CN103976720B

CN103976720B - 利用仿真技术建立血管模型的方法

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Publication number: CN103976720B
Application number: CN201310693778.0A
Authority: CN
Inventors: 罗蒙; 徐庆; 孙隆慈; 杨小玉; 尹应青; 陈晓霞; 李学武
Original assignee: Shanghai Karmon Technology Co ltd; Renji Hospital Shanghai Jiaotong University School of Medicine
Current assignee: Shanghai Karmon Technology Co ltd; Renji Hospital Shanghai Jiaotong University School of Medicine
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2018-09-07
Anticipated expiration: 2033-12-17
Also published as: CN103976720A

Abstract

本发明属涉及一种利用流体力学仿真技术，对生物医学中术前及术后的病体血管内部压力，进行无创测量的方法。本发明的目的在于：利用生物血管流体力学技术，通过对血管内部流动的仿真，在无创条件下，获得血管内部的压力，达到术前评估静脉和\或动脉内压力的目的。根据本发明的仿真方法测得的血管内部的压力，相较于以前的测压方法具有下列优点：本发明可以在无创的情况下，获得血管内的压力，如门静脉等，开创了一种全新的无创测量方法和思路。由于本发明为无创测压方法，因此它可以避免术前穿刺测压的出血风险。本发明用计算机成像技术，将单纯数据模型转化为三维成像的数据模型，便于患者的随访以及数据的输入，具有简单，便捷，快速的特点。

Description

利用仿真技术建立血管模型的方法

技术领域

本发明属涉及一种利用流体力学仿真技术，对生物医学中术前及术后的病体血管内部压力，进行无创测量的方法。尤其是涉及一种通过计算机仿真软件的方法，对血管的内压力进行无创测量。

背景技术

现以肝硬化门静脉高压症为例，用以说明本发明的重要性和其应用价值。肝硬化门静脉高压症在我国乙肝发病率较高，严重威胁人类的健康。其中，有很大一部分患者将发展成为肝硬化门静脉高压症，导致肝硬化门静脉高压症患者死亡最大原因，是门静脉压力增高，最后引起胃底食管曲张静脉破裂出血。目前治疗门静脉高压症的手术方式主要是采用各种断流术、分流术及肝移植术。但无论何种手术方式，手术风险较大，手术死亡率也较高，故术前准确且无创评估门静脉压力，预测何时需进行手术干预，有着十分重要的意义。

有关检测门静脉内压力的检测，最准确的方法是经皮经肝门静脉穿刺测压，或术中漂浮导管测压。正常人的门静脉压力为12～24cm水柱,平均为18cm水柱。但是，因门静脉高压症患者的凝血功能障碍，经皮经肝门静脉穿刺测压，存在出血风险，甚至导致门静脉大出血，引起患者死亡，故临床上极少运用。而术中漂浮导管测压需要手术中进行，所以也就失去了术前评估门静脉压力的意义。

现有技术中的术前有创测压，根据国内外报道文献记载，主要有下列几种方法：1)经皮经肝门静脉穿刺。2)经颈静脉插管测定肝静脉楔入压(WHVP)。3)下腔静脉压(IVP)。4)门静脉压力梯度(HPVG)，但上述方法均需术前进行穿刺测压，有出血风险。

现有技术中的无创测压方法主要有：1、利用核素心肝血流比(H/L)，间接推测门静脉压力。即：用放射性核素^99mTc‐MIBI直肠给药，计算心前区放射性与肝区放射性比值(H/L)，来定性预测门静脉高压症。该方法的确定是：精确度较差，仅能作为门静脉高压症定性诊断，未成为国际上通用的测压方法。2、用胃镜下压力传感器测胃底食管曲张静脉贴壁压，此方法的缺点是：无法消除血管壁张力对贴壁测压的影响，且传感器稳定性较差，检查时易受操作者技术水平、患者心跳、呼吸、吞咽及外加压力的影响。3、利用B超测门静脉流速、流量及脾静脉搏动指数PI与门静脉压力有相关性，但因数据的离散性较大，并不能用于预测个体门静脉压力的数值。故目前无创性门静脉测压仍处于实验室阶段，尚未有公认的准确预测方法。

因此，如何设计一种术前无创性测得门静脉压力的方法，有着极大意义，其能够预测患者静脉破裂出血的风险，及时提示手术干预时机，指导手术方式的选择，甚至能够作为肝移植手术候选顺序的理论参考指标之一。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种采用仿真软件，对术前、术后的病体血管内部压力进行无创测量的方法及其装置。更确切地说，利用生物血管流体力学技术，通过对血管内部流动的仿真，在无创条件下，获得血管内部的压力，达到术前评估静脉和\或动脉内压力的目的，已经采用所述方法的装置。本发明是以仿真方法获取的结果，不直接提供诊断依据，而是通过为医生提供辅助参数，可以避免术前进行穿刺测压的出血风险。

