一種無創(chuàng)性門靜脈血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)定方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種門靜脈血流動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)方法和壓力參數(shù)檢測(cè)技術(shù)，包括以下步驟：1.利用薄層CT圖像，構(gòu)建肝門靜脈的三維幾何模型；2.用流體力學(xué)計(jì)算軟件ANSYS的有限元分析方法，將上述幾何模型網(wǎng)格劃分后建立出三維數(shù)學(xué)模型；3.模擬計(jì)算門靜脈的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)，獲得速度和壓力分布效果圖。本發(fā)明的方法安全無創(chuàng)、操作簡(jiǎn)便、直觀量化且準(zhǔn)確度高，建立了為科研和臨床服務(wù)的有效模型。
【專利說明】一種無創(chuàng)性門靜脈血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于生理學(xué)、病理生理學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種生理參數(shù)的測(cè)定 方法，更具體涉及門靜脈血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)定方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在目前的生理學(xué)、病理生理學(xué)研究和臨床醫(yī)學(xué)實(shí)踐中尚缺乏一種安全無創(chuàng)、操作 簡(jiǎn)便、直觀量化且準(zhǔn)確度高的門靜脈血流動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)方法和壓力參數(shù)檢測(cè)技術(shù)。常用的檢 測(cè)手段包括有創(chuàng)性(如：門靜脈導(dǎo)管術(shù)、B超引導(dǎo)下經(jīng)皮經(jīng)肝門靜脈穿刺、術(shù)中門靜脈穿刺） 和無創(chuàng)性(如：彩色多普勒超聲、CT血管造影、磁共振血管造影）兩大類。
[0003] 有創(chuàng)件檢測(cè)摶術(shù)
[0004] 1.門靜脈導(dǎo)管術(shù)：此方法是臨床工作中評(píng)估門靜脈壓力的經(jīng)典方法，被認(rèn)為是"金 標(biāo)準(zhǔn)"。操作時(shí)，通過Seldinger法測(cè)出肝靜脈壓力梯度，以此來評(píng)估門靜脈壓力，但實(shí)際上 肝靜脈壓力梯度反應(yīng)的是肝竇壓，并不是真正的門靜脈壓力。此外，該方法須在X線透視引 導(dǎo)下完成，受檢者須接受大量射線；該技術(shù)操作難度較大，存在有血栓形成、誤穿頸總靜脈 等并發(fā)癥可能。
[0005] 2. B超引導(dǎo)下經(jīng)皮經(jīng)肝門靜脈穿刺：研究表明，此方法與其他有創(chuàng)性測(cè)量相比較 為安全，并發(fā)癥的發(fā)生率較低。然而，該方法需要在局部麻醉下進(jìn)行，不可避免地會(huì)受到麻 醉藥物干擾和肌肉松弛后腹腔壓力變化的影響；此外，受檢者的門靜脈壓力普遍升高會(huì)導(dǎo) 致穿刺風(fēng)險(xiǎn)加大。
[0006] 3.術(shù)中門靜脈穿刺：術(shù)中直接門靜脈穿刺測(cè)壓是反映門靜脈壓力較為可靠的方 法，所得結(jié)果直接、量化、準(zhǔn)確性高。此方法的局限在于：手術(shù)須在全身麻醉下開腹進(jìn)行，易 受到麻醉藥物和受檢者應(yīng)激狀態(tài)的影響，故與實(shí)際的門靜脈壓力可能存在一定偏差。
[0007] 無創(chuàng)件檢測(cè)摶術(shù)
[0008] 1.彩色多普勒超聲：該方法在臨床和科研中較為常用，其測(cè)量指標(biāo)包括門脾靜脈 的內(nèi)徑、血流速度和血流量，肝動(dòng)脈和脾動(dòng)脈搏動(dòng)指數(shù)、阻力指數(shù)，肝臟血管指數(shù)和肝動(dòng)脈 緩沖指數(shù)等。然而，該方法所得數(shù)據(jù)的主觀性強(qiáng)，與檢查者技術(shù)水平關(guān)系密切，還受到患者 呼吸、體位和體型等因素影響。研究表明，該檢測(cè)方法目前仍無評(píng)價(jià)門靜脈壓力的特異性參 數(shù)，現(xiàn)有的間接指標(biāo)并不能真實(shí)反映患者的門靜脈壓力。
