FR3157793A1 - COMPUTER-IMPLEMENTED METHOD FOR ESTIMATING THE FRACTION OF CORONARY RESERVE FLOW, SYSTEM - Google Patents
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Abstract
PROCEDE MIS EN OEUVRE PAR ORDINATEUR D’ESTIMATION DE LA FRACTION DE FLUX DE RESERVE CORONARIENNE, SYSTEME Procédé d’estimation de la fraction de flux de réserve coronarienne (FFR) d’un vaisseau comportant : Acquisition (ACQ1) d’une première image d’un système d’imagerie ;Extraction (EXT1) d’un premier ensemble de données (ENS1) définissant des descripteurs anatomiques d’un premier vaisseau ;Acquisition (ACQ2) d’un second ensemble de données (ENS2) comportant au moins la fréquence cardiaque, la pression systolique et la masse myocardique ; Génération (GEN1) d’une sortie (S1) définissant une prédiction d’une quantité de fraction de flux de réserve coronarienne (FFR) au moyen de l’exécution d’un premier modèle d’apprentissage machine (MLA1) pour produire une sortie (S1), ledit premier modèle d’apprentissage machine (MLA1) mettant en œuvre une fonction de perte paramétrable incluant au moins un premier facteur modélisant au moins une contrainte physique paramétrée optimisée lors de l’entrainement dudit modèle (MLA1), ladite contrainte physique paramétrée résultant notamment d’un modèle numérique d’équations hémodynamiques (MOD1). Figure pour l’abrégé : Fig.5 COMPUTER-IMPLEMENTED METHOD FOR ESTIMATING THE CORONARY RESERVE FLOW FRACTION, SYSTEM Method for estimating the coronary reserve flow fraction (FFR) of a vessel comprising: Acquisition (ACQ1) of a first image from an imaging system; Extraction (EXT1) of a first data set (ENS1) defining anatomical descriptors of a first vessel; Acquisition (ACQ2) of a second data set (ENS2) comprising at least the heart rate, the systolic pressure, and the myocardial mass; Generation (GEN1) of an output (S1) defining a prediction of a coronary flow reserve fraction (FFR) quantity by means of executing a first machine learning model (MLA1) to produce an output (S1), said first machine learning model (MLA1) implementing a parameterizable loss function including at least a first factor modeling at least one parameterized physical constraint optimized during the training of said model (MLA1), said parameterized physical constraint resulting in particular from a numerical model of hemodynamic equations (MOD1). Figure for abstract: Fig.5
Description
Le domaine de l’invention se rapporte aux procédés et systèmes pour la prédiction d’une valeur de la réserve coronaire appelée FFR pour la caractérisation du flux coronarien. Le domaine de l’invention concerne plus particulièrement les méthodes non invasives mettant en œuvre des moyens logiciels pour caractériser le flux coronarien. L’invention se rapporte à des moyens offrant une aide à la décision pour la pose d’un stent, l’approfondissement de manière invasif d’une pathologie ou au contraire écarter un risque d’infarctus par exemple.The field of the invention relates to methods and systems for predicting a value of the coronary reserve called FFR for the characterization of coronary flow. The field of the invention relates more particularly to non-invasive methods implementing software means for characterizing coronary flow. The invention relates to means providing decision support for the placement of a stent, the invasive deepening of a pathology or on the contrary to rule out a risk of infarction for example.
Actuellement, la caractérisation du flux coronarien chez un patient notamment pour envisager ou non la pose d’un stent dans le cas de présence de sténoses impactant la réserve coronarienne implique de nombreuses étapes à mettre en œuvre et nécessite généralement une intervention invasive chez le patient.Currently, the characterization of coronary flow in a patient, particularly to consider whether or not to place a stent in the case of the presence of stenoses impacting coronary reserve, involves numerous steps to be implemented and generally requires an invasive intervention in the patient.
Une des constantes les plus dimensionnantes dans l’évaluation et la caractérisation du flux coronarien et la réserve coronarienne appelée FFR et signifiant dans la littérature anglosaxonne « Fractional Flow Reserve ». Généralement la mesure de la FFR avec une précision requise est réalisée à partir d’une coronarographie invasive par l’insertion d’un cathéter avec un capteur de pression. En effet, la FFR peut s’exprimer comme le rapport entre deux pressions mesurées en amont et en aval d’un vaisseau en considérant une pression amont mesurée au niveau de l’ostium afin de caractériser le flux coronarien du vaisseau. Certaines valeurs de la FFR peuvent conduire à un une surveillance du patient, à un ou des examens approfondis, ou encore à une intervention pour la pose d’un stent.One of the most important constants in the evaluation and characterization of coronary flow is the coronary flow reserve, called FFR and meaning "Fractional Flow Reserve" in the English literature. Generally, the measurement of FFR with the required precision is carried out from an invasive coronary angiography by inserting a catheter with a pressure sensor. Indeed, the FFR can be expressed as the ratio between two pressures measured upstream and downstream of a vessel, considering an upstream pressure measured at the ostium in order to characterize the coronary flow of the vessel. Certain FFR values may lead to patient monitoring, one or more in-depth examinations, or even an intervention for the placement of a stent.
Certaines solutions se basent uniquement sur une approche mettant en œuvre un modèle hémodynamique des vaisseaux à partir des équations de Navier Stokes. C’est par exemple le cas des solutions décrites dans la demande US2012/0041318 publiée le 16 février 2012. Un problème de cette approche est qu’un tel système est complexe à résoudre du fait qu’il s’agit d’un système d’équations différentielles et que ce dernier est résolu en 3D. Un tel système peut impliquer des moyens de calculs importants. Enfin, un tel modèle ne prend pas en compte une personnalisation des coefficients du système d’équations différentielles, notamment les coefficients de résistance, les coefficients de compliance, et autres conditions aux limites.Some solutions are based solely on an approach implementing a hemodynamic model of the vessels from the Navier Stokes equations. This is for example the case of the solutions described in application US2012/0041318 published on February 16, 2012. A problem with this approach is that such a system is complex to solve because it is a system of differential equations and the latter is solved in 3D. Such a system can involve significant computational resources. Finally, such a model does not take into account a customization of the coefficients of the system of differential equations, in particular the resistance coefficients, the compliance coefficients, and other boundary conditions.
D’autres solutions ne reposant que sur une approche d’apprentissage machine ne permettent pas un apprentissage optimal d’un modèle à entrainer. En effet, un tel modèle nécessite un entrainement sur des milliers, voire des millions de données du fait du nombre important de paramètres numériques mesurés chez chaque patient correspondant à l’ensemble des spécifiés de chaque patient et à l’ensemble des configurations d’écoulement des flux de sang au sein de chaque vaisseau. C’est notamment le cas de la demande publiée sous le numéro FR3096498 et déposée le 23/05/2019, avec un modèle entrainé sur 200 patients. Or les configurations peuvent être très diverses selon le type de vaisseau, l’élasticité des vaisseaux, leur longueur, le nombre de sténoses ou d’autres singularités présentes dans le vaisseau, du débit, de l’âge du patient, etc.Other solutions based solely on a machine learning approach do not allow optimal learning of a model to be trained. Indeed, such a model requires training on thousands, even millions of data points due to the large number of numerical parameters measured in each patient corresponding to all the specifications of each patient and to all the flow configurations of blood flows within each vessel. This is particularly the case of the application published under number FR3096498 and filed on 05/23/2019, with a model trained on 200 patients. However, the configurations can be very diverse depending on the type of vessel, the elasticity of the vessels, their length, the number of stenoses or other singularities present in the vessel, the flow rate, the age of the patient, etc.
Enfin une contrainte importante est que le recueil de données lors de l’entrainement impose de mesurer des variables de manière invasive et en différents points de chaque vaisseau. Il n’existe donc pas à ce jour un entrainement d’un modèle d’apprentissage machine reposant sur des données d’entrainement in vivo permettant de construire un modèle fiable.Finally, a major constraint is that data collection during training requires measuring variables invasively and at different points in each vessel. Therefore, to date, there is no training of a machine learning model based on in vivo training data that would allow the construction of a reliable model.
Il y a donc un enjeu à proposer une alternative fiable, robuste et non invasive aux solutions existantes.There is therefore a challenge in proposing a reliable, robust and non-invasive alternative to existing solutions.
Selon un aspect, l’invention concerne un procédé d’estimation de la fraction de flux de réserve coronarienne d’un vaisseau comportant :
- Acquisition d’au moins une première image d’un système d’imagerie ;
- Extraction d’un premier ensemble de données définissant des descripteurs anatomiques d’un premier vaisseau de ladite première image ;
- Acquisition d’un second ensemble de données, dites données patient, comportant au moins la fréquence cardiaque et la masse myocardique ;
- Génération d’une entrée comportant le premier ensemble de données, le second ensemble de données ;
- Génération d’une sortie définissant une prédiction d’une quantité de fraction de flux de réserve coronarienne au moyen de l’exécution d’un premier modèle d’apprentissage machine pour produire une sortie, ledit premier modèle d’apprentissage machine mettant en œuvre une fonction de perte paramétrable incluant au moins un premier facteur modélisant au moins une contrainte physique paramétrée optimisée lors de l’entrainement dudit modèle, ladite contrainte physique paramétrée résultant notamment d’un premier modèle numérique d’équations hémodynamiques.
- Acquisition of at least a first image from an imaging system;
- Extracting a first data set defining anatomical descriptors of a first vessel of said first image;
- Acquisition of a second set of data, called patient data, comprising at least the heart rate and the myocardial mass;
- Generating an input comprising the first data set, the second data set;
- Generating an output defining a prediction of a coronary reserve flow fraction quantity by executing a first machine learning model to produce an output, said first machine learning model implementing a parameterizable loss function including at least a first factor modeling at least one parameterized physical constraint optimized during the training of said model, said parameterized physical constraint resulting in particular from a first numerical model of hemodynamic equations.
Le procédé permet avantageusement d’estimer la pression en chaque point du vaisseau et permet donc d’estimer la fraction du flux de réserve coronarienne en chaque point du vaisseau. Un avantage est de disposer d’une estimation de la fraction du flux de réserve coronarienne précise et fidèle au cas d’espèce de l’individu considéré sans utiliser une mesure invasive. Un avantage de l’utilisation d’une fonction de coût intégrant une contrainte physique est de rendre plus performant l’apprentissage du modèle d’apprentissage machine notamment en utilisant des données d’entrainement hétérogènes, c’est-à-dire provenant de différentes sources.The method advantageously makes it possible to estimate the pressure at each point of the vessel and therefore makes it possible to estimate the fraction of the coronary reserve flow at each point of the vessel. One advantage is to have an estimate of the fraction of the coronary reserve flow that is precise and faithful to the specific case of the individual considered without using an invasive measurement. One advantage of using a cost function integrating a physical constraint is to make the learning of the machine learning model more efficient, in particular by using heterogeneous training data, i.e. from different sources.
Selon un mode de réalisation, l’extraction du premier ensemble de données est obtenue grâce à une première segmentation d’une représentation d’un ensemble de vaisseaux acquis par le système d’imagerie, ladite extraction résultant d’une sélection d’au moins un premier vaisseau affiché sur un afficheur, la sélection d’un point du vaisseau.According to one embodiment, the extraction of the first set of data is obtained by means of a first segmentation of a representation of a set of vessels acquired by the imaging system, said extraction resulting from a selection of at least one first vessel displayed on a display, the selection of a point of the vessel.
Un avantage est de tirer le meilleur parti des images acquises par un système d’imagerie notamment pour extraire des données anatomiques.One advantage is to make the most of the images acquired by an imaging system, particularly to extract anatomical data.
Selon un mode de réalisation, les descripteurs anatomiques sont extraits d’une représentation du premier vaisseau, au moins un premier descripteur comportant une donnée caractéristique du rayon ou diamètre de la section en chaque position du premier vaisseau et au moins un second descripteur comportant le positionnement au sein de la longueur du vaisseau d’au moins un rétrécissement du diamètre définissant la présence d’au moins une sténose.According to one embodiment, the anatomical descriptors are extracted from a representation of the first vessel, at least one first descriptor comprising data characteristic of the radius or diameter of the section in each position of the first vessel and at least one second descriptor comprising the positioning within the length of the vessel of at least one narrowing of the diameter defining the presence of at least one stenosis.
Un avantage est d’utiliser des données personnalisées de patient pour entrainer le modèle d’apprentissage machine et exploiter le modèle d’apprentissage machine entrainé.One advantage is to use personalized patient data to train the machine learning model and leverage the trained machine learning model.
Selon un mode de réalisation, le second descripteur comprend une donnée caractéristique de la section d’entrée d’au moins une portion définissant le rétrécissement du premier vaisseau et une donnée caractéristique de la section de sortie d’au moins une portion définissant le rétrécissement dudit du premier vaisseau.According to one embodiment, the second descriptor comprises data characteristic of the inlet section of at least one portion defining the narrowing of the first vessel and data characteristic of the outlet section of at least one portion defining the narrowing of said first vessel.
Selon un mode de réalisation, les descripteurs anatomiques extraits comprennent également :
- Un troisième descripteur correspondant à la courbure locale du vaisseau et/ou ;
- Un quatrième descripteur correspondant à la longueur d’une sténose et/ou ;
- Un cinquième descripteur correspondant à une dilatation locale du vaisseau (anévrisme).
- A third descriptor corresponding to the local curvature of the vessel and/or;
- A fourth descriptor corresponding to the length of a stenosis and/or;
- A fifth descriptor corresponding to a local dilation of the vessel (aneurysm).
Un avantage est de permettre d’identifier certaines parties du vaisseau afin de les caractériser et d’obtenir une meilleure estimation de la pressions grâce au modèle d’apprentissage machine entrainé.One advantage is that it allows certain parts of the vessel to be identified in order to characterize them and obtain a better estimate of the pressures thanks to the trained machine learning model.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend l’estimation du débit du flux sanguin entrant au repos à partir d’au moins la fréquence cardiaque, la pression systolique et la masse myocardique, le second ensemble de données comportant la valeur dudit débit du flux sanguin entrant.According to one embodiment, the method comprises estimating the rate of incoming blood flow at rest from at least the heart rate, the systolic pressure and the myocardial mass, the second set of data comprising the value of said rate of incoming blood flow.
Un avantage est de disposer d’une donnée d’entrée mesurable chez chaque patient et dont la prise en compte permet une meilleure estimation de la pression en sortie en chaque point du premier vaisseau.An advantage is having measurable input data for each patient, the consideration of which allows a better estimation of the outlet pressure at each point of the first vessel.
Selon un mode de réalisation, l’estimation du débit du flux hyperémique entrant au repos à partir d’au moins la fréquence cardiaque, la pression systolique et la masse myocardique, le second ensemble de données comportant la valeur dudit débit du flux hyperémique entrant.According to one embodiment, the estimation of the flow rate of the incoming hyperemic flow at rest from at least the heart rate, the systolic pressure and the myocardial mass, the second set of data comprising the value of said flow rate of the incoming hyperemic flow.
Un avantage est de disposer de données d’entrée mesurables chez chaque patient et dont la prise en compte permet une meilleure estimation de la pression en sortie en chaque point du premier vaisseau.An advantage is having measurable input data for each patient, the consideration of which allows a better estimation of the outlet pressure at each point of the first vessel.
Selon un mode de réalisation, le second ensemble de données patient comprend notamment :
- Un Age de l’individu ;
- Un genre de l’individu ;
- Un indicateur de diabète de l’individu ;
- Un indicateur d’hypertension de l’individu.
- An Age of the Individual;
- A kind of individual;
- An indicator of the individual's diabetes;
- An indicator of individual hypertension.
Un avantage est de disposer de données d’entrée personnalisées notamment provenant de données pouvant être collectées simplement et permettant d’améliorer la prévision de la pression de sortie selon le profil de patient.One advantage is having personalized input data, especially from data that can be collected easily and allows for improved prediction of output pressure based on the patient profile.
Selon un mode de réalisation, le premier modèle d’apprentissage machine est un réseau DeepONet dont la fonction de perte intègre un second facteur définissant une fonction de perte d’un opérateur mathématique différentiel.According to one embodiment, the first machine learning model is a DeepONet network whose loss function incorporates a second factor defining a loss function of a differential mathematical operator.
Un avantage est d’exploiter un modèle d’apprentissage sans avoir à modéliser et simuler un système d’équations différentielles lors de l’utilisation des données pour estimer les pressions au sein d’un premier vaisseau.One advantage is to exploit a learning model without having to model and simulate a system of differential equations when using the data to estimate pressures within a first vessel.
Selon un mode de réalisation, le premier facteur est modélisé lors de l’entrainement du modèle d’apprentissage machine par une fonction paramétrique dont les paramètres sont dépendants des solutions des équations du modèle numérique d’équations hémodynamiques caractérisant le flux hémodynamique dans le premier vaisseau, ladite fonction paramétrique étant implémentée par un opérateur non linéaire continu, la résolution de ladite fonction paramétrique permettant de générer des bornes de valeurs en dehors desquelles la fonction de coût est pénalisée.According to one embodiment, the first factor is modeled during the training of the machine learning model by a parametric function whose parameters are dependent on the solutions of the equations of the numerical model of hemodynamic equations characterizing the hemodynamic flow in the first vessel, said parametric function being implemented by a continuous non-linear operator, the resolution of said parametric function making it possible to generate value limits outside of which the cost function is penalized.
Un avantage est d’obtenir une fonction plus performance et dont l’apprentissage a permis de supprimer des valeurs incohérentes, par exemple violant les lois physiques.One advantage is to obtain a more efficient function whose learning has made it possible to remove inconsistent values, for example those violating physical laws.
Selon un mode de réalisation, les équations caractérisant le flux hémodynamique dans le premier vaisseau pour optimiser la fonction de coût et modélisé par le premier modèle numérique hémodynamique qui comprend un système d’équations comportant :
- Un modèle de conservation de la masse ;
- Un modèle de conservation de la quantité de mouvement ;
- Une équation d’état de la pression.
- A model of conservation of mass;
- A model of conservation of momentum;
- An equation of state for pressure.
Un avantage est de tenir compte de plusieurs contraintes caractérisées par différentes équations de la physique et permettant de limiter le domaine d’entrainement.An advantage is to take into account several constraints characterized by different physics equations and making it possible to limit the training domain.
Selon un mode de réalisation, le procédé comporte une étape d’entrainement réalisé à partir d’un troisième ensemble de données d’entrainement caractérisant des portions de canalisations modélisant chacune une géométrie irrégulière caractéristique d’au moins un profil de section prédéfini, l’entrainement du modèle d’apprentissage machine étant supervisé de sorte que les valeurs caractérisant l’écoulement d’un fluide dans chaque portion soient mesurées sur un banc de test comportant au moins une portion de canalisation de test et des capteurs permettant de mesurer des données de test en différents points dudit banc de test comportant notamment le débit d’écoulement, la pression, la viscosité, la résistance du fluide, le nombre de Reynolds et la densité du fluide.According to one embodiment, the method comprises a training step carried out from a third set of training data characterizing portions of pipes each modeling an irregular geometry characteristic of at least one predefined section profile, the training of the machine learning model being supervised so that the values characterizing the flow of a fluid in each portion are measured on a test bench comprising at least one portion of test pipe and sensors making it possible to measure test data at different points of said test bench, including in particular the flow rate, the pressure, the viscosity, the resistance of the fluid, the Reynolds number and the density of the fluid.
Un avantage de permettre de générer de nombreuses données d’entrainement prenant en compte de nombreuses géométries anatomiques sans nécessiter de tester une grande variété de géométries de vaisseaux de différents patients.An advantage of being able to generate a large amount of training data taking into account many anatomical geometries without requiring testing a large variety of vessel geometries from different patients.
Selon un mode de réalisation, le procédé comporte une caractérisation des différentes portions du banc de test, chaque portion étant caractérisé par un rayon d’artère à modéliser, une longueur d’artère à modéliser, une élasticité ou une compliance et un type de portion.According to one embodiment, the method comprises a characterization of the different portions of the test bench, each portion being characterized by a radius of artery to be modeled, a length of artery to be modeled, an elasticity or a compliance and a type of portion.