本发明目的之一是这样实现的，血管内压力的无创测量方法，其特征在于采用如下步骤：

(1)建立血管模型：利用高分辨率螺旋CT检测技术，获取门静脉系统和\或动脉系统血管分布的三维图像。并通过流体分析建模工具,对CT机获得的三维图像进行局部建模再结合，以此实现三维模型建立；

(2)确定血管的进出口边界：在对血管模型仿真模拟过程中，需要对每根血管的进出口输入一定的边界条件；

(3)获取血液物性参数：根据血液本身特性，需要先确定血液的剪切应力特征，需要对血液的密度、动力粘度，及包含血浆、红细胞、白细胞、血小板在内的血液成分含量进行测量；

(4)描述血液属性：血液属于连续流体，因此其符合N‐S方程描述的特征，应用以下公式，作为基本物理方程，进行迭代求解出压力，

式中ρ代表密度，v代表速度，h表示焓值，P表示压力，S_m表示质量源项，S_h表示能量源项；

(5)仿真分析：由于血液本身体积膨胀性较弱，因此可将其视为不可压缩流体，求解N‐S方程①、②、③，进行仿真分析；

(6)实验结果与仿真结果的多点对比

a.修正参考压力；

b.修正N‐S方程；

c.修正血液物性参数；

(7)将修正的结果，重复第(5)步，得出准确的血液物性参数值；

(8)建立流体介质模型:通过测量获得的血液物性参数，建立流体介质模型，利用仿真软件，对血管内部流动进行迭代，求解获得血管总压力；

(9)通过编制C语言程序，将所述程序嵌入核心专用流体分析软件中，使所述流体分析软件能够通过迭代求解,获取门静脉系统中血管内血液的压力数据；

(10)为获得更为准确的仿真结果，需要通过计算结果与实验结果的对比，不断修正参考压力，最终达到实验结果与计算结果的高度吻合。

所述局部建模再结合，即通过CT扫描结果，获取不同位置血管的横截面形状及相应长度，构建三维血管的数据模型。

所述三维血管的数据模型，其图像形格式为：沿X或者Y或者Z轴的间隔1‐2mm的一系列截面图形。

所述三维血管的数据模型，当以X轴为截面的图像格式时：给出x＝0mm，x＝1mm，x＝2mm……，位置上的血管内壁截面图像，通过截面图形的连接成三维血管图像的数据模型。

所述边界条件的获得需要利用彩色多普勒超声、磁共振等无创检查方式，对血管内部不同位置的流体流速进行测量。

所述流体流速测量时，其时间选取需要在同一时刻；或者选取多个时刻，获取多组数据，再做平均处理。

所述参考压力修正的方法为：首先，对动物进行离体血管实验，获得血液流动特性及规律；然后，建立静脉系统和\或动脉系统的血流动力学模型；在求解获得血管内部压力后，与动物实验和术中临床测压获得的实验结果进行比对，矫正血流动力学模型的参数；再通过与临床数据样本的校验对比，获得准确的血流动力学模型；最后，制作成三维血管模拟软件以供临床无创血管测压使用。

所述N‐S方程的修正方法为：根据所述血液的基本特性，对N‐S方程进行修正，获得修正后的动量方程，

式中:为重力矢量,为外部体积力矢量,为应力张量,其计算公式如下,

式中μ为动力粘度，I为单位张量。

所述血液物性参数的修正方法是指通过测量获取的单体样本数据进行加权系数统计；在进行修正时，需要对密度ρ进行修正，修正系数密度ρ^·＝A×ρ，其中A为修正系数，用来修正人体血液的密度大小，A的取值范围是：A＝0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0；在进行修正时，需要对动力粘度μ进行修正，修正系数密度μ^·＝B×μ，其中B为修正系数，用来修正人体血液动力粘度的大小，B的取值范围是：B＝0.01、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0、4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9、5.0；在进行修正时，还需要对组份混合比ψ进行修正，修正系数密度ψ^·＝C×ψ，其中C为修正系数，用来修正人体血液的组份组成比例,C的取值范围是：C＝0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0。

