeo, um dispositivo de entrada de áudio, e outros semelhantes.

[0060] Embora a presente invenção tenha sido descrita com referência às modalidades exemplares, não está limitada a elas. Os versados na técnica irão apreciar que numerosas alterações e modificações podem ser feitas às modalidades preferidas da invenção e que estas alterações e modificações podem ser feitas sem sair do verdadeiro espírito da invenção.

Claims

1. Método (100) para a determinação de forma não invasiva de parâmetros de circulação coronariana durante um estado hiperêmi- co para um paciente, o método caracterizado pelo fato de que compreende: Obter (120), através de imagem (110), um modelo anatômico de uma árvore coronariana do paciente; determinar as condições de limite de repouso (220) do paciente com base em medições não invasivas (210) tomadas em um estado de repouso; computar (310) as condições de limite hiperêmicas do paciente; implementar um sistema de controle de realimentação (400) para executar uma simulação que corresponde ao estado de repouso (230), em que o sistema de controle de realimentação utiliza um modelo (430) baseado no modelo anatômico (120) da circulação coronaria- na e uma pluralidade de controladores (410, 420), cada um da pluralidade de controladores (410, 420) relativos a uma respectiva variável de saída (230) da árvore coronariana, e em que os parâmetros do modelo são ajustados para as variáveis de saída para estar de acordo com as medições do estado de repouso; ajustar as condições de limite hiperêmicas com base nos ajustes ao modelo; e realizar uma computação do fluxo (140) correspondente ao estado hiperêmico utilizando o modelo ajustado.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a simulação (310) correspondente ao estado hiperê- mico (300) resulta em variáveis de saída hiperêmica (320) da circulação coronariana, as variáveis de saída hiperêmicas compreendendo um ou mais de pressão coronariana e fluxo coronariano.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o modelo anatômico da árvore coronariana do paciente é obtido (110) por meio de, pelo menos, um de uma varredura de TC, uma varredura de MRI, uma varredura de angiografia, uma varredura de ultrassom, e uma varredura de perfusão cardíaca.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as medições não invasivas (210) tomadas em um estado de repouso compreendem uma ou mais de frequência cardíaca, pressão sanguínea sistólica e pressão sanguínea diastólica.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as condições de limite de repouso (230) do paciente compreendem valores de resistência e capacitância terminais nas saídas dos vasos durante o estado de repouso.

6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que as condições de limite de repouso do paciente com base nos valores de capacitância e resistência terminais na saída dos vasos durante o estado de repouso, são ajustadas por meio de informações a partir de um exame de perfusão cardíaca.

7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as condições de limite hiperêmicas (320) do paciente são uma função (310) das condições de limite de repouso (220) do paciente e compreendem valores de resistência e capacitância terminais nas saídas dos vasos, durante o estado de hiperêmico.

8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que as condições de limite hiperêmicas (320) do paciente com base nos valores de capacitância e resistência terminais na saída dos vasos durante o estado hiperêmico são ajustadas por meio de informações a partir de um exame de perfusão cardíaca.

9. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma primeira dentre a pluralidade de controladores (410) se refere à resistência coronariana da circulação coronariana, e em que uma segunda dentre a pluralidade de controladores (420) se refere à saída cardíaca.

10. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os parâmetros do modelo (430) são ajustados através de uma série de iterações.

11. Sistema de controle de realimentação (400) para a de-terminação de forma não invasiva de parâmetros de circulação corona- riana durante um estado hiperêmico para um paciente, o sistema caracterizado pelo fato de que compreende: um ou mais processadores (410, 420) configurados para calcular (i) as condições de limite de repouso (230) do paciente com base em medições não invasivas tomadas em um estado de repouso; e (ii) as condições de limite hiperêmicas (320) do paciente; em que o um ou mais processadores (410) implementam um circuito de realimentação para efetuar uma simulação combinando o estado de repouso usando um modelo (120) com base em um modelo anatômico de uma árvore coronariana do paciente e uma pluralidade de controladores, cada um da pluralidade de controladores, relativa a uma respectiva saída variável da árvore coronariana, na qual os parâmetros do modelo são ajustados para as variáveis de saída para estarem de acordo com as medições do estado de repouso; em que um ou mais processadores são ainda configurados para: ajustar as condições de limite hiperêmicas (320) com base nos ajustes dos parâmetros do modelo feitos durante o ciclo de realimen- tação; e realizar uma computação do fluxo correspondente ao estado hiperêmico utilizando o modelo ajustado.

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a simulação (310) correspondente ao estado hiperêmico resulta em variáveis de saída hiperêmica da árvore corona- riana, as variáveis de saída hiperêmicas compreendendo um ou mais de pressão coronariana e fluxo coronariano.

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o modelo anatômico da árvore coronariana do paciente é obtido (110) através de pelo menos um de uma varredura de TC, uma varredura de MRI, uma varredura de angiografia, uma varredura de ultrassom, e uma varredura de perfusão cardíaca.

14. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que as medições não invasivas (210) tomadas a um estado de repouso compreendem um ou mais de frequência cardíaca, pressão sanguínea sistólica e pressão sanguínea diastólica.

15. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que as condições de limite de repouso (220) do paciente compreendem valores de resistência e de capacitância terminais nas saídas dos vasos durante o estado de repouso.

16. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que as condições de limite hiperêmicas (230) do paciente são uma função das condições de limite de repouso do paciente e compreendem de valores capacitância de resistência terminais em nas saídas dos vasos, durante o estado hiperêmico.

17. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que uma primeira dentre a pluralidade de controladores se refere à resistência coronariana da circulação coronariana, e em que uma segunda da pluralidade de controladores se refere à saída cardíaca.

18. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que os parâmetros do modelo são ajustados através de uma série de iterações.

19. Meio não transitório legível por computador, caracterizada pelo fato de que compreende instruções de software para deter- minar de forma não invasiva os parâmetros de circulação coronariana durante um estado hiperêmico para um paciente por: determinar (220) as condições de limite de repouso do paciente com base em medições não invasivas (110) tomadas em um estado de repouso; computar (310) as condições de limite hiperêmicas do paciente; executar uma simulação (430) correspondente ao estado de repouso, a simulação baseada em um modelo (120) de um modelo anatômico de uma árvore coronariana do paciente e uma pluralidade de variáveis de saída da árvore coronariana, em que a simulação ajusta os parâmetros do modelo para permitir as variáveis a saída de estar de acordo com as medições do estado de repouso; ajustar as condições de limite hiperêmicas com base nos ajustes ao modelo; e realizar uma computação do fluxo correspondente ao estado hiperêmico utilizando o modelo ajustado.

20. Meio não transitório legível por computador, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que a simulação (310) correspondente ao estado hiperêmico resultada em variáveis de saída (320) hiperêmicas da árvore coronariana, as variáveis de saída hiperêmicas compreendendo um ou mais do fluxo coronariano e pressão coronariana.

21. Meio não transitório legível por computador, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que as medidas não invasivas (110) tomadas em um estado de repouso compreendem um ou mais de frequência cardíaca, pressão sanguínea sistólica e pressão sanguínea diastólica.

22. Meio não transitório legível por computador, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que as condições de limite de repouso (230) do paciente compreendem valores de resistência e de capacidade terminais nas saídas de vasos durante o estado de repouso.

23. Meio não transitório legível por computador, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que as condições de limite hiperêmicas (320) do paciente são uma função das condições de limite de repouso do paciente e compreendem valores de resistência e de capacidade terminais nas saídas de vasos durante o estado hiperêmico.

24. Meio não transitório legível por computador, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que os parâmetros do modelo são ajustados ao longo de uma série de iterações.