Selon un mode de réalisation, le procédé comporte une pompe, une horloge et un moyen d’enregistrer une fréquence de pompage de manière à injecter un fluide au sein du banc de test reproduisant une activité périodique relative au cycle cardiaque caractérisation des différentes portions du banc de test.According to one embodiment, the method comprises a pump, a clock and a means for recording a pumping frequency so as to inject a fluid into the test bench reproducing a periodic activity relating to the cardiac cycle characterizing the different portions of the test bench.
Un avantage est de permettre de contrôler une grande variété de paramètres du modèle in vitro et de simuler différents patients virtuels représentant une diversité de patients.An advantage is that it allows for the control of a wide variety of in vitro model parameters and the simulation of different virtual patients representing a diversity of patients.
Selon un mode de réalisation, le troisième ensemble de données comprend également une mesure et un calcul pour au moins un point de chaque portion de canalisation prédéfinie :
- d’au moins une résistance de sortie modélisation la force qui s’oppose à l’écoulement du sang dans la portion du premier vaisseau ;
- d’au moins une impédance ;
- d’au moins une valeur de viscosité du fluide ;
- d’au moins une valeur de la pression à l’équilibre.
- of at least one output resistance modeling the force which opposes the flow of blood in the portion of the first vessel;
- of at least one impedance;
- of at least one fluid viscosity value;
- of at least one value of the equilibrium pressure.
Un avantage est de permettre d’étalonner un banc de test ayant des caractéristiques similaires à une réelle anatomique de vaisseau.One advantage is that it allows the calibration of a test bench with characteristics similar to real vessel anatomical features.
Selon un mode de réalisation, le procédé comporte une étape d’entrainement réalisé à partir d’un second ensemble de données d’entrainement caractérisant la géométrie de portions de vaisseaux obtenues à partir d’un système d’imagerie, l’entrainement du modèle d’apprentissage machine étant supervisé de sorte que les valeurs caractérisant l’écoulement d’un fluide dans le premier vaisseau soient estimées par un second modèle d’équations hémodynamique appelé solveur numérique, pour définir des données de test et de validation du modèle d’apprentissage machine.According to one embodiment, the method comprises a training step carried out from a second set of training data characterizing the geometry of portions of vessels obtained from an imaging system, the training of the machine learning model being supervised so that the values characterizing the flow of a fluid in the first vessel are estimated by a second model of hemodynamic equations called a digital solver, to define test and validation data for the machine learning model.
Un avantage est de disposer d’une grande possibilité d’entrainement à partir de données médicales telles que de réelles images de patients dont on peut estimer les valeurs et les caractéristiques de l’écoulement pour entrainer le modèle d’apprentissage machine de l’invention.One advantage is that it has a great possibility of training from medical data such as real patient images from which the values and flow characteristics can be estimated to train the machine learning model of the invention.
Selon un mode de réalisation, une seconde segmentation du premier vaisseau génère automatiquement une pluralité de types de segments dont :
- un premier type de segment définissant des portions sensiblement régulières correspondant à des portions de vaisseaux présentant une section diminuant progressivement d’une extrémité proximale vers une extrémité distale ;
- un second type de segment définissant au moins une portion irrégulière, ladite au moins une portion irrégulière correspondant à une portion comportant au moins un rétrécissement du diamètre supérieur à un seuil prédéfini,
- a first type of segment defining substantially regular portions corresponding to portions of vessels having a section gradually decreasing from a proximal end towards a distal end;
- a second type of segment defining at least one irregular portion, said at least one irregular portion corresponding to a portion comprising at least one narrowing of the diameter greater than a predefined threshold,
chacun des ensembles de segments ayant un système d’équations modélisant le flux hémodynamique dans ladite portion.each of the sets of segments having a system of equations modeling the hemodynamic flow in said portion.
Selon un mode de réalisation, la seconde segmentation du premier vaisseau génère automatiquement une pluralité de types de segments dont :
- Un troisième type segment caractérisé par la présence d’une courbure locale du vaisseau supérieure à un seuil prédéfini et/ou ;
- Un quatrième type segment caractérisé par une dilatation locale du vaisseau (anévrisme).
- Un avantage est de modéliser l’écoulement au plus proche de la réalité de l’écoulement dans chaque portion tenant compte de l’anatomie du vaisseau considéré.
- A third segment type characterized by the presence of a local curvature of the vessel greater than a predefined threshold and/or;
- A fourth type segment characterized by local dilation of the vessel (aneurysm).
- An advantage is to model the flow as close as possible to the reality of the flow in each portion taking into account the anatomy of the vessel considered.
Selon un mode de réalisation, le solveur numérique comprend un système d’équations caractérisant la physique de l’écoulement d’un flux hémodynamique à partir des équations incompressibles de Navier Stokes appliqué à un au moins une portion d’un vaisseau d’une seule dimension.According to one embodiment, the numerical solver comprises a system of equations characterizing the physics of the flow of a hemodynamic flow from the incompressible Navier Stokes equations applied to at least one portion of a single-dimensional vessel.
Un avantage est de simplifier les équations et de permettre un entrainement faciliter par la réduction de la dimension du solveur.One advantage is to simplify the equations and allow easier training by reducing the dimension of the solver.
Selon un mode de réalisation, le système d’équations comprend un second modèle numérique hémodynamique comprenant pour chaque portion de vaisseau au moins un modèle parmi lesquels :
- Un modèle de conservation de la masse et/ou ;
- Un modèle de conservation de la quantité de mouvement et/ou ;
- Une équation d’état de la pression et/ou ;
- Un premier modèle d’un delta de pression et/ou ;
- Un second modèle d’un delta de pression établi à partir des mesures in-vitro.
- A model of conservation of mass and/or;
- A model of conservation of momentum and/or;
- An equation of state for pressure and/or;
- A first model of a pressure delta and/or;
- A second model of a pressure delta established from in vitro measurements.
Selon un mode de réalisation, le procédé comporte un calcul des caractéristiques d’écoulement du sang dans chaque portion du premier vaisseau en chaque point de l’axe du vaisseau à partir du second modèle hémodynamique appliqué localement sur chacune des portions.According to one embodiment, the method comprises a calculation of the blood flow characteristics in each portion of the first vessel at each point of the axis of the vessel from the second hemodynamic model applied locally to each of the portions.
Selon un mode de réalisation, le second modèle numérique hémodynamique permet d’estimer pour chaque portion de vaisseau du second type un delta de pression à partir d’un modèle de delta de pression comportant un coefficient de résistance visqueuse et un coefficient de résistance turbulente.According to one embodiment, the second hemodynamic digital model makes it possible to estimate for each portion of vessel of the second type a pressure delta from a pressure delta model comprising a viscous resistance coefficient and a turbulent resistance coefficient.
Un avantage est de disposer d’un modèle semi-empirique qui peut être affiné pour chaque profil anatomique considéré.An advantage is having a semi-empirical model that can be refined for each anatomical profile considered.
Selon un mode de réalisation, le second modèle numérique hémodynamique permet d’estimer pour chaque portion de vaisseau du second type, du troisième type, et/ou du quatrième type un delta de pression à partir d’un modèle de delta de pression comportant un coefficient de résistance visqueuse et un coefficient de résistance turbulente, lesdits coefficients étant estimés à partir d’essais réalisés sur un banc de test in vitro de l’invention, lesdites mesures réalisées sur le banc de test permettant d’estimer des caractéristiques d’écoulement d’un fluide.According to one embodiment, the second hemodynamic digital model makes it possible to estimate for each portion of vessel of the second type, of the third type, and/or of the fourth type a pressure delta from a pressure delta model comprising a viscous resistance coefficient and a turbulent resistance coefficient, said coefficients being estimated from tests carried out on an in vitro test bench of the invention, said measurements carried out on the test bench making it possible to estimate flow characteristics of a fluid.
Un avantage est d’utiliser les mesures in vitro pour obtenir un modèle d’équations aux plus proches de l’anatomie de la portion de vaisseau considéré.An advantage is to use in vitro measurements to obtain a model of equations as close as possible to the anatomy of the portion of vessel considered.
Selon un mode de réalisation, le premier modèle d’apprentissage machine est entrainé en considérant les valeurs estimées par le second modèle intégré sur l’ensemble du premier vaisseau.According to one embodiment, the first machine learning model is trained by considering the values estimated by the second model integrated over the entire first vessel.
Un avantage est de simplifier l’utilisation du modèle d’apprentissage machine en exploitant qu’un nombre limité de données d’entrée.One advantage is that it simplifies the use of the machine learning model by exploiting only a limited number of input data.
Selon un mode de réalisation, un premier ensemble de données d’entrainement comprend des données de géométries extraites d’un système d’imagerie de vaisseaux de patients, des données de patients comportant au moins la fréquence cardiaque, la pression systolique et la masse du myocarde et des données de test et de validations issues de mesures de pressions en différents points de la portion de vaisseau considérée.According to one embodiment, a first set of training data comprises geometry data extracted from a patient vessel imaging system, patient data comprising at least the heart rate, the systolic pressure and the mass of the myocardium and test and validation data from pressure measurements at different points of the portion of the vessel considered.
Selon un autre aspect l’invention concerne un procédé d’entrainement d’un algorithme d’apprentissage machine pour produire un réseau entrainé permettant de calculer la pression d’un fluide en une pluralité de positions au sein d’un premier vaisseau en fonction du temps au sein du cycle cardiaque, ledit procédé d’entrainement comportant :
- Acquisition d’un premier ensemble de données d’entrainement à partir de :
- Acquisition d’une première image d’un système d’imagerie ;
- Extraction d’un premier ensemble de données définissant des descripteurs anatomiques d’un premier vaisseau de ladite première image ;
- Acquisition d’un troisième ensemble de données, dites données patient, comportant au moins la fréquence cardiaque et la masse myocardique ;
- Lecture de données caractérisant des points de mesures de pression d’un premier vaisseau définissant des données de test et de validation d’un modèle d’apprentissage machine ;
- Exécution du modèle d’apprentissage machine et apprentissage par la mise en œuvre d’une fonction de coût minimisant l’erreur entre une donnée produite par le modèle et les données de tests et de validation ;
- Acquisition d’un second ensemble de données d’entrainement à partir de :
- Acquisition d’une première image d’un système d’imagerie ;
- Extraction d’un premier ensemble de données définissant des descripteurs anatomiques d’un premier vaisseau de ladite première image ;
- Résolution d’un solveur modélisant un modèle d’équations hémodynamiques à partir des équations incompressibles de Navier Stokes en une dimension, les données estimées par le solveur définissant des données de test et de validation d’un modèle d’apprentissage machine ;
- Exécution du modèle d’apprentissage machine et apprentissage par la mise en œuvre d’une fonction de coût minimisant l’erreur entre une donnée produite par le modèle et les données de tests et de validation ;
- Acquisition d’un troisième ensemble de données d’entrainement à partir de :
- Modélisation d’un ensemble de géométries définissant des canalisations adaptées à acheminer un fluide dont la viscosité est sensiblement celle du sang et adaptées à être agencées au sein d’un banc de test ;
- Exécution d’un ensemble de tests d’écoulement d’un fluide avec une variété de géométries différentes au sein du banc de test ;
- Mesure de données caractérisant des points de mesures de pression d’une première portion de canal définissant des données de test et de validation d’un modèle d’apprentissage machine ;
- Exécution du modèle d’apprentissage machine et apprentissage par la mise en œuvre d’une fonction de coût minimisant l’erreur entre une donnée produite par le modèle et les données de tests et de validation.
- Acquisition of a first set of training data from:
- Acquisition of a first image from an imaging system;
- Extracting a first data set defining anatomical descriptors of a first vessel of said first image;
- Acquisition of a third set of data, called patient data, comprising at least heart rate and myocardial mass;
- Reading data characterizing pressure measurement points of a first vessel defining test and validation data for a machine learning model;
- Execution of the machine learning model and learning by implementing a cost function minimizing the error between data produced by the model and the test and validation data;
- Acquisition of a second set of training data from:
- Acquisition of a first image from an imaging system;
- Extracting a first data set defining anatomical descriptors of a first vessel of said first image;
- Resolution of a solver modeling a hemodynamic equation model from the incompressible Navier Stokes equations in one dimension, the data estimated by the solver defining test and validation data for a machine learning model;
- Execution of the machine learning model and learning by implementing a cost function minimizing the error between data produced by the model and the test and validation data;
- Acquisition of a third training data set from:
- Modeling of a set of geometries defining pipes suitable for conveying a fluid whose viscosity is substantially that of blood and suitable for being arranged within a test bench;
- Performing a set of fluid flow tests with a variety of different geometries within the test bench;
- Measurement of data characterizing pressure measurement points of a first portion of channel defining test and validation data for a machine learning model;
- Execution of the machine learning model and learning by implementing a cost function minimizing the error between data produced by the model and the test and validation data.
Un avantage est de disposer d’une grande variété de données d’entrainement permettant d’apprendre le modèle sur une grande diversité de cas. Un autre avantage est que les différentes branches ou données d’entrainement peut être utilisées pour configurer une autre branche. Ainsi les données in vitro permettent de paramétrer la branche d’entrainement se basant sur le solveur CFD. Identiquement les données acquises par l’imagerie de réels patients peuvent être utilisées pour le paramétrage du solveur CFD.One advantage is having a wide variety of training data to train the model on a wide variety of cases. Another advantage is that different branches or training data can be used to configure another branch. Thus, in vitro data can be used to configure the training branch based on the CFD solver. Similarly, data acquired by imaging real patients can be used to configure the CFD solver.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description détaillée qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent :
-
FIG. 1 : une représentation des différents systèmes permettant d’acquérir et traiter les données et les images de vaisseaux d’un patient pour prédire la FFR d’au moins un premier vaisseau ; -
FIG. 2 : une représentation du résultat d’une étape de segmentation d’une artère en 3D comportant plusieurs vaisseaux avec la création de lignes centrales pour chaque vaisseau artériel ; -
FIG. 3 : une représentation d’un vaisseau en particulier dont on souhaite estimer la FFR à partir d’une segmentation selon un mode de réalisation du procédé de l’invention ; -
FIG. 4 : une représentation d’un vaisseau redressé selon un axe Ox permettant de mettre en œuvre une étape de segmentation d’un mode de réalisation du procédé de l’invention ; -
FIG. 5 : un mode de réalisation des principales étapes du procédé d’estimation de la FFR ; -
FIG. 6 : un mode de réalisation des principales étapes du procédé d’entrainement d’un modèle d’apprentissage machine selon l’invention ; -
FIG. 7 : un exemple de réalisation d’une architecture à une sortie d’un réseau de type DeepONet comportant la mise en œuvre d’une fonction de coût paramétrée selon des contraintes physiques ; -
FIG. 7 : un exemple de réalisation d’une architecture à plusieurs sorties d’un réseau de type DeepONet comportant la mise en œuvre d’une fonction de coût paramétrée selon des contraintes physiques ; -
FIG. 7 : un exemple de réalisation d’une architecture de laFIG. 7 mise en œuvre selon les procédés de l’invention ; -
FIG. 8 : un exemple de banc de test permettant de réaliser des mesures pour définir un ensemble de données d’entrainement comportant des données pour tester et valider le modèle d’apprentissage machine ; -
FIG. 9 : un exemple de modèle de géométrie pouvant être utilisée sur le banc de test de laFIG. 8 ; -
FIG. 10 : d’autres exemples de modèle de géométrie d’une portion sténosée pouvant être utilisée sur le banc de test de laFIG. 8 , -
FIG. 11 : un exemple de seconde segmentation adaptées mis en œuvre pour découper différents vaisseaux selon des types de segments.
-
FIG. 1 : a representation of the different systems for acquiring and processing data and images of a patient's vessels to predict the FFR of at least one first vessel; -
FIG. 2 : a representation of the result of a 3D artery segmentation step comprising several vessels with the creation of central lines for each arterial vessel; -
FIG. 3 : a representation of a particular vessel for which the FFR is to be estimated from a segmentation according to an embodiment of the method of the invention; -
FIG. 4 : a representation of a vessel straightened along an Ox axis making it possible to implement a segmentation step of an embodiment of the method of the invention; -
FIG. 5 : an embodiment of the main steps of the FFR estimation process; -
FIG. 6 : an embodiment of the main steps of the method for training a machine learning model according to the invention; -
FIG. 7 : an example of the implementation of an architecture at one output of a DeepONet type network comprising the implementation of a cost function parameterized according to physical constraints; -
FIG. 7 : an example of the implementation of a multi-output architecture of a DeepONet type network including the implementation of a cost function parameterized according to physical constraints; -
FIG. 7 : an example of the realization of an architecture of theFIG. 7 implementation according to the methods of the invention; -
FIG. 8 : an example of a test bench allowing measurements to be carried out to define a training data set containing data to test and validate the machine learning model; -
FIG. 9 : an example of a geometry model that can be used on the test bench of theFIG. 8 ; -
FIG. 10 : other examples of geometry model of a stenosed portion that can be used on the test bench of theFIG. 8 , -
FIG. 11 : an example of second adapted segmentation implemented to cut different vessels according to segment types.
On appelle « FFR » dans la présente invention : un rapport entre une pression d’entrée d’un vaisseau et une pression de sortie.In the present invention, the term "FFR" refers to a ratio between an inlet pressure of a vessel and an outlet pressure.
On appelle « Pa » : la pression d’entrée d’un vaisseau.We call “Pa”: the inlet pressure of a vessel.
On appelle « Pd » : la pression de sortie d’un vaisseau.We call “Pd”: the outlet pressure of a vessel.
On appelle « Pdi » : la pression selon l’axe d’un vaisseau.We call “Pdi”: the pressure along the axis of a vessel.
ON appelle « ST » : une sténose dans le cas général et « STi» lorsqu’une sténose en particulier est désignée est décrite dans un exemple.ON calls "ST": a stenosis in the general case and "ST i " when a particular stenosis is designated is described in an example.
On appelle un réseau « DON » un réseau DeepONet désignant dans la terminologie anglosaxonne : « Deep Operator Network ».A “DON” network is called a DeepONet network, which in English means “Deep Operator Network”.
On nomme « MLA1» un modèle d’apprentissage machine entraîné pour générer des sorties à partir de données d’entrées.A machine learning model trained to generate outputs from input data is called "MLA 1 ".
On nomme « ENS1’», « ENS1’’», « ENS1’''» les données nécessaires à l’entrainement du modèle d’apprentissage machine utilisées selon différentes sources de données.The data needed to train the machine learning model used according to different data sources are called "ENS 1 '", "ENS 1 ''", "ENS 1 '''".
ENS1’ se rapporte aux données d’entrainement utilisés et mesurés in vivo.ENS 1 ' refers to training data used and measured in vivo.
ENS1’' se rapporte aux données d’entrainement obtenues à partir d’un modèle modélisant les flux hémodynamiques MOD2.ENS 1 '' refers to training data obtained from a model modeling hemodynamic flows MOD 2 .
ENS1’’’ se rapporte aux données d’entrainement utilisées et mesurées in vitro.ENS 1 ''' refers to training data used and measured in vitro.
On nomme « ENS1» les données acquises par le modèle d’apprentissage machine lors de l’exploitation du modèle entrainé. On note que les données de l’ensemble ENS1peuvent comprendre des données supplémentaires vis-à-vis de l’un des ensemble ENS1’ ou ENS1’’ notamment des « données patient ».The data acquired by the machine learning model when operating the trained model is called "ENS 1 ". Note that the data in the ENS 1 set may include additional data relative to one of the ENS 1 ' or ENS 1 ' sets, in particular "patient data".
On nomme « ENS2 » les « données patient » correspondant aux données physiologiques mesurées, aux données démographiques, les antécédents, etc., ces données définissent une partie des données d’entrée du modèle d’apprentissage machine MLA1entrainé.We call "ENS2 » “Patient data” corresponding to measured physiological data, demographic data, history, etc., this data defines part of the input data of the MLA machine learning model1trained.
On nomme « ENS2'» les « données patient » pour entrainer le modèle d’apprentissage machine MLA1correspondant aux données physiologiques mesurées, aux données démographiques, les antécédents.We call "ENS 2 '" the "patient data" to train the MLA 1 machine learning model corresponding to the measured physiological data, demographic data, and history.
Il est possible dans certains modes de réalisation que les données ENS2soient utilisées pour l’entrainement du modèle MLA1, en conséquence, des données de l’ensemble ENS2peut être comprises dans l’ensemble ENS2’.It is possible in some embodiments that the ENS 2 data is used for training the MLA 1 model, accordingly, data from the ENS 2 set may be included in the ENS 2 ' set.