所述动力粘度测量是指同时测量血液的血浆、红细胞、白细胞、血小板和血蛋白的含量，通过对多种血液样本进行测量分析，整理出血液动力粘度与血液组成之间的关联式，即：动力粘度其中为系数通过试验测量获得，C_n为组份。

本发明另一目的是将上述方法转化为商用软件，集成在专用的检测仪器上，制作成的装置。

本发明可以无创获取人体静脉和\或动脉血管内血液的压力，可以获取人体静脉和\或动脉血管内部血液压力的绝对数值，供相关人员参考。根据本发明的仿真方法测得的血管内部的压力，相较于以前的测压方法具有下列优点：本发明可以在无创的情况下，获得血管内的压力，如门静脉等，开创了一种全新的无创测量方法和思路。由于本发明为无创测压方法，因此它可以避免术前穿刺测压的出血风险。本发明用计算机成像技术，将单纯数据模型转化为三维成像的数据模型，便于患者的随访以及数据的输入，具有简单，便捷，快速的特点。同时，本发明的方法可以转化为商用软件，集成在专用的检测仪器上，为病人提供整体数据检测，具有较强的临床实用性。

附图说明

图1为本发明所述方法的具体步骤流程图；

图2为本发明的具体实施流程图；

图3为病例1的门静脉血管3D扫描图；

图4为病例1的门静脉血管切面扫描图；

图5为病例1的门静脉血管切面扫描图；

图6为病例1的血管三维造型模型示意图；

图7为病例1的血液属性描述示意图；

图8为病例1的N‐S方程求解过程示意图；

图9为病例1的修正血液属性示意图；

图10为病例1的参考压力修正示意图；

图11修正的N‐S方程求解过程示意图。

具体实施方法

为本发明以肝硬化门静脉高压症为例，对本发明血管内压力的无创测量方法的具体实施例说明如下，步骤参见图1所示的流程图。

首先通过现有医学手段，采用高分辨率螺旋CT技术，获取门静脉系统血管分布的三维图像。并通过流体分析建模工具，对CT机获得的三维图像进行局部建模再结合，建立血管分布三维模型。

所述局部建模再结合，即通过CT扫描结果，获取不同位置血管的横截面形状及相应长度的图像，所述图像的格式按照沿X轴、Y轴和Z轴每1‐2mm的间隔，建立一系列截面图形。如给出x＝0，x＝1mm，x＝2mm……位置上的血管内壁截面图形，通过截面图形的连接，构建三维血管模型。

通过彩色多普勒超声技术、磁共振等无创检查方式，对每段血管内部不同位置的流体流速进行测量，以获取计算需采用的边界输入、输出条件。

在无创情况下，通过常规测量手段，获得本发明中所需的输入、输出参数，如其血液特性，包括血液密度、血液动力粘度和血液内有形成分含量等。在对血管内部不同位置的血液流速进行测量时，时间选取需要在同一时刻，或者获取多个时刻数据，在做平均处理。

在获得输入输出参数并建立模型的基础上，通过采用计算机的内嵌入流体力学求解

软件进行仿真分析，即：对下列N‐S方程进行迭代求解，

式中ρ代表密度，v代表速度，h表示焓值，P表示压力，Sm表示质量源项，Sh表示能量源项；

a.修正血液压力：

为了获取血管内的血液压力数据，同时通过个例测试手段，获取血液压力的真实值，对血液求解方式进行修正，从而反复迭代求解出血管内部压力。

参数符号与意义对照表

参数	意义
		ρ	血液密度
μ	动力粘度
		v	血液流速
P_s	静压
		P_m	动压
P_t	总压

如图2所示为本发明的修正参考压力的具体实施流程图。首先，需要对动物进行离体血管实验，获得血液流动特性及规律。然后，建立门静脉系统的血流动力学模型。其次，在求解获得血管内部压力后，与动物实验和术中临床测压获得的实验结果进行比对，矫正学流动力学模型的参数。再次，是通过与临床数据的校验对比，获得准确的血流动力学模型。最后，制作门静脉系统的三维模拟软件，供患者术前临床无创检查预测门静脉的测压使用，该测量使用的值即为：参考压力或称静压P_s。

b.修正N‐S方程：

根据以上几点血液的基本特性，对N‐S方程进行修正，获得修正后的动量方程：

式中μ为动力粘度，I为单位张量。

c.修正血液物性参数：

血液作为血管内的流动介质，具有其特定的物性。每个单体的血液特性不同，因此需要对每个单体的血液物性参数进行修正。修正的方法，则需要通过测量获取的单体样本数据，进行加权系数统计。