[0009] 2. CT血管造影：作為一種無創(chuàng)性檢查技術(shù)，CT血管造影三維重建圖像可以彌補(bǔ)橫 段位掃描的局限性、多軸向多角度觀察病變；此外，低廉的費(fèi)用和簡(jiǎn)便的操作使其易被患者 接受。但是，其局限性在于：CT血管造影僅能提供解剖學(xué)信息，判斷肝門靜脈的形態(tài)、通暢 程度以及側(cè)支循環(huán)等情況，并不能直接量化評(píng)價(jià)血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)。
[0010] 3.磁共振血管造影：該方法在檢測(cè)門靜脈系統(tǒng)血流動(dòng)力學(xué)信息的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)。 磁共振血管造影不僅可以顯示門靜脈系統(tǒng)的側(cè)支循環(huán)及空間關(guān)系，還可對(duì)流速、流量進(jìn)行 量化分析。然而，目前應(yīng)用的各項(xiàng)分析技術(shù)仍無法量化得出門靜脈的壓力指標(biāo)，其昂貴的診 斷費(fèi)用也在一定程度上限制了其臨床應(yīng)用。 toon] 綜上所述，目前常用的門靜脈系統(tǒng)血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)技術(shù)受到各種干擾因素的 影響，如：具有創(chuàng)傷性、數(shù)據(jù)未量化且變異大等。此外，國(guó)內(nèi)外有關(guān)門靜脈壓力檢測(cè)的研究不 足還在于：研究范圍局限于門靜脈主干，很少涉及門脈系統(tǒng)的主要屬支；局限于某一部位 的壓力測(cè)定，未建立門靜脈系統(tǒng)的整體壓力分布；血液流變學(xué)研究尚處于起步階段，血液黏 度的變化和紅細(xì)胞變形能力的降低都會(huì)改變門靜脈血管的阻力。因此，迫切需要發(fā)明一種 安全無創(chuàng)、操作簡(jiǎn)便、直觀量化且準(zhǔn)確度高的門靜脈血流動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)方法和壓力參數(shù)檢測(cè) 技術(shù)。
[0012] 本
【發(fā)明者】通過肝門靜脈數(shù)值模型的重建、有限元分析和血液動(dòng)力學(xué)計(jì)算的方法， 建立一種符合科研和臨床需求的門靜脈血流動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)方法和壓力參數(shù)檢測(cè)技術(shù)，從而完 成了本發(fā)明。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明的目的是提供一種門靜脈血流動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)方法和壓力參數(shù)檢測(cè)技術(shù)，為生 理學(xué)、病理生理學(xué)研究提供依據(jù)，并進(jìn)一步為臨床治療學(xué)提供線索。
[0014] 本發(fā)明的門靜脈血流動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)方法包括以下步驟：
[0015] 1.利用薄層CT圖像，構(gòu)建肝門靜脈的三維幾何模型；
[0016] 2.用流體力學(xué)計(jì)算軟件ANSYS的有限元分析方法，將上述幾何模型網(wǎng)格劃分后建 立出三維數(shù)學(xué)模型；
[0017] 3.模擬計(jì)算門靜脈的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)，獲得速度和壓力分布效果圖。
[0018] 本發(fā)明采用醫(yī)學(xué)影像控制軟件MMICS建立幾何模型，運(yùn)用流體力學(xué)計(jì)算軟件 ANSYS建立三維數(shù)學(xué)模型。其可行性分析如下：
[0019] 非牛頓液體(如血液）流動(dòng)過程中受質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒等基本物理定 律支配。計(jì)算流體力學(xué)是通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等 相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。