On nomme « CFD » un solveur d’équations différentielles de Navier Stokes désignant dans la terminologie anglosaxonne « computational Fluid Dynamics » signifiant analyse numérique de mécanique des fluides.The term "CFD" refers to a solver of Navier Stokes differential equations, which in English stands for "computational Fluid Dynamics" meaning numerical analysis of fluid mechanics.
On nomme « CFD 1-D» un solveur d’équations différentielles de Navier Stokes selon une dimension.A one-dimensional Navier Stokes differential equation solver is called "1-D CFD".
On appelle Lopé(θ) : le terme ou le facteur d’une fonction de coût modélisant la perte à minimer d’un modèle d’opérateur d’un réseau intégrant des données d'entraînement physiologique in-vivo et in-vitro. Il est également noté Loperator(θ).We call L opé (θ): the term or factor of a cost function modeling the loss to be minimized of an operator model of a network integrating in-vivo and in-vitro physiological training data. It is also noted L operator (θ).
On appelle Lphy(θ) : le terme ou le facteur d’une fonction de coût modélisant la perte à minimer d’un système d’équations physiques d’un réseau intégrant des contraintes physiques. Il est également noté Lphysics(θ).L phy (θ) is the term or factor of a cost function modeling the loss to be minimized in a system of physical equations of a network integrating physical constraints. It is also noted L physics (θ).
On nomme une « première segmentation » SEG1, la segmentation permettant d’acquérir des images d’un système d’imagerie 3D et de sélectionner un vaisseau ou une artère d’intérêt et de calculer les volumes intérieur, extérieur et de calculer les lignes centrales des vaisseaux ou des artères.A "first segmentation" is called SEG 1 , the segmentation allowing to acquire images from a 3D imaging system and to select a vessel or an artery of interest and to calculate the interior, exterior volumes and to calculate the central lines of the vessels or arteries.
On nomme une « seconde segmentation » SEG2, la segmentation permettant de découper un vaisseau en plusieurs portions longitudinales afin d’utiliser un modèle d’équations hémodynamiques MOD2pour modéliser le flux sanguin dans chacune des portions.A "second segmentation" is called SEG 2 , the segmentation allowing a vessel to be cut into several longitudinal portions in order to use a MOD 2 hemodynamic equation model to model the blood flow in each of the portions.
On nomme « HIS » le système d’information de l’hôpital dont l’acronyme signifie « Hospital Information System » dans la terminologie anglo-saxonne. Il peut correspondre également au système de gestion des dossiers de santé électroniques des patients.The term "HIS" refers to the hospital information system, which stands for "Hospital Information System" in English. It can also refer to the electronic patient health records management system.
On nomme « CFS » le système d’analyse cardiaque dont l’acronyme signifie dans la terminologie anglo-saxonne « Coronary Flow System ».The name "CFS" is given to the cardiac analysis system, the acronym of which stands for "Coronary Flow System" in English.
La résistance est notée R d’une manière générale ou R2dans les équations. La résistance désigne la force qui s’oppose à l’écoulement du sang à travers le vaisseau sanguin. Elle est influencée notamment par le diamètre et la longueur du vaisseau, la viscosité du sang, le type de flux : laminaire ou turbulent, et l’élasticité des parois du vaisseau.Resistance is generally denoted R or R 2 in equations. Resistance refers to the force that opposes the flow of blood through the blood vessel. It is influenced in particular by the diameter and length of the vessel, the viscosity of the blood, the type of flow: laminar or turbulent, and the elasticity of the vessel walls.
L’impédance est notée Zc d’une manière générale et R1dans les équations. L’impédance permet de prendre en compte les aspects dynamiques du flux et du vaisseau, notamment du fait que le vaisseau se contracte et se dilate au cours du temps au sein du cycle cardiaque. L’impédance peut également restituée l’influence des ondes de pression et la dépendance fréquentielle liée au rythme cardiaque.Impedance is denoted Zc in general and R 1 in equations. Impedance allows for consideration of the dynamic aspects of flow and vessel, particularly as the vessel contracts and expands over time within the cardiac cycle. Impedance can also capture the influence of pressure waves and the frequency dependence of heart rate.
La compliance est notée C, elle peut s’exprimée comme l’inverse de l’élasticité. L’élasticité peut également être appelée élastance. Elle correspond à la capacité d’un tissu à revenir à l’état initial après avoir subi une déformation. La compliance désigne la capacité d’un vaisseau à se dilater et à augmenter de volume en réponse à une augmentation de la pression interne.Compliance is denoted by C, and can be expressed as the inverse of elasticity. Elasticity can also be called elastance. It corresponds to the ability of a tissue to return to its initial state after undergoing deformation. Compliance refers to the ability of a vessel to dilate and increase in volume in response to an increase in internal pressure.
Les valeurs P0, A0correspondent à des valeurs mesurées ou estimées ou calculées à l’équilibre. Il correspond dans le cycle cardiaque à l’instant dans lequel le fluide, c’est-à-dire le sang, est le moins soumis à la dynamique. Cela correspond par exemple à un minimum local de certaines valeurs en dynamique, notamment la vitesse ou le débit.The values P 0 , A 0 correspond to values measured or estimated or calculated at equilibrium. It corresponds in the cardiac cycle to the instant in which the fluid, that is to say the blood, is least subject to dynamics. This corresponds for example to a local minimum of certain values in dynamics, in particular the speed or the flow rate.
Le procédé s’applique indifféremment à des vaisseaux et des artères. Ainsi dans la présente invention, lorsque le vaisseau 10 sera désigné, les modes de réalisation décrits s’appliquent également de la même manière à une artère.The method applies equally to vessels and arteries. Thus, in the present invention, when the vessel 10 is designated, the embodiments described also apply in the same way to an artery.
L’invention concerne d’une part un procédé pour prédire la pression et une valeur de la FFR d’un vaisseau du myocarde d’un individu à partir d’un modèle d’apprentissage machine entrainé et un procédé pour entrainer ledit modèle d’apprentissage machine permettant de prédire la FFR d’un vaisseau du myocarde d’un individu. L’invention peut se rapporter à tout type de vaisseau autre que ceux du myocarde dont on dispose en entrée une expression du débit ou un flux entrant de sang. Dans ce dernier, cas la branche d’entrainement « in vivo » est alors adaptée selon le type de vaisseau considéré et donc le modèle d’apprentissage machine entrainé associé.The invention relates on the one hand to a method for predicting the pressure and a value of the FFR of a vessel of the myocardium of an individual from a trained machine learning model and a method for training said machine learning model making it possible to predict the FFR of a vessel of the myocardium of an individual. The invention can relate to any type of vessel other than those of the myocardium for which an expression of the flow rate or an incoming flow of blood is available as input. In the latter case, the “in vivo” training branch is then adapted according to the type of vessel considered and therefore the associated trained machine learning model.
Le procédé pour prédire la FFR comporte plusieurs étapes.The process for predicting FFR involves several steps.
La
- Acquisition d’une image
- Image acquisition
Selon un mode de réalisation, une première étape comporte une acquisition d’au moins une image d’un ensemble d’au moins un vaisseau à partir d’un système d’imagerie. Selon un mode de réalisation, une pluralité d’images est acquise de manière à reconstruire une image 3D complète d’une région d’intérêt. Le système d’imagerie peut être un scanner tel qu’un coroscanner, une IRM ou un dispositif d’imagerie ultrasonore. Ces images sont appelées images DICOM et désignent dans la terminologie anglo-saxonne « Digital Imaging and Communications in Medicine ». Un tel format permet une interopérabilité de l’image avec différents systèmes. En outre, différentes données peuvent être associées et enregistrées avec l’image, notamment des données relatives au patient. Par ailleurs, le format permet l’exploitation des données d’imagerie de manière à réaliser des opérations et afficher certains paramètres.According to one embodiment, a first step comprises an acquisition of at least one image of a set of at least one vessel from an imaging system. According to one embodiment, a plurality of images is acquired so as to reconstruct a complete 3D image of a region of interest. The imaging system may be a scanner such as a coronary CT scanner, an MRI or an ultrasound imaging device. These images are called DICOM images and designate in English terminology “Digital Imaging and Communications in Medicine”. Such a format allows interoperability of the image with different systems. In addition, different data can be associated and recorded with the image, in particular data relating to the patient. Furthermore, the format allows the exploitation of the imaging data so as to carry out operations and display certain parameters.
Cette étape est notée ACQ1sur la
Selon un mode de réalisation, un coroscanner est mis en œuvre pour recueillir des images d’un individu. Un tel système d’imagerie repose sur un système d’imagerie médicale de tomodensitométrie. Il est également appelé angio-scanner des coronaires et noté dans la littérature CTCA désignant « Coronary Computed Tomography Angiography » dans la terminologie anglosaxonne. L’image produite est obtenue à l’aide d’un appareil à rayon X. Les données recueillies sont ensuite traitées par un ordinateur pour créer des images en coupe transversale du cœur. Ces images peuvent être compilées pour former une vue 3D des artères coronaires telles que représentées à la
Un avantage de ce système d’imagerie est que la CTCA est non invasive, rapide, et offre des images de haute résolution, permettant une évaluation détaillée des artères coronaires.An advantage of this imaging system is that CTCA is non-invasive, fast, and offers high-resolution images, allowing detailed evaluation of the coronary arteries.
La
La
Un second bloc noté PACS permet d’archiver, d’enregistrer et de transmettre les données médicales acquises. Le composant PACS comprend un serveur de données.A second block, called PACS, is used to archive, record, and transmit acquired medical data. The PACS component includes a data server.
Un troisième bloc noté VIEW permet de visualiser les images acquises, de créer la première segmentation et d’exploiter des métadonnées et des données issues de la première segmentation SEG1.A third block marked VIEW allows you to view the acquired images, create the first segmentation and use metadata and data from the first segmentation SEG 1 .
Un quatrième bloc noté CFS comprend une unité de calcul permettant utiliser la première segmentation SEG1comme entrée et de procéder à la seconde segmentation SEG2desdites images si besoin lors de l’entrainement du modèle d’apprentissage machine MLA1ou lors de l’exploitation du modèle CFD MOD2.A fourth block denoted CFS comprises a calculation unit allowing the use of the first segmentation SEG 1 as input and the carrying out of the second segmentation SEG 2 of said images if necessary during the training of the machine learning model MLA 1 or during the exploitation of the CFD model MOD 2 .
Selon un mode de réalisation, cette unité de calcul est utilisée également pour mettre en œuvre le solveur CFD et/ou le modèle MLA1pour le calcul de la FFR.According to one embodiment, this calculation unit is also used to implement the CFD solver and/or the MLA 1 model for the calculation of the FFR.
Selon un mode de réalisation, cette unité de calcul est configurée pour générer un rapport de type « compte rendu » permettant restituer les principales sorties du modèle MLA1, les données d’acquisition et les données calculées à partir des données produites par le modèle MLA1. Ce rapport peut être affiché sur un afficheur d’un ordinateur afin qu’un opérateur ou un médecin puisse le consulter.According to one embodiment, this calculation unit is configured to generate a report of the “report” type making it possible to restore the main outputs of the MLA 1 model, the acquisition data and the data calculated from the data produced by the MLA 1 model. This report can be displayed on a computer display so that an operator or a doctor can consult it.
La
La
Selon un autre mode de réalisation, le procédé déclenche automatiquement le procédé de l’invention sur l’ensemble des vaisseaux acquis ou une pré-sélection d’un sous-ensemble de vaisseaux identifiés.According to another embodiment, the method automatically triggers the method of the invention on all of the acquired vessels or a pre-selection of a subset of identified vessels.
Dans la suite de la description, le procédé s’applique à l’analyse d’un vaisseau 10 sélectionné à partir d’un afficheur.In the remainder of the description, the method applies to the analysis of a vessel 10 selected from a display.
La
Dans le cas de la
Le procédé de l’invention comprend un traitement des images du premier vaisseau 10 de manière à permettre son affichage à partir d’un afficheur de CFS. A cette fin, un algorithme de reconnaissance d’images est mis en œuvre afin d’isoler certaines parties d’intérêt et de segmenter l’image.The method of the invention comprises processing the images of the first vessel 10 so as to enable its display from a CFS display. To this end, an image recognition algorithm is implemented in order to isolate certain parts of interest and segment the image.
Le procédé de l’invention permet de générer une représentation bidimensionnelle d’un vaisseau. Le vaisseau représenté est avantageusement sélectionné au préalable à partir d’un sélecteur. Un opérateur peut sélectionner une artère, un vaisseau débouchant ou une portion de vaisseau à partir du système d’exploitation des images acquises. A cette fin un algorithme de traitement d’image peut être mis en œuvre de manière à détourer automatiquement les images et à extraire les pixels d’au moins un vaisseau ou une artère au sein d’une image pour en afficher une représentation.The method of the invention makes it possible to generate a two-dimensional representation of a vessel. The represented vessel is advantageously selected beforehand from a selector. An operator can select an artery, an opening vessel or a portion of a vessel from the operating system of the acquired images. For this purpose, an image processing algorithm can be implemented so as to automatically crop the images and extract the pixels of at least one vessel or artery within an image to display a representation thereof.
La
Une première segmentation SEG1permet de collecter les images du système d’imagerie et de sélectionner les pixels d’intérêt d’un vaisseau ou plus généralement d’un organe.A first SEG 1 segmentation makes it possible to collect images from the imaging system and to select the pixels of interest of a vessel or more generally of an organ.
Un algorithme de segmentation permet d’analyser les densités spectrales de l’image acquise, les contours de formes et contrastes de cette dernière selon le système d’imagerie utilisé afin d’exploiter les portions d’intérêt d’une image acquise.A segmentation algorithm makes it possible to analyze the spectral densities of the acquired image, the contours of shapes and contrasts of the latter according to the imaging system used in order to exploit the portions of interest of an acquired image.
Cette première segmentation SEG1permet de sélectionner un vaisseau par exemple en sélectionnant un groupe de pixels d’intérêt d’une zone à conserver. Lors de l’analyse d’une forme définissant un vaisseau, un point de référence proximal et un point de référence distal sont automatiquement calculés afin de sélectionner une portion longitudinale d’un vaisseau.This first SEG 1 segmentation allows to select a vessel for example by selecting a group of pixels of interest of an area to be kept. When analyzing a shape defining a vessel, a proximal reference point and a distal reference point are automatically calculated in order to select a longitudinal portion of a vessel.
Selon un mode de réalisation, un point de référence proximal est défini avec une artère parente. Le point de référence distal peut correspondre à un point d’une zone dans laquelle une référence anatomique peut être relevée, ou un diamètre donné d’un point situé en dessous d’un diamètre prédéfini. Ce diamètre prédéfini correspond par exemple à une valeur de 1,5 mm. Cette limite correspond aux limites de résolution actuelle des coroscanners. Toutefois, si cette limite venait à baisser ou si un autre système d’imagerie plus performant était utilisé, l’invention pourrait s’appliquer sur un vaisseau jusqu’à une extrémité distale ayant un rayon inférieur à 1,5 mm afin d’ajuster une nouvelle référence distale.According to one embodiment, a proximal reference point is defined with a parent artery. The distal reference point may correspond to a point in an area in which an anatomical reference can be taken, or a given diameter of a point located below a predefined diameter. This predefined diameter corresponds for example to a value of 1.5 mm. This limit corresponds to the current resolution limits of coronary CT scanners. However, if this limit were to decrease or if another more efficient imaging system were to be used, the invention could be applied to a vessel up to a distal end having a radius less than 1.5 mm in order to adjust a new distal reference.
La première segmentation SEG1permet de délimiter la surface extérieure du vaisseau et la surface intérieure du vaisseau et de calculer une ligne centrale moyenne du vaisseau.The first segmentation SEG 1 allows to delimit the external surface of the vessel and the internal surface of the vessel and to calculate an average central line of the vessel.
Selon un mode de réalisation, le procédé de l’invention comprend la mise en œuvre d’un algorithme de redressement permettant de générer un affichage du vaisseau dans une représentation 2D le long d’un axe Ox qui peut définir par exemple la ligne centrale du vaisseauAccording to one embodiment, the method of the invention comprises implementing a rectification algorithm making it possible to generate a display of the vessel in a 2D representation along an Ox axis which can define, for example, the center line of the vessel.
La première segmentation SEG1comprend la possibilité de définir un marqueur le long de vaisseau sur la représentation 2D ou la représentation 3D de sorte à visualiser des plans de coupes du vaisseau. A cette fin un sélecteur permet à un utilisateur de sélectionner un plan de coupe à partir d’un marqueur.The first segmentation SEG 1 includes the possibility of defining a marker along the vessel on the 2D representation or the 3D representation in order to visualize section planes of the vessel. For this purpose, a selector allows a user to select a section plane from a marker.
Selon un mode de réalisation, la première segmentation SEG1permet de délimiter des portions de toute ou partie d’un vaisseau ou d’une artère pour sélectionner ladite portion et marquer ladite portion afin d’annoter la représentation. Un intérêt est de permettre d’annoter des portions de métadonnées pouvant être exploitées lors de l’entrainement du modèle d’apprentissage machine MLA1ou lors de l’exploitation du modèle CFD MOD2dit CFD.According to one embodiment, the first segmentation SEG 1 makes it possible to delimit portions of all or part of a vessel or an artery to select said portion and mark said portion in order to annotate the representation. One advantage is to make it possible to annotate portions of metadata that can be used during the training of the MLA 1 machine learning model or during the exploitation of the CFD MOD 2 model called CFD.
La
Un intérêt de cette représentation est que le diamètre ou le rayon intérieur d’une portion de vaisseau ou d’artère comportant au moins une sténose peut être également visualisé selon un même axe longitudinal et donc selon une référence commune de l’ensemble des diamètres dudit vaisseau ou de ladite artère.An advantage of this representation is that the diameter or internal radius of a portion of vessel or artery comprising at least one stenosis can also be visualized along the same longitudinal axis and therefore according to a common reference of all the diameters of said vessel or artery.
Au sein de la
Prétraitement et extraction des caractéristiques anatomiquesPreprocessing and extraction of anatomical features
Les données anatomiques sont utilisées pour définir une partie des données d’entrée du modèle d’apprentissage machine MLA1et sont également utilisées pour l’entrainement du modèle MLA1.Anatomical data is used to define part of the input data of the MLA 1 machine learning model and is also used for training the MLA 1 model.
Selon un mode de réalisation, les données d’entrée du modèle entrainé comprennent un premier ensemble de données ENS1caractérisant l’anatomie d’au moins un vaisseau à partir d’une image acquise de l’individu. Le procédé permet de sélectionner un premier vaisseau 10 d’une image acquise et d’extraire automatiquement à partir d’un traitement de l’image des données caractérisant chaque portion 6, ST du premier vaisseau 10.According to one embodiment, the input data of the trained model comprises a first set of data ENS 1 characterizing the anatomy of at least one vessel from an acquired image of the individual. The method makes it possible to select a first vessel 10 from an acquired image and to automatically extract from a processing of the image data characterizing each portion 6, ST of the first vessel 10.
L’étape d’extraction est notée EXT1sur la
Le diamètre intérieur est préférentiellement extrait sur toute la longueur du premier vaisseau 10 grâce à une analyse et un traitement des images acquises.The inner diameter is preferentially extracted over the entire length of the first vessel 10 using analysis and processing of the acquired images.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape de calcul de la courbure du vaisseau en différents points du vaisseau. Selon un mode de réalisation, une fonction Cb(x) définit la fonction permettant de déterminer la courbure en fonction de la position x sur l’axe longitudinal Ox de la représentation du vaisseau redressé de la
La courbure du vaisseau peut donc être enregistrée lors de cette opération de manière à être réexploitée ensuite comme donnée pour modéliser certaines portions du vaisseau par exemple lors de la phase d’entrainement utilisant un modèle hémodynamique MOD2. Le procédé permet d’annoter les portions ayant une courbure supérieure à un seuil donné par exemple dans l’étape de seconde segmentation SEG2.The curvature of the vessel can therefore be recorded during this operation so as to be re-used subsequently as data to model certain portions of the vessel, for example during the training phase using a MOD 2 hemodynamic model. The method makes it possible to annotate the portions having a curvature greater than a given threshold, for example in the second segmentation step SEG 2 .