血液修正加权系数有三个标记为A、B、C，用来对血液物性参数进行修正，以使得修正后的血液物性参数能够更准确的计算出血液内部压力。其中，系数A用来修正人体血液的密度大小，系数B用来修正人体血液动力粘度的大小，系数C用来修正人体血液的组份组成比例。

在进行修正时，需要对密度ρ进行修正，修正系数密度ρ^*＝A×ρ，其中A＝0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0。

在进行修正时，还需要对动力粘度μ进行修正，修正系数密度μ^*＝B×μ，其中B＝0.01、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0、4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9、5.0。

在进行修正时，还需要对组份混合比ψ进行修正，修正系数密度ψ^*＝C×ψ，其中C＝0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0。

同时，由于血液的动力粘度不同于平时测得的血粘度。因此，需要对不同血液进行动力粘度测量，并且还需测量血液的血浆，红细胞，白细胞，血小板等血液内有型成分的含量。通过对多种血液样本进行测量分析，整理出血液动力粘度与血液组成之间的关联式。

将修正的结果，重复对所述N‐S方程①、②、③进行迭代求解。

建立流体介质模型:

通过测量获得的血液物性参数，建立流体介质模型，利用仿真软件，对血管内部流动进行迭代，求解获得血管总压力。

通过计算机编制C语言程序，将之嵌入核心专用流体分析关键中，使其能够通过迭代求解,获取门静脉系统中血管内血液的压力数据。

为获得更为准确的仿真结果，需要通过计算结果与实验结果的对比，不断修正参考压力，最终达到实验结果与计算结果的高度吻合。

采用本发明的仿真方法，测得的门静脉血管内部的压力，与人体门静脉的实际数据非常接近。

病例1：

患者，男，59岁，身高171cm，体重70kg，乙肝病史30余年，2年前体检发现肝硬化，1年前无明显诱因下出现呕血症状，急诊胃镜提示食管胃底静脉曲张破裂出血。予抗休克、止血等保守治疗后呕血好转，近3月来自觉乏力，于医院检查后CT血管成像提示肝硬化门静脉高压症；胃底食管静脉曲张明显。

术前血液常规无创检测：WBC(白细胞计数):3.1*10⁹/L,；HB(血红蛋白)87g/L；Plt(血小板计数):32*10⁹/L；血液粘滞度:3.2*10^‐2Pa.s。门静脉主干最大尺寸：主干最大直径：1.5cm；脾静脉最大直径1.1cm；肠系膜上静脉最大直径1.2cm。

门静脉3D造型及截面尺寸：门静脉血管3D扫描图参见图3；门静脉血管切面扫描图参见图4；门静脉血管切面扫描图参见5。

无创测量实施：利用CT技术获得的血管三维图像，以及局部切面尺寸再建模的技术，建立血管的三维模型，所诉血管三维造型模型示意图参见图6。

根据测得的血常规样本数据，拟合出如下输入参数：

血液组成混合物密度：1035kg/m3；血液动力粘度：3.2*10‐2Pa.s；血液组成混合物组分比例：0.985。

根据彩超技术，得到血管中间流速：主干：流速18cm/s；脾静脉：流速16cm/s；肠系膜上静脉：流速17cm/s。

血液描述为如下属性：参见图7血液属性描述示意图。

求解N‐S方程：参见N‐S方程求解过程示意图(图8)，计算得到测点位置血管内，血液压力为33mm水柱；利用术中漂浮导管测量技术，测得测点上压力为30mm水柱；修正血液物性参数，调整密度、动力粘度比例系数、组份系数A、B、C，重新定义血液属性：修正血液属性示意图。

修正计算程序中的N‐S方程以及其中的参考压力，参考压力修正示意图。

再次计算，修正的N‐S方程求解过程示意图。

修正后，获得的血管内压力为31.2mm水柱，完成门静脉血管内血液压力的无创测量修正方法，创建选择其他患者进行修正系数的案例计算，获取修正系数的分布范围，完成门静脉腔内血管内血压的无创准确测量。

病例2：

患者，女，60岁，身高160cm，体重65kg，有高血压史10年，近1年来自觉胸口疼痛，于医院检查后CT血管成像提示腹主动脉瘤。需要术前评估腹主动脉压力来评估动脉瘤破裂风险。