[0020] 門靜脈及其主要分支是一段彎曲的具有幾何形狀的血管，其管壁沒有很大的實(shí)際 變形量，因此本發(fā)明將血管假定為剛性管，其中血液的黏度較低且可視為恒定的黏度，即流 體的內(nèi)摩擦剪切力τ與單位距離上得兩層流體間的相對(duì)速度近似成線性關(guān)系，且密度近 似為常量，故門靜脈中的血液近似假設(shè)為不可壓的牛頓流體。
[0021] 判斷流體流動(dòng)是層流還是湍流的無量綱參量是雷諾數(shù)（Re)，定義為Re=PVD/μ， 其中，Ρ為流體密度，V為流體流動(dòng)的速度，D為圓管的內(nèi)直徑，μ為流體粘度。一般情況 下，R/2000時(shí)，流體處于層流狀態(tài)；&>3000時(shí)，流動(dòng)為湍流。在預(yù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，門靜脈直徑 7mm，速度21cm/s，流體密度1. 05Χ 103kg/m3,流體粘度為0. 0035。經(jīng)計(jì)算，門靜脈的雷諾數(shù) Re=819〈2000,故血液在門靜脈中作層流運(yùn)動(dòng)。
[0022] 流體力學(xué)軟件ANSYS依據(jù)有限元分析法進(jìn)行模擬計(jì)算，將一個(gè)連續(xù)的求解域任意 分成適當(dāng)形狀的許多微小單元，并于各小單元分片構(gòu)造插值函數(shù)，然后根據(jù)極值原理(變分 或加權(quán)余量法)，將問題的控制方程轉(zhuǎn)化為所有單元上的有限元方程，把總體的極值作為各 單元極值之和，即將局部單元總體合成，形成嵌入了指定邊界條件的代數(shù)方程組，求解該方 程組得到各節(jié)點(diǎn)待求的函數(shù)值。
[0023] 忽略重力的影響，我們可米用三維瞬態(tài)Navier-Stokes方程
[0024]

【權(quán)利要求】
1. 一種門靜脈血流動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)方法，包括以下步驟： (1) 利用薄層CT圖像，構(gòu)建肝門靜脈的三維幾何模型； (2) 用流體力學(xué)計(jì)算軟件ANSYS的有限元分析方法，將步驟（1)所得幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格 劃分后建立出三維數(shù)學(xué)模型； (3) 模擬計(jì)算門靜脈的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)，獲得速度和壓力分布效果圖。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟（1)包括：獲得CT數(shù)據(jù)后導(dǎo)入MMICS軟件，自 動(dòng)計(jì)算生成冠狀面和矢狀面二維合成圖；根據(jù)組織灰度值差異，通過閾值設(shè)定提取出脂肪 和肌肉組織，再進(jìn)行范圍框定；利用MMICS軟件多層編輯功能編輯圖層，刪除門靜脈及其 屬支外的其他組織，進(jìn)行三維重建；對(duì)每一斷層圖片進(jìn)行手動(dòng)填補(bǔ)像素、光滑、裁剪，以修補(bǔ) 因 CT值差異產(chǎn)生的血管壁表面空洞；將處理后模型導(dǎo)出為ANSYS文件。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟（2)包括：以三維幾何模型面導(dǎo)入ANSYS，在 ANSYS軟件中生成實(shí)心體；將模型出入口截為與血管走向垂直的平面；將三維模型劃分成 有限個(gè)四面體，以此為網(wǎng)格單元生成計(jì)算節(jié)點(diǎn)；建立離散的初始和邊界條件；給定控制方 程的求解控制參數(shù)，給定迭代計(jì)算的次數(shù)和控制精度。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述方程的求解控制參數(shù)為密度和粘度。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟（3)包括：獲得門靜脈及其分支的三維或任意平 面的速度及壓力分布圖。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述任意平面包括矢狀面和橫斷面。
【文檔編號(hào)】A61B5/026GK104107039SQ201310134486
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2013年4月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月17日
【發(fā)明者】楊長(zhǎng)青, 祁小龍, 周方宇, 李功文 申請(qǐng)人:上海市同濟(jì)醫(yī)院