Cette opération est réalisée notamment lors de la seconde segmentation SEG2. En effet, lorsque la courbure est supérieure à un seuil donné sur une portion du vaisseau, le flux hémodynamique dans ces portions peut être modélisé par une ou des équation(s) dédiée(s).This operation is carried out in particular during the second segmentation SEG 2. Indeed, when the curvature is greater than a given threshold on a portion of the vessel, the hemodynamic flow in these portions can be modeled by one or more dedicated equation(s).
Selon un mode de réalisation, la courbure de certaines portions du vaisseau peut être utilisée comme entrée du modèle d’apprentissage machine MLA1.According to one embodiment, the curvature of certain portions of the vessel may be used as input to the MLA 1 machine learning model.
Le procédé de l’invention permet d’indexer le long d’un vaisseau 10 considéré l’ensemble des rayons ou des diamètres intérieurs le long dudit vaisseau 10. Selon un mode amélioré, le rayon extérieur peut être mesuré et indexé le long du vaisseau 10 considéré. Un intérêt est de considérer l’épaisseur de la paroi d’un vaisseau 10. Toutefois, l’invention peut être mise en œuvre sans considération de l’épaisseur du vaisseau ou de l’artère considérée.The method of the invention makes it possible to index along a vessel 10 considered all of the radii or internal diameters along said vessel 10. According to an improved mode, the external radius can be measured and indexed along the vessel 10 considered. One advantage is to consider the thickness of the wall of a vessel 10. However, the invention can be implemented without consideration of the thickness of the vessel or artery considered.
Lors de l’opération de traitement d’image, une fonction du rayon r(x) peut être générée en relevant l’ensemble des rayons du vaisseau ou de l’artère considérée depuis une position d’origine x0jusqu’à une position terminale xt. La résolution de l’échantillonnage de la fonction peut être définie de sorte à discrétiser l’ensemble des valeurs sur une échelle prédéfinie.During the image processing operation, a function of the radius r(x) can be generated by taking all the rays of the vessel or artery under consideration from an origin position x 0 to a terminal position x t . The sampling resolution of the function can be set so as to discretize the set of values on a predefined scale.
Selon un mode de réalisation, l’ensemble des courbures du vaisseau 10 est également indexé le long du vaisseau redressé selon l’axe longitudinal Ox. Ainsi, le procédé de l’invention permet de recueillir par une analyse automatique de l’image l’ensemble des valeurs de rayons ou de diamètres intérieurs et l’ensemble des valeurs de courbures du vaisseau 10 considéré. Ces valeurs sont enregistrées dans une mémoire et chacune des valeurs est associée à une position du vaisseau 10 selon l’axe longitudinal de redressement.According to one embodiment, all of the curvatures of the vessel 10 are also indexed along the straightened vessel along the longitudinal axis Ox. Thus, the method of the invention makes it possible to collect, by automatic analysis of the image, all of the values of radii or internal diameters and all of the values of curvatures of the vessel 10 considered. These values are recorded in a memory and each of the values is associated with a position of the vessel 10 along the longitudinal axis of straightening.
Le procédé de l’invention comprend une étape de détection d’un ensemble de singularités le long du vaisseau 10 considéréThe method of the invention comprises a step of detecting a set of singularities along the vessel 10 considered.
Selon un premier exemple, un premier type de singularité est une plaque 4. Selon un second exemple, un second type de singularité est une zone d’abouchement ou une zone de bifurcation. Selon un troisième exemple, un troisième type de singularité est un anévrisme. D’autres types de singularités peuvent être relevés.According to a first example, a first type of singularity is a plaque 4. According to a second example, a second type of singularity is a junction zone or a bifurcation zone. According to a third example, a third type of singularity is an aneurysm. Other types of singularities can be noted.
Dans la suite de la description, il sera considéré comme exemple le cas où des plaques 4 entrainent la formation d’une sténose ou de plusieurs sténoses ST.In the following description, the case where 4 plaques lead to the formation of one or more ST stenoses will be considered as an example.
La
Selon un mode de réalisation, l'identification directe des sténoses n'est pas prévue et des auto-encodeurs sont utilisés. Les auto-encodeurs sont un type de réseau de neurones utilisé dans l'apprentissage automatique pour l'apprentissage non supervisé. Ils se composent d’un encodeur et d’un décodeur, et leur objectif est d’apprendre une représentation latente des données d’entrée. La représentation latente est dotée de propriétés supplémentaires nécessaires et peut servir, par exemple, à réduire la dimensionnalité des données ou à éliminer le bruit. L'invention comprend d'autres implémentations d'auto-encodeurs pour les données d'entrée 2D et 3D.In one embodiment, direct identification of stenoses is not provided and autoencoders are used. Autoencoders are a type of neural network used in machine learning for unsupervised learning. They consist of an encoder and a decoder, and their objective is to learn a latent representation of the input data. The latent representation is provided with additional necessary properties and can be used, for example, to reduce the dimensionality of the data or to eliminate noise. The invention includes other implementations of autoencoders for 2D and 3D input data.
La présence d’une sténose ST est la conséquence d’une réduction locale du rayon ou du diamètre intérieur du premier vaisseau 10. Chaque sténose ST peut être détectée et identifiée grâce à un algorithme d’analyse d’images. Différents algorithmes existants peuvent être appliqués dans le cadre de la présente invention comme les auto-encodeurs précédemment évoqués. La détection des sténoses permet leur dénombrement le long du premier vaisseau 10. Les portions de vaisseau comportant une sténose ST sont indexées et la présence de ladite sténose ST peut être caractérisée par un ensemble de positions xsle long de l’axe Ox. Les sténoses de la
Chaque sténose ST peut être caractérisée selon différents critères. Un premier critère correspond à ses dimensions. Les dimensions d’une sténose ST comportent au moins la longueur selon l’axe Ox et l’épaisseur selon l’axe perpendiculaire à l’axe Ox de la sténose ST. Le diamètre d’occlusion encore le rayon minimal dans la portion sténosée peut être extraits.Each ST stenosis can be characterized according to different criteria. A first criterion corresponds to its dimensions. The dimensions of an ST stenosis include at least the length along the Ox axis and the thickness along the axis perpendicular to the Ox axis of the ST stenosis. The occlusion diameter or the minimum radius in the stenotic portion can be extracted.
Selon d’autres modes de réalisation, les paramètres suivants peuvent être utilisés pour caractériser une sténose :
- Le diamètre minimal de la sténose en mm et/ou ;
- La surface minimale de la sténose en mm² selon un plan de coupe du vaisseau et/ou ;
- Le volume total de de la sténose en mm3 et/ou ;
- Le degré de sténose coronarienne maximum exprimé en pourcentage de diamètre du vaisseau et/ou ;
- Le degré de sténose coronarienne maximum exprimé en pourcentage de surface du vaisseau selon un plan de coupe du vaisseau et/ou ;
- La courbure de la zone correspondant à la sténose.
- The minimum diameter of the stenosis in mm and/or;
- The minimum area of the stenosis in mm² according to a section plane of the vessel and/or;
- The total volume of the stenosis in mm3 and/or;
- The maximum degree of coronary stenosis expressed as a percentage of vessel diameter and/or;
- The maximum degree of coronary stenosis expressed as a percentage of vessel surface area according to a sectional plane of the vessel and/or;
- The curvature of the area corresponding to the stenosis.
Ces paramètres morphologiques sont par exemple calculés à partir de la singularité identifiée telle qu’une singularité de type plaque.These morphological parameters are for example calculated from the identified singularity such as a plate-type singularity.
Selon un mode de réalisation, le diamètre ou le rayon intérieur du vaisseau 10 à chaque position d’une portion sténosée ST1, ST2peut être calculée également. Cette dernière donnée peut compléter par exemple une donnée caractérisant l’épaisseur de la sténose dans le procédé de l’invention.According to one embodiment, the diameter or the internal radius of the vessel 10 at each position of a stenosed portion ST 1 , ST 2 can also be calculated. This latter data can supplement, for example, data characterizing the thickness of the stenosis in the method of the invention.
Dans le cas de la
Selon un mode de réalisation, la distance entre deux sténoses ST1et ST2 peut également être pris en compte par une mesure sur l’image. La mesure peut avantageusement être réalisée automatiquement à partir d’un algorithme de traitement de l’image. Cette donnée peut être utilisée pour l’entrainement et/ou l’exploitation du modèle entrainé MLA1.According to one embodiment, the distance between two ST stenoses1and ST2 can also be taken into account by a measurement on the image. The measurement can advantageously be carried out automatically from an image processing algorithm. This data can be used for training and/or exploitation of the trained MLA model1.
Selon un mode de réalisation, le vaisseau peut être découpé en plusieurs segments afin de calculer la pression d’entrée et la pression de sortie de chaque segment notamment lors de la seconde segmentation pour entrainer le modèle.According to one embodiment, the vessel can be divided into several segments in order to calculate the inlet pressure and the outlet pressure of each segment, in particular during the second segmentation to train the model.
On considère le cas dans la suite de la description où un vaisseau est considéré entièrement depuis un point d’entrée, généralement une zone d’abouchement avec une artère et une extrémité distale définit par un marquer géométrique ou anatomique.We consider the case in the following description where a vessel is considered entirely from an entry point, generally a junction zone with an artery and a distal end defined by a geometric or anatomical marker.
La
La courbe de pression permet de visualiser l’évolution de la pression le long du vaisseau. Cette courbe bien que représentée sur la
Lorsque les points de pression sont obtenus, il est possible de considérer deux points à l’entrée et à la sortie du vaisseau 10 pour calculer la FFR.When the pressure points are obtained, it is possible to consider two points at the entrance and exit of the vessel 10 to calculate the FFR.
Le procédé de l’invention permet d’estimer, comme le montre la
Selon un mode de réalisation, la valeur prédite est une valeur de la FFR qui est un rapport entre une pression d’entrée Pa d’un vaisseau et une pression en un point considéré du vaisseau, par exemple la pression de sortie Pd. On a la relation suivante qui est vérifié en tout point x du vaisseau : FFR(x) = P(x) / Pa.According to one embodiment, the predicted value is a value of the FFR which is a ratio between an inlet pressure Pa of a vessel and a pressure at a considered point of the vessel, for example the outlet pressure Pd. We have the following relationship which is verified at any point x of the vessel: FFR(x) = P(x) / Pa.
L’estimation de la pression peut également être faite au moyen du second modèle CFD appelé MOD2afin d’entrainer le modèle MLA1avec les valeurs estimées par le solveur.Pressure estimation can also be done using the second CFD model called MOD 2 in order to train the MLA 1 model with the values estimated by the solver.
Cette représentation permet d’illustrer les chutes de pressions après la présence d’une sténose.This representation illustrates the pressure drops after the presence of a stenosis.
Lors de l’étape d’entrainement utilisant les données d’entrainement, une courbe de pression peut être obtenue selon l’axe Ox du vaisseau dans lequel un cathéter muni d’une sonde de pression navigue. L’invention peut utiliser de telles données mises à disposition et enregistrées dans une mémoire.During the training step using the training data, a pressure curve can be obtained along the Ox axis of the vessel in which a catheter equipped with a pressure probe navigates. The invention can use such data made available and recorded in a memory.
L’entrée du modèle d’apprentissage machine MLA1correspond à l'ensemble du vaisseau ou de l'artère considérée telle que celle représentée à la
Selon un mode de réalisation, la longueur du vaisseau 10 allant d’un point d’entrée caractéristique jusqu’à un point de sortie caractéristique peut également définir une donnée d’entrée du modèle d’apprentissage machine MLA1. Les points caractéristiques peuvent correspondre à des points de bifurcation, à un point du vaisseau correspondant à un rétrécissement du diamètre supérieur à un seuil, etc.
- Données d’entrée du procédé pour prédire la FFR
- Process input data for predicting FFR
Les données anatomiques définies précédemment définissent une partie des données d’entrée, notée ENS1, du modèle d’apprentissage machine MLA1.The anatomical data defined previously defines a part of the input data, denoted ENS 1 , of the machine learning model MLA 1 .
Selon un mode de réalisation, les données d’entrée du modèle entrainé MLA1comprennent un second ensemble de données ENS2caractérisant l’individu.According to one embodiment, the input data of the trained model MLA 1 comprises a second set of data ENS 2 characterizing the individual.
Selon un mode de réalisation, le débit d’entrée au repos Qrestest calculé à partir de la masse du myocarde Mc qui est une donnée acquise en entrée du système. Un modèle algébrique permet d’exprimer le débit d’entrée au repos Qrestà partir de la masse du myocarde Mc.According to one embodiment, the resting input flow rate Q rest is calculated from the myocardial mass Mc which is data acquired at the input of the system. An algebraic model makes it possible to express the resting input flow rate Q rest from the myocardial mass Mc.
Selon un mode de réalisation, la donnée d’entrée du modèle MLA1est la masse du myocarde Mc ou la masse alimentée par un des vaisseaux, ou la masse d’une partie du myocarde telle que la masse d’un ventricule gauche, MC_LV. According to one embodiment, the input data of the MLA 1 model is the mass of the myocardium Mc or the mass supplied by one of the vessels, or the mass of a part of the myocardium such as the mass of a left ventricle, M C_LV.
Selon un autre mode de réalisation, la donnée d’entrée du modèle MLA1est un débit calculé à partir de la masse du myocarde Mc ou à partir de la masse d’une partie du myocarde.According to another embodiment, the input data of the MLA 1 model is a flow rate calculated from the mass of the myocardium Mc or from the mass of a part of the myocardium.
Dans ce dernier cas, le procédé comprend un calcul du débit au repos dans le premier vaisseau 10 dont la masse du myocarde Mc est connue.In the latter case, the method comprises a calculation of the resting flow rate in the first vessel 10 whose myocardial mass Mc is known.
Selon la sélection du vaisseau, la fraction de sang de l’artère alimentant ledit vaisseau est considérée.Depending on the vessel selection, the blood fraction of the artery supplying said vessel is considered.
Le procédé de l’invention permet de déduire de la sélection du premier vaisseau 10 considéré le débit en amont alimentant ledit premier vaisseau 10. On dénombre trois artères principales alimentant le cœur et donc l’ensemble des vaisseaux. Les 3 artères sont notées LAD, LCX et RCA.The method of the invention makes it possible to deduce from the selection of the first vessel 10 considered the upstream flow rate supplying said first vessel 10. There are three main arteries supplying the heart and therefore all the vessels. The 3 arteries are noted LAD, LCX and RCA.
La première artère LAD désigne l’artère appelée « Left Anterior Descending artery » dans la terminologie anglosaxonne et en français : « L’artère interventriculaire antérieure ». Cette artère alimente la partie antérieure du cœur, en particulier au ventricule gauche.The first artery, LAD, is the artery called the "Left Anterior Descending artery" in English terminology and in French: "The anterior interventricular artery". This artery supplies the anterior part of the heart, particularly the left ventricle.
La seconde artère LCX désigne l’artère appelée « Left Circumflex » dans la terminologie anglosaxonne, ou en français l’artère circonflexe gauche. Elle fournit le sang à la paroi latérale du cœur, principalement au ventricule gauche.The second artery LCX refers to the artery called "Left Circumflex" in English terminology, or in French the left circumflex artery. It supplies blood to the lateral wall of the heart, mainly to the left ventricle.
La troisième artère RCA désigne l’artère « Right Coronary Artery », ou l’artère coronaire droite. Elle irrigue principalement le ventricule droit et une partie du ventricule gauche.The third RCA artery is the "Right Coronary Artery." It primarily supplies blood to the right ventricle and part of the left ventricle.
Ces artères fournissent le sang oxygéné aux différentes parties du myocarde. Le débit sanguin dans ces artères peut être calculé selon des proportions connues d’éjection du sang dans chaque artère.These arteries supply oxygenated blood to different parts of the myocardium. Blood flow in these arteries can be calculated based on known proportions of blood ejection in each artery.
Une relation permet de déduire le débit au repos dans un vaisseau donné.A relationship allows the resting flow rate in a given vessel to be deduced.
Selon un mode de réalisation, la relation suivante peut s’écrire :According to one embodiment, the following relationship can be written:
Qrest= 2.5 * (MC 0 . 75) [ml/min],Q rest = 2.5 * (M C 0.75 ) [ ml /min],
Selon un autre mode de réalisation, si seule la masse du ventricule gauche MC_LVest connue, cette relation peut s’écrire :According to another embodiment, if only the mass of the left ventricle M C_LV is known, this relationship can be written:
Qrest_LV= 12*((0.7*( fc* Psyst)/1000)-0.4) * MC_LV / 100 [ml/min],Qrest_LV= 12*((0.7*( fc* Psystem)/1000)-0.4) * MC_LV / 100 [ml/min],
où fcest la fréquence cardiaque et Psyst est la pression systolique. Cette relation n'est valable que si le débit répond à la demande en oxygène de l’individu. where fcis the heart rate and Psystem is the systolic pressure. This relationship is only valid if the flow rate meets the individual's oxygen demand.
Dans le cas de la caractérisation d’un flux hyperémique, un coefficient de flux hyperémique khyppeut être calculé selon une formule empirique.In the case of characterizing a hyperemic flow, a hyperemic flow coefficient k hyp can be calculated according to an empirical formula.
khyp= 4.5 – 0.018 * ds + 0.00056 * ds2– 0.0000085 * ds3 k hyp = 4.5 – 0.018 * ds + 0.00056 * ds 2 – 0.0000085 * ds 3
avec ds : Le degré de sténose coronarienne maximum exprimé en pourcentage de diamètre du vaisseau.with ds: The maximum degree of coronary stenosis expressed as a percentage of vessel diameter.
La relation suivante peut s’écrire : Qhyp= Qrest* khyp The following relationship can be written: Q hyp = Q rest * k hyp
Si seule la masse du ventricule gauche est connue, la relation peut s’écrire Qhyp= Qrest_LV* khyp If only the mass of the left ventricle is known, the relationship can be written as Q hyp = Q rest_LV * k hyp
Selon un mode de réalisation, le modèle comprend en entrée uniquement la masse du myocarde Mc. Selon un autre mode de réalisation, le modèle comprend en entrée la masse du myocarde et le débit au repos en entrée. On comprend que les deux entrées Qrestet Mc sont fortement corrélées et donc qu’une seule valeur peut être considérée en entrée du modèle MLA1. Toutefois, le modèle peut prendre en compte les deux entrées.According to one embodiment, the model includes as input only the mass of the myocardium Mc. According to another embodiment, the model includes as input the mass of the myocardium and the resting flow rate as input. It is understood that the two inputs Q rest and Mc are strongly correlated and therefore that only one value can be considered as input to the MLA 1 model. However, the model can take into account both inputs.
Ces données sont notées ENS2sur la
Selon un mode de réalisation, une donnée supplémentaire est prise en compte avec la valeur de la pression systolique de l’individu.According to one embodiment, additional data is taken into account with the value of the individual's systolic pressure.
Selon un mode de réalisation, l’âge de l’individu est une entrée du modèle MLA1. Selon un mode de réalisation, le genre de l’individu est également une entrée du modèle MLA1.According to one embodiment, the age of the individual is an input to the MLA 1 model. According to one embodiment, the gender of the individual is also an input to the MLA 1 model.
Selon un mode de réalisation, le poids et la taille de l’individu sont des entrées du modèle MLA1.According to one embodiment, the weight and height of the individual are inputs to the MLA 1 model.
Selon un mode de réalisation, des données d’antécédents sont des entrées du modèle MLA1telles que la présence de diabète, de l’hypertension l’existence et le dénombrement d’intervention(s) coronaire percutanée antérieure, l’existence et le dénombrement d’infarctus du myocarde, la quantification d’une consommation de tabac.According to one embodiment, background data are inputs of the MLA 1 model such as the presence of diabetes, hypertension, the existence and count of previous percutaneous coronary intervention(s), the existence and count of myocardial infarction, the quantification of tobacco consumption.