辅助检查：血常规：WBC(白细胞计数):5.6*10^9/L,HB(血红蛋白)126g/L,Plt(血小板计数):287*10^9,血液粘滞度:腹主动脉最大直径：2.5cm，流速130cm/s,左髂总动脉近端直径1.4cm，流速85cm/s,右髂总动脉直径最大1.5cm，流速87cm/s,腹腔干最大直径0.7cm，流速90cm/s，左肾动脉最大直径0.9cm，流速96cm/s，右肾动脉最大直径0.9cm，流速95cm/s，肠系膜上动脉最大直径0.6cm，流速78cm/s，术中测得腹主动脉压力120cmHg。

Claims

1.利用仿真技术建立血管模型的方法，其特征在于采用如下步骤：

(1)建立血管模型：利用高分辨率螺旋CT检测技术，获取门静脉系统和\或动脉系统血管分布的三维图像，并通过流体分析建模工具,对CT机获得的三维图像进行局部建模再结合，以此实现三维模型建立；

(3)获取血液物性参数：根据血液本身特性，需要先确定血液的剪切应力特征，需要对血液的密度、动力粘度，以及包含血浆、红细胞、白细胞、血小板在内的血液成分含量进行测量；

(4)描述血液属性：血液属于连续流体，因此其符合N-S方程描述的特征，应用以下公式，作为基本物理方程，进行迭代求解出压力，

式中ρ代表密度，v代表速度，，h表示焓值，P表示压力，S_m表示质量源项，S_h表示能量源项；

(5)仿真分析：由于血液本身体积膨胀性较弱，因此可将其视为不可压缩流体，求解N-S方程①、②、③，进行仿真分析；

(6)实验结果与仿真结果的多点对比：

a.修正参考压力；

b.修正N-S方程；

c.修正血液物性参数；

2.根据权利要求1所述的利用仿真技术建立血管模型的方法，其特征在于：所谓局部建模再结合，即通过高分辨率螺旋CT扫描结果，获取不同位置血管的横截面形状及相应长度，构建三维血管的数据模型。

3.根据权利要求2所述的利用仿真技术建立血管模型的方法，其特征在于：所述三维血管的数据模型的图像格式为：沿X或者Y或者Z轴的间隔1-2mm的一系列截面图形。

4.根据权利要求1所述的利用仿真技术建立血管模型的方法，其特征在于：所述边界条件的获得需要利用彩色多普勒超声、磁共振无创检查方式，对血管内部不同位置的流体流速进行测量。

5.根据权利要求4所述的利用仿真技术建立血管模型的方法，其特征在于：所述流体流速测量时，其时间选取需要在同一时刻；或者选取多个时刻，获取多组数据，再做平均处理。

6.根据权利要求1所述的利用仿真技术建立血管模型的方法，其特征在于：所述参考压力修正的方法为：首先，对动物进行离体血管实验，获得血液流动特性及规律；然后，建立静脉系统和\或动脉系统的血流动力学模型；在求解获得血管内部压力后，与动物实验和术中临床测压获得的实验结果进行比对，矫正血流动力学模型的参数；再通过与临床数据样本的校验对比，获得准确的血流动力学模型；最后，制作成三维血管模拟软件以供临床无创血管测压使用。

7.根据权利要求1所述的利用仿真技术建立血管模型的方法，其特征在于：所述N-S方程的修正方法为：根据所述血液的基本特性，对N-S方程进行修正，获得修正后的动量方程，

式中μ为动力粘度，I为单位张量。

8.根据权利要求1所述的利用仿真技术建立血管模型的方法，其特征在于：所述血液参数的修正方法是指通过测量获取的单体样本数据进行加权系数统计；

在进行修正时，需要对密度ρ进行修正，修正系数密度ρ^*＝A×ρ，其中A为修正系数，用来修正人体血液的密度大小，A的取值范围是：A＝0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0；

在进行修正时，需要对动力粘度μ进行修正，修正系数密度μ^*＝B×μ，其中B为修正系数，来修正人体血液动力粘度的大小，B的取值范围是：B＝0.01、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0、4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9、5.0；

在进行修正时，还需要对组份混合比ψ进行修正，修正系数密度ψ^*＝C×ψ，其中C为修正系数，用来修正人体血液的组份组成比例,C的取值范围是：C＝0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0。

9.根据权利要求1所述的利用仿真技术建立血管模型的方法，其特征在于：还包括动力粘度测量是指同时测量血液的血浆、红细胞、白细胞、血小板和血蛋白的含量，通过对多种血液样本进行测量分析，整理出血液动力粘度与血液组成之间的关联式，所述动力粘度其中为系数通过试验测量获得，C_n为组份。

10.一种利用仿真技术进行血管内压的无创测量装置，其由权利要求1-9任一项方法转化为商用软件，集成在专用的检测仪器上，所制作的装置。