Le procédé d’estimation de la FFR de l’invention comporte une étape visant à normaliser NM les données formant les descripteurs anatomiques extraits des segments/portions du premier vaisseau 10 et à normaliser les données des patients. Cette étape est notée NML sur la
Les données d’entrée peuvent comporter différents formats selon les données recueillies. Le bloc de normalisation NML permet donc d’appliquer des transformations potentiellement différentes sur les valeurs mesurées.The input data can have different formats depending on the data collected. The NML normalization block therefore allows potentially different transformations to be applied to the measured values.
Selon un mode de réalisation, la normalisation NML comprend une étape de mise à l’échelle des valeurs selon une échelle prédéfinie. La normalisation NML comprend également une transformation des données selon un système d’unités prédéfiniAccording to one embodiment, the NML normalization comprises a step of scaling the values according to a predefined scale. The NML normalization also comprises a transformation of the data according to a predefined unit system.
Selon un autre mode de réalisation, l’étape de normalisation NML comprend une mise à niveau de la précision des données et de leur format. La normalisation NML permet de générer le format de données permettant de traiter le vecteur d’entrée de la même manière que le vecteur d’entrée a été utilisé pour l’entrainement selon les différentes branches d’entrainement.According to another embodiment, the NML normalization step comprises an upgrade of the data precision and its format. The NML normalization makes it possible to generate the data format allowing the input vector to be processed in the same way as the input vector was used for training according to the different training branches.
Selon un mode de réalisation, une technique d'imputation de données est appliquée aux données d'entrée pour remplir les valeurs manquantes.According to one embodiment, a data imputation technique is applied to the input data to fill in missing values.
L’entrée du modèle d’apprentissage machine MLA1est notée E1sur la
Les entrées correspondantes sur la
- Sortie du modèle MLA
- MLA Model Release
Le procédé de l’invention met en œuvre un modèle d’apprentissage machine MLA1pour produire des données de sorties notées S1sur la
Les pressions prédites sont utilisées pour déduire la fonction de la FFR selon l’axe.The predicted pressures are used to infer the FFR function along the axis.
Les sorties correspondantes lors de l’entrainement sont notées respectivement S2, S3et S4selon les branches d’entrainement de la
Parmi les données produites par le modèle MLA1, il est possible d‘exploiter la pression d’entrée Pa considérée au plan de coupe définissant l’entrée du vaisseau et la pression Pd considérée au plan de coupe définissant la sortie du vaisseau.Among the data produced by the MLA model1, he is possible to exploit the inlet pressure Pa considered at the cutting plane defining the inlet of the vessel and the pressure Pd considered at the cutting plane defining the outlet of the vessel.
A partir des pressions produites par le modèle MLA1, le procédé de l’invention comprend une étape de calcul de la FFR, à savoir le rapport Pd/Pa. Cette étape est représentée à la
Selon un mode de réalisation, le débit Q est prédit par le modèle MLA1en tout point x du vaisseau et tout au long du cycle cardiaque dont en fonction du temps t.According to one embodiment, the flow rate Q is predicted by the MLA 1 model at any point x of the vessel and throughout the cardiac cycle, including as a function of time t.
Enfin, les valeurs des sections A en entrée et en sortie peuvent être générées et l’évolution de cette section A(t) au cours du cycle cardiaque peut également être calculée par le modèle MLA1. Enfin le modèle peut être entrainé de sorte à produire la section A0à l’équilibre.Finally, the values of the input and output sections A can be generated and the evolution of this section A(t) during the cardiac cycle can also be calculated by the MLA 1 model. Finally, the model can be trained to produce the section A 0 at equilibrium.
Selon un mode de réalisation, le procédé de l’invention comprend une étape de traitement des données générées par le modèle MLA1pour produire de nouvelles valeurs de paramètres d’intérêt.According to one embodiment, the method of the invention comprises a step of processing the data generated by the MLA 1 model to produce new values of parameters of interest.
Selon un mode de réalisation correspondant à celui de la
L'invention met en œuvre un modèle permettant de prédire la pression et d'autres caractéristiques associées d'un récipient, en tenant compte de diverses contraintes géométriques et physiques. Le modèle est basé sur l’apprentissage automatique scientifique SciML, un domaine de recherche qui utilise l’apprentissage profond pour résoudre des problèmes physiques complexes. Un exemple de modèle SciML est le réseau neuronal fondé sur la physique dit réseau « PINN ». Un tel réseau est particulièrement adapté pour apprendre des lois physiques notamment non linéaires par exemple approchées par des équations différentielles. Un intérêt d’un tel réseau est de permettre de travailler sur des processus physiques dans des vaisseaux sténosés. Cependant, PINN ne peut fournir des solutions que pour des paramètres vasculaires définis, tels que la géométrie du vaisseau ou la position de la sténose. L’inclusion de chaque nouvelle valeur de paramètre nécessite une simulation distincte, impliquant un recyclage complet du PINN. Pour surmonter ces limitations, un mode de réalisation utilise un réseau de type DeepONet basé sur la physique également noté « PIDeepONet ». Un tel réseau est dénommé modèle MLA1 dans la présente demande. Le réseau PIDeepONet peut être utilisé pour apprendre divers opérateurs linéaires ou non linéaires et imposer des contraintes physiques.The invention implements a model for predicting the pressure and other associated characteristics of a vessel, taking into account various geometric and physical constraints. The model is based on scientific machine learning SciML, a research field that uses deep learning to solve complex physical problems. An example of a SciML model is the physics-based neural network known as a “PINN” network. Such a network is particularly suitable for learning physical laws, particularly nonlinear ones, for example, approximated by differential equations. One advantage of such a network is that it allows working on physical processes in stenosed vessels. However, PINN can only provide solutions for defined vascular parameters, such as the geometry of the vessel or the position of the stenosis. The inclusion of each new parameter value requires a separate simulation, involving a complete retraining of the PINN. To overcome these limitations, one embodiment uses a physics-based DeepONet network, also known as a “PIDeepONet”. Such a network is referred to as an MLA model.1 in this application. The PIDeepONet network can be used to learn various linear or nonlinear operators and impose physical constraints.
Selon un mode de réalisation, le procédé de l’invention met en œuvre un algorithme d’apprentissage machine MLA1basée sur un réseau DeepONet, noté DON. Un tel réseau est conçu pour apprendre des opérateurs mathématiques. Dans ce contexte un tel opérateur est une fonction appelée « mapping » dans la terminologie anglo-saxonne. Elle transforme une fonction en une autre. Le réseau DeepONet apprend cette transformation directement à partir de données d’entrainement ENS1’.According to one embodiment, the method of the invention implements an MLA 1 machine learning algorithm based on a DeepONet network, denoted DON. Such a network is designed to learn mathematical operators. In this context, such an operator is a function called "mapping" in English terminology. It transforms one function into another. The DeepONet network learns this transformation directly from ENS 1 training data.
Dans un réseau de type DON, la fonction de perte Lf est conçue pour capturer l’erreur entre les sorties prédites par le réseau et les sorties réelles ou attendues pour un ensemble donné de fonctions d’entrée. La forme générale de la fonction de perte dans un DON est typiquement une fonction de l’erreur entre la prédiction du réseau et la vraie sortie pour divers échantillons d’entrées ENS1', ENS2', ENS1'’, ENS1'’’.In a DON network, the loss function Lf is designed to capture the error between the network's predicted outputs and the actual or expected outputs for a given set of input functions. The general form of the loss function in a DON is typically a function of the error between the network's prediction and the true output for various input samples ENS1', ENS2', ENS1'', ENS 1 '''.
Dans le cas d’un réseau formé pour apprendre un opérateur mathématique, la fonction de perte peut inclure des termes qui évaluent la précision avec laquelle les dérivées sont prédites.In the case of a network trained to learn a mathematical operator, the loss function may include terms that assess how accurately the derivatives are predicted.
De manière à représenter l’opérateur mathématique à partir des données, le réseau DON permet de considérer deux composantes généralement notées « trunk » et branch » dans la terminologie anglosaxonne. La composante ou branche « trunk » est notée Bt et la composante ou branche « branch » est notée Bb dans la suite de la description.In order to represent the mathematical operator from the data, the DON network allows us to consider two components generally noted "trunk" and "branch" in Anglo-Saxon terminology. The "trunk" component or branch is noted Bt and the "branch" component or branch is noted Bb in the rest of the description.
La
Un réseau DeepONet informée par la physique permet aux fonctions de sortie d'être cohérentes avec les contraintes physiques en minimisant une perte prenant en compte des lois physiques sous-jacentes.A physics-informed DeepONet network allows output functions to be consistent with physical constraints by minimizing a loss taking into account underlying physical laws.
Cette architecture comprend des entrées {u(xi)}iet {yk(i)}kdéfinissant les entrées respectivement de deux branches Bb et Bt du réseau.This architecture includes inputs {u(x i )} i and {y k (i)} k defining the inputs respectively of two branches Bb and Bt of the network.
La
Selon un mode de réalisation, les procédés de l’invention mettent en œuvre une architecture de réseau à plusieurs sorties. La
La
Le modèle peut s’exprimer comme une fonction G(u)(y) prenant en entrées du modèle les deux entrées {u(xi)}iet {yk}kpour générer une prédiction.
[Math 1]The model can be expressed as a function G(u)(y) taking as model inputs the two inputs {u(x i )} i and {y k } k to generate a prediction.
[Math 1]
Où i = 1, … , KWhere i = 1, … , K
Où 0 = p0< p1< … < pn Where 0 = p 0 < p 1 < … < p n
Les entrées {u(xi)}i ɛ [1 ;N]représentent N fonctions d’entrée distinctes. Et pour chaque yk(i) pris sur un intervalle K ε [1 ; P], il y a P valeurs prises dans le domaine de la fonction G(u(i)). La sortie générée est notée G(u(i),y(i)).The inputs {u(x i )} i ɛ [1 ; N] represent N distinct input functions. And for each y k (i) taken on an interval K ε [1 ; P], there are P values taken in the domain of the function G(u (i) ). The generated output is denoted G(u (i) ,y(i)).
Dans le cas de la présente invention, les valeurs yk(i) sont les données d’entrées reçues et traitées en entrée du modèle MLA1pour chaque échantillon d’entrée. Un échantillon comprend l’ensemble des données d’entrée d’un individu tel que son âge, la fréquence cardiaque fc, la masse du myocarde Mc, etc. Un échantillon peut également correspondre dans le cas de l’entrainement du modèle à un échantillon d’un cas modélisé in vitro ou simulé à partir d’un modèle CFD auxquelles des données de patients fictifs/virtuels ont été affectées.In the case of the present invention, the values y k (i) are the input data received and processed as input to the MLA 1 model for each input sample. A sample comprises all the input data of an individual such as his age, heart rate f c , myocardial mass Mc, etc. A sample can also correspond in the case of training the model to a sample of a case modeled in vitro or simulated from a CFD model to which data from fictitious/virtual patients have been assigned.
u(xi) est une fonction restituant les paramètres permettant de décrire les différentes anatomies de vaisseaux ou portions de vaisseaux définissant les données d’entrées anatomiques d’entrainement ENS1’. u(xi) est une fonction permettant de traiter les données d’entrainement ENS1’ afin d’entrainer le modèle MLA1.u(x i ) is a function returning the parameters used to describe the different anatomies of vessels or portions of vessels defining the anatomical input data for ENS 1 ' training. u(xi) is a function used to process the ENS 1 ' training data in order to train the MLA 1 model.
u(xi) correspond aux fonctions d'entrée, qui décrivent les caractéristiques géométriques/anatomiques du vaisseau dans les points capteurs x. Dans un mode de réalisation, u(x) est défini dans le domaine [0, 1] et dépend de la distance à la sténose. Pour de telles fonctions, 0 correspond à 100 % de sténose et 1 signifie l'absence de sténose. Dans un autre mode de réalisation, les fonctions u(x) sont déterminées par une représentation interne générée par le réseau d'auto-encodeurs. Dans ce cas, la construction de u(x) est un processus d’apprentissage non supervisé. La branche Bb du DON traite l’entrée de l’opérateur. Cette entrée est généralement une fonction ou un ensemble de valeurs qui représentent une fonction.u(x i ) corresponds to the input functions, which describe the geometric/anatomical characteristics of the vessel in the sensor points x. In one embodiment, u(x) is defined in the domain [0, 1] and depends on the distance to the stenosis. For such functions, 0 corresponds to 100% stenosis and 1 means no stenosis. In another embodiment, the u(x) functions are determined by an internal representation generated by the autoencoder network. In this case, the construction of u(x) is an unsupervised learning process. The Bb branch of the DON processes the operator input. This input is usually a function or a set of values that represent a function.
La branche Bb apprend une représentation de la fonction d’entrée. Pour ce faire, elle peut prendre en entrée des échantillons de cette fonction, par exemple, des valeurs de la fonction à différents points, et produire une représentation de dimension supérieure qui capture certaines caractéristiques de cette fonction.Branch Bb learns a representation of the input function. To do this, it can take as input samples of this function, for example, values of the function at different points, and produce a higher-dimensional representation that captures some characteristics of this function.
Cette branche Bb permet de comprendre la structure et les propriétés de la fonction d’entrée, permettant au réseau de répondre correctement aux variations dans ces données d’entrée.This Bb branch allows us to understand the structure and properties of the input function, allowing the network to respond correctly to variations in this input data.
La branche Bt est conçue pour traiter les points {yk}kdu domaine pour lesquels la sortie de l’opérateur doit être évaluée. La branche Bt produit une représentation de ces points. Cette représentation est ensuite utilisée pour prédire la sortie de l’opérateur à ces points spécifiques.The Bt branch is designed to process the points {y k } k of the domain for which the operator's output is to be evaluated. The Bt branch produces a representation of these points. This representation is then used to predict the operator's output at these specific points.
La branche Bt permet au réseau DON de comprendre comment l’opérateur agit sur différentes parties de son domaine, ce qui permet d’améliorer les prédictions des sorties du modèle DON.The Bt branch allows the DON network to understand how the operator acts on different parts of its domain, which helps improve the predictions of the DON model outputs.
Les sorties des branches Bb et Bt sont combinées entre elles pour produire la sortie finale du réseau. Cette combinaison peut se faire de différentes manières. Selon un exemple la combinaison est réalisée par un produit scalaire.The outputs of branches Bb and Bt are combined to produce the final output of the network. This combination can be done in several ways. For example, the combination is achieved by a scalar product.
En traitant séparément l’entrée de l’opérateur via la branche Bb et les points de sortie via la branche Bt, le réseau DON peut apprendre efficacement la relation entre l’entrée et la sortie de l’opérateur. Cette séparation permet une plus grande flexibilité et précision dans l’apprentissage d’opérateurs complexes.By separately processing the operator input via the Bb branch and the output points via the Bt branch, the DON network can efficiently learn the relationship between the operator input and output. This separation allows for greater flexibility and accuracy in learning complex operators.
Selon un exemple d’implémentation, le réseau DON ne comprend qu’une branche Bb. Un tel réseau est appelé dans la terminologie anglo-saxonne « unstacked DeepONet ». Elle présente l’avantage d’être moins consommatrice en calculs matriciels.In an example implementation, the DON network only includes one branch Bb. Such a network is called an “unstacked DeepONet” in English terminology. It has the advantage of requiring less matrix computation.
Selon un exemple d’implémentation d’un réseau DON, une architecture du réseau est configurée de sorte que les sorties des branches Bb et Bt sont combinées via une combinaison linéaire, telle qu’un produit scalaire, pour produire la sortie finale du réseau DON.In an example implementation of a DON network, a network architecture is configured such that the outputs of branches Bb and Bt are combined via a linear combination, such as a dot product, to produce the final output of the DON network.
Selon un mode de réalisation, le réseau DON prend en compte des contraintes physiques. Le réseau est appelé « physics-informed DeepONet » dans la terminologie anglosaxonne. Un tel réseau permet de prendre en compte dans la configuration de la fonction de perte des contraintes physiques permettant de pénaliser des valeurs prédites en dehors d’une gamme de valeurs prédéfinie.According to one embodiment, the DON network takes into account physical constraints. The network is called “physics-informed DeepONet” in English terminology. Such a network makes it possible to take into account physical constraints in the configuration of the loss function, making it possible to penalize predicted values outside a predefined range of values.
Selon un exemple, la fonction de perte Lf(θ) du réseau DON est configurée pour minimiser un premier terme noté Lopé(θ) qui correspond à la fonction de perte de l’opérateur et un second terme noté Lphy(θ) qui correspond à la fonction de perte des contraintes physiques.According to an example, the loss function L f (θ) of the DON network is configured to minimize a first term denoted L opé (θ) which corresponds to the loss function of the operator and a second term denoted L phy (θ) which corresponds to the loss function of the physical constraints.
Selon un mode de réalisation, lors de l’entrainement du modèle MLA1, la fonction de perte Lf(θ) est configurée pour optimiser une erreur en tenant compte d’un facteur permettant d’apprendre l’opérateur Lopé(θ) optimisant l’erreur d’une fonction u(x) modélisant la géométrie des vaisseaux et un permettant d’apprendre des contraintes physiques Lphy(θ) optimisant l’erreur d’un système d’équations définissant des bornes et un domaine compatible de la physique induite par les équations de Navier Stokes.According to one embodiment, when training the MLA 1 model, the loss function Lf(θ) is configured to optimize an error by taking into account a factor making it possible to learn the operator L opé (θ) optimizing the error of a function u(x) modeling the geometry of the vessels and one making it possible to learn physical constraints L phy (θ) optimizing the error of a system of equations defining bounds and a compatible domain of the physics induced by the Navier Stokes equations.
L'étape de calcul et d'optimisation de l’erreur calculée par la fonction perte est représentée à la
La fonction de perte peut s’écrire : Lf(θ) = Lopé(θ) + Lphy(θ)The loss function can be written: L f (θ) = L opé (θ) + L phy (θ)
Avec selon un exemple, l’expression suivante des deux opérateurs :
, [Math 2]
, [Math 3]With, for example, the following expression of the two operators:
, [Math 2]
, [Math 3]
Où {yk(i)}k=1 à Qdésigne à un ensemble de points échantillonnés de manière aléatoire dans le domaine G(u(i)).Where {yk(i)}k=1 to Qrefers to a set of randomly sampled points in the domain G(u(i)).
Où N est un opérateur différentiel linéaire ou non linéaire qui donne aux équations différentielles la forme suivante : N(u, G) = 0Where N is a linear or nonlinear differential operator that gives differential equations the following form: N(u, G) = 0
Les contraintes physiques pris en compte dans l’équation [3] par l’opérateur Lphy(θ) peuvent prendre la forme du système d’équations différentielles issu des équations incompressibles de Navier Stokes.The physical constraints taken into account in equation [3] by the operator L phy (θ) can take the form of the system of differential equations resulting from the incompressible Navier Stokes equations.
Ce système d’équations prend la forme d’un modèle numérique d’équations hémodynamiques appelé MOD1. Il peut s’exprimer de la manière suivante :
[Math 4]This system of equations takes the form of a numerical model of hemodynamic equations called MOD 1. It can be expressed as follows:
[Math 4]
Selon un autre mode de réalisation, un autre système d’équations hémodynamiques peut être utilisé pour définir le modèle MOD1ou d’autres équations peuvent être intégrées dans le modèle MOD1des équations [4]. Ces équations hémodynamiques peuvent être modélisées en 1D, en 2D ou en 3D.In another embodiment, another system of hemodynamic equations may be used to define the MOD 1 model or other equations may be integrated into the MOD 1 model of equations [4]. These hemodynamic equations may be modeled in 1D, 2D, or 3D.
D’autres équations d’états que celle de la pression peuvent être utilisées également.Other equations of state than that of pressure can also be used.
Selon un mode de réalisation, l’équation empirique du calcul du module de Young est utilisée comme cela est décrit pour la CFD.According to one embodiment, the empirical equation for calculating Young's modulus is used as described for CFD.
Selon un exemple, les équations de Navier Stokes sont représentées de manière non dimensionnée et sont intégrées sur la surface de la section transversale du vaisseau ou de la portion de vaisseau considéré.In one example, the Navier Stokes equations are represented in a dimensionless manner and are integrated over the cross-sectional area of the vessel or portion of vessel under consideration.
Les paramètres et variables sont définies ainsi :
[Math 5]The parameters and variables are defined as follows:
[Math 5]
On considère x une coordonnée selon l’axe Ox de redressement du vaisseau. t est le paramètre temps, p est la pression, q est le débit du flux, A est la section, δ est la frontière de l’épaisseur de la couche et ν est viscosité.We consider x as a coordinate along the Ox axis of vessel straightening. t is the time parameter, p is the pressure, q is the flow rate, A is the section, δ is the boundary of the layer thickness and ν is viscosity.
Dans ces équations, une nouvelle variable Re, désignant le nombre de Reynolds, est introduite. Les valeurs des variables dans un modèle à une dimension 1D sont considérées comme leurs valeurs maximales connues.In these equations, a new variable Re, denoting the Reynolds number, is introduced. The values of the variables in a 1D one-dimensional model are considered to be their known maximum values.
En outre, le procédé de l’invention permet de considérer
Ainsi, si les intervalles suivants sont violés, la fonction de coût pénalisera l’apprentissage :Thus, if the following intervals are violated, the cost function will penalize learning:
Selon différents modes de réalisation, des méthodes d’optimisation et de minimisation de chaque équation [4] du modèle MOD1décrit peuvent être mises en œuvre pour résoudre le système selon un résidu ou une erreur à minimiser.
- Entrainement du modèle
- Model training
L’invention concerne également un procédé d’entrainement du modèle MLA1. Un intérêt du procédé d’entrainement de l’invention est de considérer différents ensembles de données de test et de validation E2, E3et E4provenant de différentes configurations d’entrainement pour entrainer le modèle MLA1.The invention also relates to a method for training the MLA 1 model. An advantage of the training method of the invention is to consider different sets of test and validation data E 2 , E 3 and E 4 coming from different training configurations to train the MLA 1 model.
La
Un avantage d’un entrainement utilisant différentes configurations est d’obtenir de meilleure prédiction dans la phase d’exploitation du modèle MLA1.An advantage of training using different configurations is to obtain better predictions in the exploitation phase of the MLA 1 model.
En effet, la première entrée vise à entrainer le modèle MLA1avec des données testées in vivo, c’est à dire avec des patients pour lesquels des mesures de pression sont réalisées à partir d’un cathéter. La seconde entrée vise à entrainer le modèle MLA1avec un solveur CFD permettant de résoudre un système d’équations différentielles incompressibles de Navier Stockes. La troisième branche vise à entrainer le modèle MLA1avec des données mesurées sur un banc de test, les mesures sont dites in vitro.Indeed, the first input aims to train the MLA 1 model with data tested in vivo, i.e. with patients for whom pressure measurements are made from a catheter. The second input aims to train the MLA 1 model with a CFD solver allowing to solve a system of incompressible differential equations of Navier Stockes. The third branch aims to train the MLA 1 model with data measured on a test bench, the measurements are said to be in vitro.
Un tel entrainement en 3 phases permet d’obtenir un panel de données de test exhaustif permettant d’obtenir des données représentatives du cas réel, prenant en compte les équations de la physique et enfin permettant de modéliser un grand nombre de géométries différentes de sténoses.Such 3-phase training makes it possible to obtain an exhaustive panel of test data allowing to obtain data representative of the real case, taking into account the physics equations and finally making it possible to model a large number of different stenosis geometries.
Selon un mode de réalisation, le procédé de l’invention peut comprendre un entrainement reposant uniquement sur une seule entrée {B1}, {B2} ou {B3}, ou sur deux entrées {B1, B2}, {B1, B3}, {B2, B3} parmi trois. Par exemple, selon un mode de réalisation, le procédé de l’invention ne comprend que les données d’entrainement {ENS1’’, E3} et {ENS1’’’, E4}. Dans ce cas le modèle est entrainé uniquement avec des données du solveur CFD et des données in vitro.According to one embodiment, the method of the invention may comprise training based solely on a single input {B 1 }, {B 2 } or {B 3 }, or on two inputs {B 1 , B 2 }, {B 1 , B 3 }, {B 2 , B 3 } out of three. For example, according to one embodiment, the method of the invention only comprises the training data {ENS 1 '', E 3 } and {ENS 1 ''', E 4 }. In this case the model is trained solely with data from the CFD solver and in vitro data.
Lorsque le procédé d’entrainement comprend la première entrée B1des tests in vivo peuvent être conduits afin d’obtenir les données E2. Dans un autre cas, les données E2existent et sont enregistrées dans une mémoire ou une base de données. Dans ce dernier cas, le procédé de l’invention reçoit les données d’une mémoire pour entrainer le modèle avec les données de test E2qui ont déjà été recueillies.When the training method includes the first input B 1 in vivo tests can be conducted in order to obtain the data E 2 . In another case, the data E 2 exists and is stored in a memory or a database. In the latter case, the method of the invention receives the data from a memory to train the model with the test data E 2 which have already been collected.
Un tel entrainement comportant les données de plusieurs entrées B1, B2et B3telles que représentées à la
Une seconde entrée notée « cfd » sur la
Le système d’équations CFD 1D est par exemple appliqué à des données acquises d’une géométrie de vaisseau obtenu d’un système d’imagerie. La
- Seconde et troisième Segmentations SEG2, SEG3 pour le solveur CFD
- Second and third Segmentations SEG2, SEG3 for the CFD solver
Le procédé de l’invention comporte une seconde segmentation SEG2du premier vaisseau 10 en différents segments ou portions. Cette étape est notée SEG2sur la
Une troisième segmentation SEG3peut également être utilisée lors de la phase d’entrainement avec des données de test in vitro. Cette phase d’entrainement correspond à la troisième branche de la
La troisième segmentation se rapporte à une canalisation modélisée sur un banc de test comportant des portions au sein desquelles un flux est injecté et des paramètres caractérisant le flux sont mesurés. Ces données peuvent alors être utilisées pour entrainer le modèle MLA1. La troisième segmentation vise à caractériser des portions de canalisations ayant des propriétés topologiques représentant les différentes singularités d’un vaisseau.The third segmentation relates to a pipeline modeled on a test bench comprising portions within which a flow is injected and parameters characterizing the flow are measured. These data can then be used to train the MLA 1 model. The third segmentation aims to characterize portions of pipelines having topological properties representing the different singularities of a vessel.
A cet effet, le procédé d’entrainement de l’invention permet de générer automatiquement des plans de coupes du vaisseau afin de considérer chaque segment comme une portion de vaisseau dont les propriétés du flux sanguin pourront être calculées grâce au modèle hémodynamique MOD2. Un intérêt est de calculer des valeurs tests pour entrainer le modèle d’apprentissage machine.To this end, the training method of the invention makes it possible to automatically generate sectional plans of the vessel in order to consider each segment as a portion of vessel whose blood flow properties can be calculated using the MOD 2 hemodynamic model. One advantage is to calculate test values to train the machine learning model.
Au cours de la seconde segmentation SEG2utilisée pour associer les équations d’écoulement de Navier Stokes à des portions caractéristiques nécessitant un modèle donné, des plans de coupes caractéristiques peuvent être définis. Ces plans de coupes peuvent être automatiquement générés grâce à un algorithme de traitement d’image.During the second segmentation SEG 2 used to associate the Navier Stokes flow equations with characteristic portions requiring a given model, characteristic cutting planes can be defined. These cutting planes can be automatically generated using an image processing algorithm.
La
La
Dans l’exemple de la
Les plans de coupe sont représentés sur la
Lors de l’entrainement, l’utilisation du modèle hémodynamique MOD2dans la branche cfd de la
Selon un mode de réalisation, lors de l’utilisation du modèle hémodynamique MOD2, dit CFD, chaque segment considéré correspond à un type physique de la partie du vaisseau considéré à savoir une portion non sténosée, une portion sténosée, une portion courbe, une portion comportant une bifurcation. Selon ce mode de réalisation, cette règle permet de définir que deux segments voisins sont toujours de type différent.According to one embodiment, when using the MOD 2 hemodynamic model, called CFD, each segment considered corresponds to a physical type of the part of the vessel considered, namely a non-stenosed portion, a stenosed portion, a curved portion, a portion comprising a bifurcation. According to this embodiment, this rule makes it possible to define that two neighboring segments are always of different type.
La
La
Une entrée du flux sanguin est représentée par l’élément IB1et les différentes sorties du flux sanguin sont notées OB1, OB2, OB3et OB4.An inlet of the blood flow is represented by the element IB 1 and the different outlets of the blood flow are denoted OB 1 , OB 2 , OB 3 and OB 4 .
Un premier type de segments sg1, sg3, sg4, sg6, sg8, sg9, sg10, sg11, sg13, sg14, sg16, sg17, sg19, sg21, correspond aux portions de vaisseau dans lequel le flux peut être modélisé par des équations du solveur CFD, dites équations de Navier Stokes 1D notées [1] et [2], permettant de modéliser le flux et de calculer les pressions au sein du ou des vaisseaux en considérant des hypothèses de départ sur l’écoulement du flux.A first type of segments sg 1 , sg 3 , sg 4 , sg 6 , sg 8 , sg 9 , sg 10 , sg 11 , sg 13 , sg 14 , sg 16 , sg 17 , sg 19 , sg 21 , corresponds to the portions of the vessel in which the flow can be modeled by equations of the CFD solver, called 1D Navier Stokes equations noted [1] and [2], allowing the flow to be modeled and the pressures within the vessel(s) to be calculated by considering initial hypotheses on the flow of the flow.
Selon un mode de réalisation, le procédé de l’invention est réalisé pour chaque branche du point d’entrée IB1jusqu’au différents points de sortie OB1, OB2, OB3et OB4. Le procédé de l’invention permet d’obtenir la pression P(x, t), le débit Q(x, t) et la section A(x, t), c’est-à-dire en tout point le long de chaque vaisseau et à chaque instant du cycle cardiaque.According to one embodiment, the method of the invention is carried out for each branch from the entry point IB 1 to the different exit points OB 1 , OB 2 , OB 3 and OB 4 . The method of the invention makes it possible to obtain the pressure P(x, t), the flow rate Q(x, t) and the section A(x, t), that is to say at any point along each vessel and at each instant of the cardiac cycle.
Selon un mode de réalisation, un maillage est défini pour modéliser et résoudre le système. Le nombre de cellules du maillage selon l’axe du vaisseau et le pas de temps sont deux paramètres de contrôle. D’autres paramètres de contrôles peuvent être définis.According to one embodiment, a mesh is defined to model and solve the system. The number of cells in the mesh along the vessel axis and the time step are two control parameters. Other control parameters can be defined.
Un second type de segments sg5, sg7, sg12,sg20correspond aux portions de vaisseau présentant une sténose, c’est-à-dire une réduction locale du diamètre du vaisseau supérieure à un seuil. Les portions comportant une sténose imposent l’utilisation d’un modèle dédié de circulation du flux différent du modèle utilisé pour la circulation dans une portion non sténosée. Dans ce cas, une équation [21] décrite ci-après peut être utilisée permettant de modéliser le flux sanguin et de calculer les pressions d’entée et de sortie de chaque portion sténosée en considérant des hypothèses de départ sur l’écoulement du flux.A second type of sg segments5, sg7, sg12,sg20corresponds to the portions of the vessel presenting a stenosis, that is to say a local reduction in the diameter of the vessel greater than a threshold. The portions presenting a stenosis require the use of a dedicated model of flow circulation different from the model used for circulation in a non-stenotic portion. In this case, an equation [21] described below can be used to model the blood flow and to calculate the inlet and outlet pressures of each stenotic portion by considering initial hypotheses on the flow of the flow.
Un troisième type de segments sg2, sg18correspond aux portions de vaisseau avec une courbure supérieure à un seuil et pouvant affecter la circulation du flux vis-à-vis d’une circulation dans une portion non courbée. Dans ce cas, une équation supplémentaire peut être utilisée permettant de modéliser le flux sanguin en considérant des hypothèses de départ sur l’écoulement du flux.A third type of segments sg 2 , sg 18 corresponds to vessel portions with a curvature greater than a threshold and which can affect the flow circulation with respect to a circulation in an uncurved portion. In this case, an additional equation can be used to model the blood flow by considering initial assumptions on the flow flow.
Un quatrième type de segments sg15correspond aux portions de vaisseau présentant un anévrisme, c’est-à-dire les portions présentant un renflement local du diamètre du vaisseau supérieure à un seuil. Un renflement local peut être détecté du fait d’une augmentation locale du diamètre intérieur et/ou extérieur du vaisseau supérieur à un seuil. Le seuil peut être exprimé en valeur absolu ou en proportion du diamètre moyen du vaisseau ou du diamètre dans une portion adjacente. Le seuil peut également être caractérisé par la variation locale du diamètre. Les portions comportant un renflement local peuvent être mieux modélisées par impose l’utilisation d’un modèle dédié de circulation du flux qui est différent du modèle utilisé pour la circulation dans une portion du premier type par exemple. Dans ce cas, une équation semi-empirique similaire à l'équation [21] décrite ci-après dédiée peut être utilisée permettant de modéliser le flux sanguin en considérant des hypothèses de départA fourth type of sg 15 segments corresponds to portions of vessel with aneurysm, i.e. portions with a local bulge in the vessel diameter greater than a threshold. A local bulge can be detected due to a local increase in the inner and/or outer diameter of the vessel greater than a threshold. The threshold can be expressed as an absolute value or as a proportion of the average diameter of the vessel or the diameter in an adjacent portion. The threshold can also be characterized by the local variation in diameter. Portions with a local bulge can be better modeled by requiring the use of a dedicated flow circulation model that is different from the model used for circulation in a portion of the first type for example. In this case, a semi-empirical equation similar to the equation [21] described below dedicated can be used to model the blood flow by considering initial hypotheses
Ainsi, l’opération de seconde segmentation est réalisée automatiquement en labellisant dans un premier temps les différentes portions du vaisseau selon des caractéristiques géométriques propres.Thus, the second segmentation operation is carried out automatically by first labeling the different portions of the vessel according to specific geometric characteristics.
Afin de délimiter les plans de coupes lors de cette seconde segmentation SEG2, le procédé d’entrainement de l’invention permet de détecter les variations de diamètres ou de rayons du premier vaisseau. Ainsi après une réduction du diamètre supérieure à un seuil prédéfini par exemple exprimé en pourcentage du rayon moyen, du rayon maximal ou du rayon moyen local avant la réduction, un plan de coupe peut être généré. Et identiquement après l’augmentation du diamètre supérieure à un seuil prédéfini par exemple exprimé en pourcentage du rayon moyen, du rayon maximal ou du rayon moyen local après l’augmentation, un plan de coupe peut être généré.
- Conditions de continuité aux limites des portions segmentées
- Continuity conditions at the boundaries of segmented portions
La seconde segmentation SEG2permet de définir une condition de continuité entre deux portions segmentées se succédant, notamment au regard des valeurs estimées par les différents modèles MOD2appliqués selon le type de segments. Notamment, la pression ou le débit en sortie d’une première portion sont égaux à la pression ou au débit d’entrée d’une seconde portion succédant directement la première portion. Et inversement, la pression ou le débit en entrée d’une seconde portion sont égaux à la pression ou au débit de sortie d’une première portion précédant directement la seconde portion. Cela est également vrai pour d’autres paramètres caractérisant le flux ou les conditions aux limites au niveau des jonctions entre segment.The second SEG segmentation2allows a continuity condition to be defined between two successive segmented portions, in particular with regard to the values estimated by the different MOD models2applied depending on the type of segments. In particular, the pressure or flow rate at the outlet of a first portion is equal to the pressure or flow rate at the inlet of a second portion directly following the first portion. And conversely, the pressure or flow rate at the inlet of a second portion is equal to the pressure or flow rate at the outlet of a first portion directly preceding the second portion. This is also true for other parameters characterizing the flow or the boundary conditions at the junctions between segments.
Ainsi, il est possible d’entrainer le modèle MLA1par les valeurs estimées du second modèle MOD2de flux hémodynamique au sein du procédé d’entrainement de l’invention par une approche de proche en proche.Thus, it is possible to train the MLA 1 model by the estimated values of the second MOD 2 hemodynamic flow model within the training method of the invention by a step-by-step approach.
A cet effet, une boucle de rétroaction peut être utilisée afin d’intégrer les valeurs calculées par l’application du second modèle hémodynamique MOD2sur une pluralité de segments s’enchainant avec les conditions de continuité.For this purpose, a feedback loop can be used to integrate the values calculated by applying the second hemodynamic model MOD 2 to a plurality of segments linked together with the continuity conditions.
En ce qui concerne les portions sténosées, une méthode mathématique permettant de gérer les conditions aux limites peut être mises en œuvre. Par exemple, une méthode dite des « cellules fantômes » appelée dans la terminologie anglosaxonne « ghost cells » peut être mise en œuvre. Ces cellules fantômes sont ajoutées aux cellules du maillage.For stenosed portions, a mathematical method can be implemented to manage boundary conditions. For example, a so-called "ghost cells" method can be implemented. These ghost cells are added to the mesh cells.
Selon un mode de réalisation, la boucle de rétroaction permet de tester quel type de segment est traité dans la boucle pour une position donnée avant de réitérer les calculs pour une position incrémentée. Si la position considérée dans la boucle de rétroaction est une position sténosée, le procédé de l’invention permet de mettre en œuvre une cellule fantôme.According to one embodiment, the feedback loop makes it possible to test which type of segment is processed in the loop for a given position before repeating the calculations for an incremented position. If the position considered in the feedback loop is a stenotic position, the method of the invention makes it possible to implement a ghost cell.
Le principe est de définir une grille physique de l’espace permettant de réaliser des calculs dont chaque cellule représente un volume de fluide. Les cellules fantômes permettent de définir des conditions aux limites sur la pression, le débit, etc. dans les cellules fantômes selon les conditions aux limites du problème. A titre d’exemple, la vitesse du fluide peut être fixée à 0 pour simuler la présence d’une paroi d’un vaisseau. Les conditions peuvent être de différentes natures telles que des conditions de Dirichet pour des valeurs fixes des conditions ou des conditions de Neumann pour des valeurs de type gradient ou des conditions plus complexes comme des conditions de glissement ou de périodicité. Par exemple, la condition sur la variable du temps t peut être induite de la contrainte du rythme cardiaque. L’intégration des équations de conservation de Navier Stokes est réalisée sur chaque cellule et également sur les cellules fantômes.The principle is to define a physical grid of space allowing calculations to be carried out in which each cell represents a volume of fluid. Ghost cells allow boundary conditions to be defined on pressure, flow rate, etc. in the ghost cells according to the boundary conditions of the problem. For example, the fluid velocity can be set to 0 to simulate the presence of a vessel wall. The conditions can be of different natures such as Dirichet conditions for fixed values of the conditions or Neumann conditions for gradient type values or more complex conditions such as sliding or periodicity conditions. For example, the condition on the time variable t can be induced from the heart rate constraint. The integration of the Navier Stokes conservation equations is carried out on each cell and also on the ghost cells.
Lors de l’intégration des équations sur chaque branche du point d’entrée IB1jusqu’au différents points de sortie, sténosée ou non, les conditions aux limites données par la résolution des équations de Windkessel [17] en sortie, c’est-à-dire dans le cas de la
La
Les différentes segmentations de géométrie créées in vitro peuvent être utilisées comme de nombreux cas de figures différents pour la modélisation MOD2dit CFD. Un intérêt est de produire de nombreuses données d’entrainement permettant de couvrir de nombreux de figures. Par exemple, des cas dans lesquels plusieurs portions sténosées se succèdent dans le même vaisseau.The different geometry segmentations created in vitro can be used as many different scenarios for MOD 2 , or CFD, modeling. One advantage is that they produce a large amount of training data to cover a large number of scenarios. For example, cases in which several stenosed portions follow one another in the same vessel.
Par ailleurs, ces données de géométrie issue de la 3eme segmentation SEG3permettent de valider les modèles CFD. Ainsi, les choix d’équations notamment l’équation [21] pour les portions sténosées ou d’équations semi-empiriques équivalentes peuvent être ajustées pour modéliser certaines portions de vaisseau. A titre d’exemple, les coefficients kv et kTde l’équation [21] peuvent être ajustés selon les différentes géométries de portions sténosées ou d’autres coefficients peuvent être calculés et ajustés pour d’autres équations semi-empiriques.Furthermore, these geometry data from the 3rd SEG 3 segmentation allow the validation of CFD models. Thus, the choice of equations, in particular equation [21] for the stenosed portions or equivalent semi-empirical equations, can be adjusted to model certain vessel portions. For example, the coefficients kv and k T of equation [21] can be adjusted according to the different geometries of stenosed portions or other coefficients can be calculated and adjusted for other semi-empirical equations.
Selon un autre cas, les données sont obtenues à partir de données de vaisseau déjà enregistrées dans une mémoire. La source des données est notée PROD1sur la
Le modèle CFD 1D est obtenu grâce à une application des équations de Navier-Stokes pour chaque portion segmentée ou groupe de portions du premier vaisseau 10.
, [Math 6]
, [Math 7]The 1D CFD model is obtained by applying the Navier-Stokes equations for each segmented portion or group of portions of the first vessel 10.
, [Math 6]
, [Math 7]
Où :
, [Math 8]
, [Math 9]
, [Math 10]Or :
, [Math 8]
, [Math 9]
, [Math 10]
On considère x une coordonnée selon l’axe Ox de redressement du vaisseau. t est le paramètre temps, p est la pression, q est le débit du flux, A est la section, δ est l’épaisseur de la frontière de la paroi de la couche et ν est viscosité.We consider x as a coordinate along the Ox axis of vessel straightening. t is the time parameter, p is the pressure, q is the flow rate, A is the section, δ is the thickness of the boundary of the layer wall and ν is viscosity.
Les équations (1) et (2) peuvent être dérivées avec une hypothèse de pression uniforme au sein d’une section du vaisseau.Equations (1) and (2) can be derived with an assumption of uniform pressure within a section of the vessel.
Le profil de vitesse est noté ici u et peut être exprimé ainsi :
[Math 11]The speed profile is denoted here by u and can be expressed as follows:
[Math 11]
Selon un mode de réalisation, des termes additionnels, tels que la gravité, peuvent être inclus dans les équations ou encore des profils de vitesse différents.According to one embodiment, additional terms, such as gravity, may be included in the equations or different velocity profiles.
Selon un mode de réalisation, une équation d’état qui associe la pression et la surface de la section du vaisseau peut être également ajoutée au système d’équations :
, [Math 12]According to one embodiment, an equation of state that associates the pressure and the surface area of the vessel section can also be added to the system of equations:
, [Math 12]
Où
, [Math 13]
, [Math 14]Or
, [Math 13]
, [Math 14]
Avec les définitions suivantes des constantes ou paramètres pris(es) en considération :
, [Math 15]With the following definitions of the constants or parameters taken into consideration:
, [Math 15]
p0et r0sont la pression et le rayon du vaisseau à l’équilibrep 0 and r 0 are the pressure and radius of the vessel at equilibrium
E est le module de Young.E is Young's modulus.
h est l’épaisseur du vaisseau.h is the thickness of the vessel.
Selon un mode de réalisation, les données expérimentales donnent la relation suivante permettant de lier ces derniers paramètres :
, [Math 16]According to one embodiment, the experimental data give the following relationship allowing these latter parameters to be linked:
, [Math 16]
OùOr
k1= 2∙107g/(s²∙cm)k 1 = 2∙10 7 g/(s²∙cm)
k2= 22,53 cm-1k 2 = 22.53 cm-1
k3= 8,65∙105g/(s²∙cm)k 3 = 8.65∙10 5 g/(s²∙cm)
La relation (4) peut, selon certains modes de réalisation, intégrer des effets d’élasticité tels que la viscoélasticité sans affecter la structure du solver CFD.Relation (4) may, in some embodiments, incorporate elasticity effects such as viscoelasticity without affecting the structure of the CFD solver.
Selon un mode de réalisation, l’épaisseur de la paroi d’un vaisseau est une constance du système. Le procédé de l’invention prend en compte une valeur par défaut. Selon un mode de réalisation, l’épaisseur du vaisseau peut être modifiée selon des paramètres tels que des paramètres du profil d’individu : comme son âge ou son genre et des paramètres extraits de l’imagerie. Selon un mode de réalisation, l’épaisseur du vaisseau considéré est prise en compte dans le modèle d’élasticité des vaisseaux.According to one embodiment, the thickness of the wall of a vessel is a constant of the system. The method of the invention takes into account a default value. According to one embodiment, the thickness of the vessel can be modified according to parameters such as parameters of the individual profile: such as their age or gender and parameters extracted from the imaging. According to one embodiment, the thickness of the vessel considered is taken into account in the elasticity model of the vessels.
Les conditions aux limites permettent de résoudre les équations [6] à [10]. Les conditions aux limites sont données à l’entrée et à la sortie du vaisseau considéré.The boundary conditions allow us to solve equations [6] to [10]. The boundary conditions are given at the entrance and exit of the vessel considered.
Les conditions aux limites peuvent être obtenues directement ou déduites indirectement à partir de mesures expérimentales.Boundary conditions can be obtained directly or deduced indirectly from experimental measurements.
Selon un mode de réalisation parmi les valeurs qui sont utilisées pour les conditions aux limites, on trouve la résistance R1 ou l’impédance caractéristique Zc, la résistance R2et la compliance C.According to one embodiment among the values which are used for the boundary conditions, we find the resistance R1 or the characteristic impedance Zc, the resistance R2and compliance C.
Les conditions en sortie peuvent être obtenues à partir de l’équation de Windkessel. Ce dernier s’écrit en fonction des paramètres de pression p et de débit q :
, [Math 17]The outlet conditions can be obtained from the Windkessel equation. The latter is written as a function of the pressure p and flow q parameters:
, [Math 17]
Où :
, [Math 18]Or :
, [Math 18]
Cette équation est vraie pour :
- l’impédance Zc, notée R1dans l’équation [17];
- l’égalité suivante : R = R1+ R2 .
- the impedance Zc, noted R 1 in equation [17];
- the following equality: R = R 1 + R 2 .
Différentes manières peuvent être utilisées pour déterminer les coefficients de résistance R ou R2et de compliance C et d’impédance R1ou Zc,Different ways can be used to determine the coefficients of resistance R or R 2 and compliance C and impedance R 1 or Zc,
Selon un mode de réalisation, des valeurs de constantes R1ou Zc, R2, et C peuvent être estimées à partir des données in-vitro en utilisant la vitesse de propagation de l'onde de pression, notée PWV et désignant dans la terminologie anglo-saxonne « pressure wave velocity ». Elle est calculée au moyen de deux capteurs de pression éloignées en considérant une distance connue.According to one embodiment, values of constants R 1 or Zc, R 2 , and C can be estimated from the in-vitro data using the pressure wave propagation speed, noted PWV and designating in English terminology “pressure wave velocity”. It is calculated using two distant pressure sensors considering a known distance.
L’impédance R1et la compliance C peuvent être obtenues par exemple à partir des équations suivantes :
, [Math 19]
, [Math 20]The impedance R 1 and the compliance C can be obtained for example from the following equations:
, [Math 19]
, [Math 20]
Selon un autre exemple, des valeurs de constantes R1ou Zc, R2et C peuvent être considérées selon les valeurs publiées dans la littérature.According to another example, values of constants R 1 or Zc, R 2 and C can be considered according to the values published in the literature.
Toutefois, ces méthodes ne permettent pas d’ajuster et adapter les valeurs à chaque individu.However, these methods do not allow for adjusting and adapting values to each individual.
Ainsi, l’entrainement du modèle d’apprentissage machine permet d’apprendre la fonction apprenante à partir des données mesurées in-vivo et du modèle CFD.Thus, training the machine learning model allows learning the learning function from the in-vivo measured data and the CFD model.
L’invention permet dans un second temps, lorsque le modèle d’apprentissage machine a été entrainé, de déduire ces valeurs à partir de l’application du modèle d’apprentissage machine MLA1avec des données d’exploitation provenant de l’ensemble de données ENS1.The invention makes it possible in a second step, when the machine learning model has been trained, to deduce these values from the application of the MLA 1 machine learning model with operating data from the ENS 1 data set.
Les équations [6] à [15] avec les conditions aux limites données par le modèle de Windkessel [17] permettent de résoudre le solveur CFD 1D pour des branches de vaisseau ne comportant pas de sténose ou plus généralement n’étant pas obstrué.Equations [6] to [15] with the boundary conditions given by the Windkessel model [17] allow to solve the 1D CFD solver for vessel branches not having stenosis or more generally not being obstructed.
Pour les portions comportant une sténose, une bifurcation, ou un anévrisme, une équation semi-empirique peut être utilisée et être résolue.For portions with a stenosis, bifurcation, or aneurysm, a semi-empirical equation can be used and solved.
Par exemple, dans le cas d’une sténose, selon un mode de réalisation, un modèle semi-empirique exprimant un delta de pression, disponible dans la littérature peut être utilisé :
, [Math 21]For example, in the case of stenosis, according to one embodiment, a semi-empirical model expressing a pressure delta, available in the literature, can be used:
, [Math 21]
où Kνet Ktsont les coefficients de résistance visqueuse et turbulente, et les indices s0et s1se réfèrent respectivement aux valeurs immédiatement avant la sténose et à l’intérieur de la sténose.where K ν and K t are the viscous and turbulent resistance coefficients, and the subscripts s 0 and s 1 refer to the values immediately before the stenosis and inside the stenosis, respectively.
Un tel modèle est appelé premier modèle d’un delta de pression.Such a model is called the first pressure delta model.
On considère dans cet exemple que la section transversale est constante sur toute sa longueur de la sténose. On précise ici que les notations sont semblables à celles de la sortie du modèle MLA1noté S1, toutefois, elles ne représentent pas les mêmes variables ou paramètres.In this example, the cross-section is considered constant along the entire length of the stenosis. It is specified here that the notations are similar to those of the output of the MLA 1 model noted S 1 , however, they do not represent the same variables or parameters.
Cette expression est liée à une géométrie dans son ensemble et ne peut être résolue pour un point x de l’axe Ox et un instant t donné.This expression is linked to a geometry as a whole and cannot be resolved for a point x of the Ox axis and a given instant t.
Les expressions précises des coefficients Kνet Ktpeuvent être obtenues de manière expérimentale ou les données peuvent être obtenues de la littérature scientifique.The precise expressions of the coefficients K ν and K t can be obtained experimentally or the data can be obtained from the scientific literature.
L’équation [21] peut être modifiée pour chaque profil de la
Pour cela chaque portion de vaisseau peut être caractérisé par son type : portion simple, portion courbée, portion comportant un rétrécissement, ou encore une portion comportant une dilatation.For this, each portion of vessel can be characterized by its type: simple portion, curved portion, portion with a narrowing, or even a portion with a dilation.
Dans chacune de ces portions, un delta de pression peut être mesuré par une méthode expérimentale mettant en œuvre des capteurs.In each of these portions, a pressure delta can be measured by an experimental method using sensors.
Les mesures faites peuvent être utilisés pour définir les coefficients de résistance visqueuse kv et les coefficients de résistance turbulente kTpour chaque portion identifiée. Un intérêt est d’utiliser un banc de test 20 permettant d’estimer des caractéristiques d’écoulement d’un fluide pour estimer dans un second temps les coefficients kv et kT.The measurements made can be used to define the viscous resistance coefficients kv and the turbulent resistance coefficients kT for each identified portion. One advantage is to use a test bench 20 allowing the estimation of the flow characteristics of a fluid to subsequently estimate the coefficients kv and kT.
Une méthode d’estimation de ces coefficients peut reposer sur la mise en œuvre d’un modèle d’apprentissage machine permettant d’apprendre les coefficients à partir d’une pluralité de mesures dont on connait les valeurs caractérisant l’écoulement du fluide du fait du banc de test.A method for estimating these coefficients can be based on the implementation of a machine learning model making it possible to learn the coefficients from a plurality of measurements for which the values characterizing the flow of the fluid are known due to the test bench.
Les équations [6] à [15] peuvent être résolues numériquement par exemple à partir de la méthode MacCormack en considérant un ordre donné du système et les conditions aux limites. Le modèle CFD 1D peut être appliqué à des cas de complexité différente, depuis un simple vaisseau non obstrué jusqu'à un réseau de vaisseaux ramifiés présentant de multiples singularités telles qu’une sténose, une bifurcation, un anévrisme, etc. Afin de traduire la géométrie obtenue par les capteurs sous une forme adaptée à la simulation numérique, le logiciel de pré-traitement identifie et divise la géométrie complète en un ensemble de « segments » et crée un schéma topologique décrivant leur interconnexion tel que cela est représenté à la
Chaque segment représente une section du vaisseau correspondant à l'un des types prédéfinis, par exemple un vaisseau droit non obstrué, un vaisseau courbe non obstrué, un vaisseau avec sténose, une bifurcation, etc. Chaque segment est également caractérisé par un ensemble de variables telles que sa longueur, son diamètre, son type, les segments voisins avec lesquels il interagit, etc.Each segment represents a section of the vessel corresponding to one of the predefined types, for example, an unobstructed straight vessel, an unobstructed curved vessel, a vessel with stenosis, a bifurcation, etc. Each segment is also characterized by a set of variables such as its length, diameter, type, neighboring segments with which it interacts, etc.
Si le système du ou des vaisseau(x) modélisé(s) comprend un ou plusieurs points de bifurcation, la zone de calcul entière est divisée en « branches », chaque branche étant composée d'un ensemble continu de segments entre les segments contenant l'entrée ou la bifurcation et les limites de sortie. Un exemple de bifurcation est représenté à la
Les valeurs des paramètres caractéristiques des portions sténosées sont résolues à partir de l’équation [21].The values of the characteristic parameters of the stenotic portions are solved from equation [21].
Des équations appropriées telles que l’équation [21] sont utilisées dans des segments « spéciaux » par exemple un segment comportant une sténose, etc. Le modèle CFD 1D est conçu pour être facilement adaptable à l'introduction de divers types de segments « spéciaux », nécessitant un traitement spécialisé, ainsi qu'à des modifications des équations régissant la ligne de base, ce qui est accompli par un ensemble de commutateurs activant différentes formulations des équations [6] à [15] par exemple, divers traitements d'élasticité [12] et [15], de profil de vitesse [11] ou des conditions aux limites [17].Appropriate equations such as equation [21] are used in "special" segments e.g. a segment with stenosis, etc. The 1D CFD model is designed to be easily adaptable to the introduction of various types of "special" segments, requiring specialized treatment, as well as to modifications of the equations governing the baseline, which is accomplished by a set of switches activating different formulations of equations [6] to [15] e.g., various treatments of elasticity [12] and [15], velocity profile [11] or boundary conditions [17].
La résolution du système permet de fournir les données permettant de tester le modèle MLA1lors de l’entrainement et de valider ce dernier pour obtenir une prédiction avec un score de confiance suffisant.The resolution of the system makes it possible to provide the data to test the MLA 1 model during training and to validate the latter to obtain a prediction with a sufficient confidence score.
Une étape de normalisation des données peut être réalisée, notée NML sur la
L’étape de normalisation dans le cadre de l’entrainement à partir des simulations du second modèle MOD2, dite modélisation CFD est également utilisée pour améliorer la stabilité en garantissant que toutes les variables primaires ont des ampleurs comparables.The normalization step in training from simulations of the second MOD 2 model, called CFD modeling, is also used to improve stability by ensuring that all primary variables have comparable magnitudes.
Une troisième entrée B3notée « In vitro » sur la
De nombreux paramètres peuvent être ajustés, tels que la résistance R, l’impédance Zc, la compliance C et par exemple les paramètres suivants :
- Le rayon de l'artère imprimer en 3D, exprimé en cm
- la longueur du segment, exprimé en cm
- la vitesse maximale noté Up, exprimé en cm/s
- la pulsation noté f ou fcexprimée en Hz/60
- le débit Q, exprimé en ml/min
- la viscosité, exprimée en Pa*s
- la densité exprimée en kg/m3
- le nombre de Reynolds noté Re
- la pression d'équilibre notée P0et exprimée en mmHg
- l’élasticité noté E, et exprimé en Mpa ou la compliance C qui est relié à la valeur de l’élasticité
- le vecteur de gravité
- The radius of the 3D printed artery, expressed in cm
- the length of the segment, expressed in cm
- the maximum speed noted Up, expressed in cm/s
- the pulsation noted f or f c expressed in Hz/60
- the flow rate Q, expressed in ml/min
- viscosity, expressed in Pa*s
- the density expressed in kg/m 3
- the Reynolds number noted Re
- the equilibrium pressure noted P 0 and expressed in mmHg
- elasticity noted E, and expressed in Mpa or compliance C which is linked to the elasticity value
- the gravity vector
Les paramètres peuvent être ajustés par exemple par le choix des propriétés des matériaux utilisés, le choix de l’épaisseur des pièces utilisées, la méthode de fabrication de la pièce telle que l’impression 3D ou le moulage de la pièce, et de leur configuration ou agencement entre eux ou au sein du banc.The parameters can be adjusted for example by the choice of the properties of the materials used, the choice of the thickness of the parts used, the method of manufacturing the part such as 3D printing or casting the part, and their configuration or arrangement between them or within the bench.
Un exemple d’un banc de test 20 modélisant l’écoulement du fluide au sein de différentes portions est représenté à la
Le banc de test 20 peut comporter une entrée 26, un canal d’écoulement principal 25, une section de test 23, un canal d’écoulement de retour 27, une pompe 21, des capteurs de pression 24.The test bench 20 may comprise an inlet 26, a main flow channel 25, a test section 23, a return flow channel 27, a pump 21, pressure sensors 24.
Lors de tels tests, les capteurs de pressions 24 permettent de relever des pressions d’entrée et de sortie pour des portions à tester ayant différentes géométries.During such tests, the pressure sensors 24 make it possible to record inlet and outlet pressures for portions to be tested having different geometries.
La portion 30 représente une portion courbée qui peut être testée dans les mêmes conditions qu’une portion droite. La portion 32 permet de modéliser une bifurcation. La portion 33 permet de tester un rétrécissement du canal et vise à modéliser une sténose.Section 30 represents a curved section that can be tested under the same conditions as a straight section. Section 32 is used to model a bifurcation. Section 33 is used to test a narrowing of the canal and is intended to model a stenosis.
La
La
Des profils de rétrécissement sont notés tels que le profil P définissant un rétrécissement selon des lignes droites. Un profil S20 définit un rétrécissement selon des lignes courbes. Un profil S1définit un rétrécissement selon des lignes courbes avec une asymétrie de variation du rétrécissement entre la portion en aval de sténose et la portion amont de la sténose. Le profil S30 présente une asymétrie inverse vis-à-vis du profil S10. Le profil PU présente un rétrécissement avec des lignes droites comportant une asymétrie au sein de la section. Le profil SU présente une variation de diamètre au sein de la portion sténosée asymétrique entre la partie supérieure et la partie inférieure du vaisseau. Le profil PU2 présente également une asymétrie et une orientation induite de l’écoulement selon un axe non colinéaire avec celui du vaisseau. Il est possible d’utiliser deux profils de la
Les données géométriques ainsi modélisées permettent de produire de nombreux cas de figure. La source de ces données est notée PROD2sur la
Comme dans le cadre de la CFD le composant PROD2permet de produire les données géométriques et les données de toutes les mesures in-vitro Q, P, A à partir des capteurs disposés sur le banc de test 20.As in the CFD framework, the PROD 2 component allows the production of geometric data and data from all in-vitro measurements Q, P, A from the sensors placed on the test bench 20.
Selon un mode de réalisation, lors de l’entrainement du modèle d’apprentissage machine MLA1, des mesures de pression et de débit en différents points du canal de test peuvent être mesurées au moyen de capteurs appropriés, notamment des capteurs de pression. Ces valeurs sont utilisées de manière à entrainer le modèle.According to one embodiment, when training the MLA 1 machine learning model, pressure and flow rate measurements at different points in the test channel may be measured using appropriate sensors, including pressure sensors. These values are used to train the model.
Lors de l’entrainement, selon un mode de réalisation, il est possible de mesurer en plusieurs points du canal les valeurs des paramètres suivants :
- le débit Q(x,t) par exemple en tout point à partir d’une échographie type Doppler
- la pression P(t) en différents points, par exemple 5 à 10 points, et
- A(t) en différents points, par exemple 5 à 10 points.
- the flow rate Q(x,t) for example at any point from a Doppler type ultrasound
- the pressure P(t) at different points, for example 5 to 10 points, and
- A(t) at different points, for example 5 to 10 points.
De plus, la pression à l’équilibre P0, la viscosité, ainsi que la résistance R, la compliance C et l’impédance Zc en sortie de la branche considérée, peuvent être également mesurées.In addition, the equilibrium pressure P 0 , the viscosity, as well as the resistance R, the compliance C and the impedance Zc at the output of the branch considered, can also be measured.
Il est donc possible de tester les valeurs prédites par le modèle d’apprentissage MLA1grâce aux valeurs mesurées.It is therefore possible to test the values predicted by the MLA 1 learning model using the measured values.
Les données mesurées définissent les données E4représentées à la
Les données géométriques et les données mesurées sont notées ENS1’’’ et E4sur la
Cette étape de normalisation est notée NML. Cette étape de normalisation permet notamment de traiter des données d’entrainement multi-fidélités provenant de différents systèmes.This normalization step is denoted NML. This normalization step allows in particular the processing of multi-fidelity training data coming from different systems.
Une approche permettant de combiner diverses sources de données consiste à les considérer dans le contexte des méthodes dites de « multi-fidélité ». Les méthodes multi-fidélité, notées MF, représentent une avancée significative dans le domaine de la science informatique, en particulier pour les modèles complexes qui nécessitent des ressources informatiques importantes. Ces méthodes combinent des données d’haute-fidélité qui sont précises mais coûteuses à obtenir par exemple aux moyens de tests in-vitro, in-vivo, et de basse fidélité qui sont moins précises mais moins coûteuses telle que le solveur CFD pour améliorer la précision de la prédiction.One approach to combining diverse data sources is to consider them in the context of so-called “multi-fidelity” methods. Multi-fidelity methods, denoted as MF, represent a significant advance in the field of computational science, especially for complex models that require significant computational resources. These methods combine high-fidelity data that are accurate but expensive to obtain, for example, through in-vitro, in-vivo tests, and low-fidelity data that are less accurate but less expensive, such as the CFD solver, to improve the prediction accuracy.
L'approche d’une méthode multi-fidélité est particulièrement avantageuse dans les applications d'optimisation et de quantification de l'incertitude, car elle réduit la nécessité d'évaluations de modèles d’haute-fidélité, comme les mesures in vitro. Les modèles multi-fidélité peuvent utiliser la régression par processus gaussien ou des architectures de réseau autorégressifs non linéaires pour corréler les différents niveaux de fidélité.The multi-fidelity approach is particularly advantageous in optimization and uncertainty quantification applications because it reduces the need for high-fidelity model evaluations, such as in vitro measurements. Multi-fidelity models can use Gaussian process regression or nonlinear autoregressive network architectures to correlate different fidelity levels.
Une première entrée B1et notée « In-vivo » sur la
Le procédé comprend une phase d’entrainement du modèle d’apprentissage machine MLA1grâce à des mesures in-vivo. Les mesures peuvent être réalisées à partir d’un cathéter introduit dans une artère ou un vaisseau d’un patient. Le cathéter présente avantageusement au moins un capteur de pression. Les relevés de pressions sont réalisés en différents points identifiés sur l’image du vaisseau acquise et redressé. Lors de ces mesures, les mesures sont préférentiellement réalisées à différents moments dans le cycle cardiaque et avec différentes fréquences cardiaques. De plus, le débit in-vivo peut-être mesuré par différentes méthodes, y inclus échographie type Doppler, thermodilution, etc.The method comprises a training phase of the MLA 1 machine learning model using in-vivo measurements. The measurements can be made from a catheter introduced into an artery or vessel of a patient. The catheter advantageously has at least one pressure sensor. The pressure readings are taken at different points identified on the acquired and straightened image of the vessel. During these measurements, the measurements are preferably taken at different times in the cardiac cycle and with different heart rates. In addition, the in-vivo flow can be measured by different methods, including Doppler ultrasound, thermodilution, etc.
Selon un mode de réalisation, les données démographiques, les données de l’anamnèses d’un patient et les données fonctionnelles telles que la pression systolique/diastolique, les mesures d’IRM cardiaque et l’échographie cardiaque peuvent être mesurées. D’autres données peuvent également être collectées et être utilisées dans divers modes de réalisation.In one embodiment, demographic data, patient history data, and functional data such as systolic/diastolic pressure, cardiac MRI measurements, and cardiac ultrasound may be measured. Other data may also be collected and used in various embodiments.
Les mesures laboratoires, notamment l’hématocrite et les protéines peuvent être utilisées par exemple pour estimer la viscosité.Laboratory measurements, including hematocrit and protein, can be used, for example, to estimate viscosity.
De manière alternative, le procédé d’entrainement de l’invention ne comprend pas l’étape de mesure, mais uniquement une étape de lecture de données déjà acquises et enregistrées au sein d’une mémoire.Alternatively, the training method of the invention does not include the measurement step, but only a step of reading data already acquired and recorded in a memory.
L’ensemble des données recueilli peut alors être utilisé pour apprendre un modèle d’apprentissage machine MLA1. Dans ce cas de figure, la géométrie du vaisseau est acquise par un système d’imagerie. Le vaisseau d’intérêt est segmenté et les portions sans sténose et avec sténoses sont identifiées comme cela est décrit précédemment dans le procédé d’estimation de la FFR.The collected dataset can then be used to learn an MLA 1 machine learning model. In this scenario, the geometry of the vessel is acquired by an imaging system. The vessel of interest is segmented and the portions without stenosis and with stenoses are identified as described previously in the FFR estimation process.
Les données d’entrainement, pour le cas in vivo, comprennent dans ce cas les données de test E2représentées à la
Les données d’entrainement peuvent être scindées en différents groupes de sorte à tester pour définir un entrainement supervisé et à valider le modèle pour obtenir un score de confiance suffisant.The training data can be split into different groups for testing to define supervised training and to validate the model to obtain a sufficient confidence score.
Liste des équations[Math n] List of equations [Math n]
[1] : modèle de fonction d’un modèle d’apprentissage machine de type DeepONet ou « Physic informed DeepONet » ;[1]: function model of a DeepONet or “Physic informed DeepONet” type machine learning model;
[2] : équation d’une fonction de perte propre à la modélisation de la réduction de perte liée à l’opérateur mathématique ;[2]: equation of a loss function specific to the modeling of the loss reduction linked to the mathematical operator;
[3] : équation d’une fonction de perte propre à la modélisation de la réduction de perte liée à l’opérateur mathématique ;[3]: equation of a loss function specific to the modeling of the loss reduction linked to the mathematical operator;
[4] ; équations de Navier Stokes définissant le modèle MOD1pour contraindre la fonction de de perte du modèle d’apprentissage MLA1;[4]; Navier Stokes equations defining the MOD 1 model to constrain the loss function of the MLA 1 learning model;
[5] ; expressions normalisées des différentes variables/ paramètres des équations [4] ;[5]; standardized expressions of the different variables/parameters of the equations [4];
[6] : équation de conservation de la masse Navier Stokes définissant le second modèle MOD2également appelée modèle CFD ou solveur CFD ;[6]: Navier Stokes mass conservation equation defining the second MOD 2 model also called CFD model or CFD solver;
[7] : équation de la conservation du mouvement de Navier Stokes définissant le second modèle MOD2également appelée modèle CFD ou solveur CFD ;[7]: Navier Stokes motion conservation equation defining the second MOD 2 model also called CFD model or CFD solver;
[8] : équation permettant de normaliser les valeurs estimées notamment de la section, de la position et de l’épaisseur de la paroi ;[8]: equation allowing the estimated values to be normalized, in particular the section, position and thickness of the wall;
[9] : équation permettant de normaliser les valeurs estimées notamment du temps et de la pression et notamment dans les équations [61] et [72] ;[9]: equation allowing the estimated values to be normalized, in particular for time and pressure, and in particular in equations [61] and [72];
[10] : expression du nombre de Reynods ;[10]: expression of the Reynods number;
[11] : équation décrivant le profil de vitesse ;[11]: equation describing the velocity profile;
[12] : équation d’état de la pression ;[12]: pressure equation of state;
[13] : expression normalisée du rayon du vaisseau à l’équilibre ;[13]: normalized expression of the radius of the vessel at equilibrium;
[14] expression normalisée du module de Young notamment utilisé dans l’équation [7][14] normalized expression of Young’s modulus notably used in equation [7]
[15] : Equation de la section du vaisseau à l’équilibre ;[15]: Equation of the section of the vessel at equilibrium;
[16] : Equation empirique du calcul du module de Young ;[16]: Empirical equation for calculating Young's modulus;
[17] : équation de Windkessel ;[17]: Windkessel equation;
[18] : expression normalisée des coefficients de résistance et d’impédance de l’équation [17] ;[18]: normalized expression of the resistance and impedance coefficients of equation [17];
[19] : expression de l’impédance à partir d’une mesure vitesse de propagation d’une onde de pression ;[19]: expression of impedance from a measurement of the propagation speed of a pressure wave;
[20] : expression de la compliance à partir d’une mesure vitesse de propagation d’une onde de pression ;[20]: expression of compliance from a measurement of the propagation speed of a pressure wave;
[21] : équation semi-empirique modélisant le flux au sein d’une portion sténosée.[21]: semi-empirical equation modeling the flow within a stenosed portion.
Claims (26)
- Acquisition (ACQ1) d’au moins une première image (IM1) d’un système d’imagerie ;
- Extraction (EXT1) d’un premier ensemble de données (ENS1) définissant des descripteurs anatomiques d’un premier vaisseau (10) de ladite première image (IM1) ;
- Acquisition (ACQ2) d’un second ensemble de données (ENS2), dites données patient, comportant au moins la fréquence cardiaque (fc) et la masse myocardique (Mc) ;
- Génération d’une entrée (E1) comportant le premier ensemble (ENS1) de données, le second ensemble de données (ENS2) ;
- Génération (GEN1) d’une sortie (S1) définissant une prédiction d’une quantité de fraction de flux de réserve coronarienne (FFR) au moyen de l’exécution d’un premier modèle d’apprentissage machine (MLA1) pour produire une sortie (S1), ledit premier modèle d’apprentissage machine (MLA1) mettant en œuvre une fonction de perte paramétrable (Lf) incluant au moins un premier facteur (Lphy) modélisant au moins une contrainte physique paramétrée optimisée lors de l’entrainement dudit modèle (MLA1), ladite contrainte physique paramétrée résultant notamment d’un premier modèle numérique d’équations hémodynamiques (MOD1).
- Acquisition (ACQ 1 ) of at least one first image (IM 1 ) from an imaging system;
- Extraction (EXT 1 ) of a first data set (ENS 1 ) defining anatomical descriptors of a first vessel (10) of said first image (IM 1 );
- Acquisition (ACQ 2 ) of a second set of data (ENS 2 ), called patient data, comprising at least the heart rate (f c ) and the myocardial mass (Mc);
- Generation of an input (E 1 ) comprising the first set (ENS 1 ) of data, the second set of data (ENS 2 );
- Generation (GEN 1 ) of an output (S 1 ) defining a prediction of a quantity of coronary flow reserve fraction (FFR) by means of the execution of a first machine learning model (MLA 1 ) to produce an output (S 1 ), said first machine learning model (MLA 1 ) implementing a parameterizable loss function (L f ) including at least a first factor (L phy ) modeling at least one parameterized physical constraint optimized during the training of said model (MLA 1 ), said parameterized physical constraint resulting in particular from a first numerical model of hemodynamic equations (MOD 1 ).
- Un troisième descripteur correspondant à la courbure locale du vaisseau et/ou ;
- Un quatrième descripteur correspondant à la longueur d’une sténose (ST, ST1, ST2) et/ou ;
- Un cinquième descripteur correspondant à une dilatation locale du vaisseau (anévrisme).
- A third descriptor corresponding to the local curvature of the vessel and/or;
- A fourth descriptor corresponding to the length of a stenosis (ST, ST 1 , ST 2 ) and/or;
- A fifth descriptor corresponding to a local dilation of the vessel (aneurysm).
- Un Age de l’individu ;
- Un genre de l’individu ;
- Un indicateur de diabète de l’individu ;
- Un indicateur d’hypertension de l’individu.
- An Age of the Individual;
- A kind of individual;
- An indicator of the individual's diabetes;
- An indicator of individual hypertension.
- Un modèle de conservation de la masse ;
- Un modèle de conservation de la quantité de mouvement ;
- Une équation d’état de la pression.
- A model of conservation of mass;
- A model of conservation of momentum;
- An equation of state for pressure.
- d’au moins une résistance (R, R2) de sortie modélisation la force qui s’oppose à l’écoulement du sang dans la portion du premier vaisseau (10) ;
- d’au moins une impédance (Zc, R1);
- d’au moins une valeur de viscosité du fluide ;
- d’au moins une valeur de la pression (P0) à l’équilibre.
- of at least one output resistance (R, R 2 ) modeling the force which opposes the flow of blood in the portion of the first vessel (10);
- of at least one impedance (Zc, R 1 );
- of at least one fluid viscosity value;
- of at least one value of the pressure (P 0 ) at equilibrium.
- un premier type de segment (6) définissant des portions sensiblement régulières correspondant à des portions de vaisseaux présentant une section diminuant progressivement d’une extrémité proximale vers une extrémité distale ;
- un second type de segment (ST, ST1, ST2, sg5, sg7, sg12, sg20) définissant au moins une portion irrégulière, ladite au moins une portion irrégulière correspondant à une portion comportant au moins un rétrécissement du diamètre supérieur à un seuil prédéfini,
- a first type of segment (6) defining substantially regular portions corresponding to portions of vessels having a section gradually decreasing from a proximal end towards a distal end;
- a second type of segment (ST, ST 1 , ST 2 , sg 5 , sg 7 , sg 12 , sg 20 ) defining at least one irregular portion, said at least one irregular portion corresponding to a portion comprising at least one narrowing of the diameter greater than a predefined threshold,
- un troisième type segment (sg18) caractérisé par la présence d’une courbure locale du vaisseau supérieure à un seuil prédéfini et/ou ;
- Un quatrième type segment (sg15) caractérisé par une dilatation locale du vaisseau (anévrisme).
- a third segment type (sg18) characterized by the presence of a local curvature of the vessel greater than a predefined threshold and/or;
- A fourth segment type (sg15) characterized by local dilation of the vessel (aneurysm).
- Un modèle de conservation de la masse et/ou ;
- Un modèle de conservation de la quantité de mouvement et/ou ;
- Une équation d’état de la pression et/ou ;
- Un premier modèle d’un delta de pression et/ou ;
- Un second modèle d’un delta de pression établi à partir des mesures in-vitro.
- A model of conservation of mass and/or;
- A model of conservation of momentum and/or;
- An equation of state for pressure and/or;
- A first model of a pressure delta and/or;
- A second model of a pressure delta established from in vitro measurements.
- Acquisition d’un premier ensemble de données d’entrainement (ENS1’, E2) à partir de :
- Acquisition (ACQ1) d’une première image (IM1) d’un système d’imagerie ;
- Extraction (EXT1) d’un premier ensemble de données (ENS1’) définissant des descripteurs anatomiques d’un premier vaisseau (10) de ladite première image (IM1) ;
- Acquisition d’un troisième ensemble de données (ENS2’), dites données patient, comportant au moins la fréquence cardiaque (fc) et la masse myocardique (Mc) ;
- Lecture de données (E2) caractérisant des points de mesures de pression d’un premier vaisseau (10) définissant des données de test et de validation d’un modèle d’apprentissage machine (MLA1) ;
- Exécution du modèle d’apprentissage machine (MLA1) et apprentissage par la mise en œuvre d’une fonction de coût minimisant l’erreur entre une donnée produite (S2) par le modèle (MLA1) et les données de tests et de validation (E2) ;
- Acquisition d’un second ensemble de données d’entrainement (ENS1’’, E3) à partir de :
- Acquisition (ACQ1) d’une première image (IM1) d’un système d’imagerie ;
- Extraction (EXT1) d’un premier ensemble de données (ENS1’’) définissant des descripteurs anatomiques d’un premier vaisseau (10) de ladite première image (IM1) ;
- Résolution d’un solveur (CFD1) modélisant un modèle (MOD2) d’équations hémodynamiques à partir des équations incompressibles de Navier Stokes en une dimension, les données estimées (E3) par le solveur (CFD1) définissant des données de test et de validation d’un modèle d’apprentissage machine (MLA1) ;
- Exécution du modèle d’apprentissage machine (MLA1) et apprentissage par la mise en œuvre d’une fonction de coût minimisant l’erreur entre une donnée produite (S3) par le modèle (MLA1) et les données de tests et de validation (E3) ;
- Acquisition d’un troisième ensemble de données d’entrainement (ENS1’’’, E4) à partir de :
- Modélisation d’un ensemble de géométries définissant des canalisations adaptées à acheminer un fluide dont la viscosité est sensiblement celle du sang et adaptées à être agencées au sein d’un banc de test (20) ;
- Exécution d’un ensemble de tests d’écoulement d’un fluide avec une variété de géométries différentes au sein du banc de test (20) ;
- Mesure de données (E4) caractérisant des points de mesures de pression d’une première portion de canal définissant des données de test et de validation d’un modèle d’apprentissage machine (MLA1) ;
- Exécution du modèle d’apprentissage machine (MLA1) et apprentissage par la mise en œuvre d’une fonction de coût minimisant l’erreur entre une donnée produite (S4) par le modèle (MLA1) et les données de tests et de validation (E4).
- Acquisition of a first set of training data (ENS 1 ', E 2 ) from:
- Acquisition (ACQ 1 ) of a first image (IM 1 ) from an imaging system;
- Extraction (EXT 1 ) of a first data set (ENS 1 ') defining anatomical descriptors of a first vessel (10) of said first image (IM 1 );
- Acquisition of a third set of data (ENS 2 '), called patient data, comprising at least the heart rate (f c ) and the myocardial mass (Mc);
- Reading data (E 2 ) characterizing pressure measurement points of a first vessel (10) defining test and validation data for a machine learning model (MLA 1 );
- Execution of the machine learning model (MLA 1 ) and learning by implementing a cost function minimizing the error between data produced (S 2 ) by the model (MLA 1 ) and the test and validation data (E 2 );
- Acquisition of a second set of training data (ENS 1 '', E 3 ) from:
- Acquisition (ACQ 1 ) of a first image (IM 1 ) from an imaging system;
- Extraction (EXT 1 ) of a first data set (ENS 1 '') defining anatomical descriptors of a first vessel (10) of said first image (IM 1 );
- Resolution of a solver (CFD 1 ) modeling a model (MOD 2 ) of hemodynamic equations from the incompressible Navier Stokes equations in one dimension, the data estimated (E 3 ) by the solver (CFD 1 ) defining test and validation data for a machine learning model (MLA 1 );
- Execution of the machine learning model (MLA 1 ) and learning by implementing a cost function minimizing the error between data produced (S 3 ) by the model (MLA 1 ) and the test and validation data (E 3 );
- Acquisition of a third set of training data (ENS 1 ''', E 4 ) from:
- Modeling of a set of geometries defining pipes suitable for conveying a fluid whose viscosity is substantially that of blood and suitable for being arranged within a test bench (20);
- Performing a set of fluid flow tests with a variety of different geometries within the test bench (20);
- Data measurement (E 4 ) characterizing pressure measurement points of a first portion of channel defining test and validation data for a machine learning model (MLA 1 );
- Execution of the machine learning model (MLA 1 ) and learning by implementing a cost function minimizing the error between data produced (S 4 ) by the model (MLA 1 ) and the test and validation data (E 4 ).
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| FR2315473A FR3157793A1 (en) | 2023-12-29 | 2023-12-29 | COMPUTER-IMPLEMENTED METHOD FOR ESTIMATING THE FRACTION OF CORONARY RESERVE FLOW, SYSTEM |
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| FR2315473 | 2023-12-29 | ||
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| US20120041318A1 (en) | 2010-08-12 | 2012-02-16 | Heartflow, Inc. | Method and system for patient-specific modeling of blood flow |
| WO2015058044A1 (en) * | 2013-10-17 | 2015-04-23 | Siemens Aktiengesellschaft | Method and system for machine learning based assessment of fractional flow reserve |
| WO2016075331A2 (en) * | 2014-11-14 | 2016-05-19 | Siemens Healthcare Gmbh | Method and system for purely geometric machine learning based fractional flow reserve |
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