CN113040728B - 一种个性化的体外反搏远期血流动力学效应个性化评价模型的建立方法 - Google Patents

Abstract

一种个性化的体外反搏远期血流动力学效应的评价方法，属于数值模拟领域。该方法包括以下步骤：采集人体的生理数据，构建个性化血液循环系统集中参数模型；利用上述模型模拟体外反搏的即时血流动力学效应；构建冠状动脉、脑动脉三维模型及网格化预处理；采用几何多尺度血流动力学数值模拟的方法模拟体外反搏治疗的心脑血管远期血流动力学效应；建立函数映射数学模型，得到：TAWSS＝2.357×10^‑5·MAP²+0.018·CBF²+2.768TAWSS较优的目标范围为4‑7Pa，将促进病变血管的良性重构，利于优化反搏的远期治疗效果。

Description

一种个性化的体外反搏远期血流动力学效应个性化评价模型 的建立方法

技术领域

本发明属于数值模拟领域，涉及一种个性化的体外反搏远期血流动力学效应的评价方法。

背景技术

前人长期的临床观察及研究明确了体外反搏治疗的即时血流动力学效应机制：体外反搏可显著提高心脑等重要脏器的血流灌注，显著提高舒张压，促进血液循环，改善其缺血症状。大量的临床观察和动物实验，初步证实了体外反搏远期血流动力学效应是修饰血管内皮细胞炎症反应、抑制内膜增生，促进狭窄动脉良性重构的根本原因，同样是起到治疗效果的根本原因。然而，目前临床仅仅基于即时可测的生理指标来评价治疗效果，缺乏远期血流动力学效应的评价方法。因此，目前临床的疗效评价方式不够完善，缺少血流动力学理论依据。

此外，目前临床上体外反搏治疗效果的评价指标为即时可测的生理指标，如平均动脉压，舒张压/收缩压等，普遍使用舒张压/收缩压(D/S)大于1.2作为评价体外反搏治疗效果的指标。然而，临床中常有的一个现象是对于不同患者，体外反搏的治疗效果差异明显。这是由于不同患者的生理结构和生理参数有所差异，对于同样的治疗方法，其血流动力学响应不尽相同。因此，若对所有患者一律使用D/S大于1.2这一非个性化的评价指标，不能满足个性化治疗的需求，目前临床缺乏一种个性化的治疗效果评价方法。综上，开发一套个性化体外反搏远期血流动力学效应的评价方法对于评价体外反搏的临床治疗收益具有显著的意义。本发明从血流动力学角度出发，给出一种个性化的体外反搏远期血流动力学效应的评价方法，为评价缺血性冠心病和脑卒中患者的体外反搏治疗效果增加技术手段。

发明内容

本发明提供了一种个性化的体外反搏远期血流动力学效应的评价方法，实现针对缺血性脑卒中和冠心病患者的体外反搏远期治疗效果的个性化评价和预估。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种个性化的体外反搏远期血流动力学效应个性化评价模型的建立方法，该方法包括以下步骤：

步骤A1：临床采集人体的生理波形数据，包括主动脉压、心输出量、颈动脉流量波形；

步骤A2：基于人体的血液循环系统的解剖学结构和生理参数构建个性化血液循环系统集中参数模型；

步骤A3：利用所构建的血液循环系统集中参数模型模拟体外反搏的即时血流动力学效应；

步骤A4：基于真实冠状动脉、脑动脉计算机断层扫描造影图像(CTA)重建冠脉和脑动脉的三维模型及对模型进行网格化预处理；

步骤A5：采用几何多尺度血流动力学数值模拟的方法模拟体外反搏治疗的心脑血管远期血流动力学效应；

步骤A6：基于步骤A3计算得出的即时血流动力学效应和步骤A5计算得出的远期血流动力学效应，建立即时可测的生理指标和远期不可测的血流动力学指标之间的函数映射数学模型，进而对心脑血管疾病的体外反搏远期治疗效果分别建立个性化评价模型，得到一种远期血流动力学效应的个性化评价方法。

步骤A1中所述特征，包括采集人体的生理波形数据，其中主动脉根部的压力波形在临床上难以无创地被采集，而上臂的肱动脉距离主动脉根部不远，数值上与主动脉压接近，且该处的压力波形容易被采集，故可用肱动脉的压力代替主动脉压。

步骤A2所述特征，包括基于人体的血液循环系统的解剖学结构和生理参数构建个性化血液循环系统集中参数模型为：以临床采集的人体正常生理参数为目标，使用优化算法，对集中参数模型的各参数进行优化，得到个性化的集中参数模型。

步骤A3所述特征，包括利用所构建的血液循环系统集中参数模型模拟体外反搏的即时血流动力学效应：改变反搏控制参数达到改变加压幅值和加压时长的目的，以此来模拟不同的反搏模式，以及不同反搏模式下冠脉和脑动脉的即时血流动力学效应。

步骤A4所述特征，包括基于真实冠状动脉、脑动脉计算机断层扫描造影图像(CTA)重建冠脉和脑动脉的三维模型为：对于冠状动脉，首先基于个体真实冠状动脉断层图像构建个性化三维模型，构建模型要求如下：保留完整主动脉干，与主动脉干贯通的左冠状动脉及左冠状动脉分支、与主动脉干贯通的右冠状动脉及右冠状动脉分支。对于脑动脉，首先基于个体真实脑动脉断层图像构建个性化三维模型，构建模型要求如下：保留大脑左侧和右侧的前动脉、中动脉、颈内动脉、后交通动脉、后动脉，以及前交通动脉和基底动脉。

步骤A5所述特征，包括利用几何多尺度(与A4联系起来)方法模拟体外反搏治疗的心脑血管远期血流动力学效应：对于冠状动脉，将主动脉入口作为冠脉多尺度模型的入口，边界条件设置流量，将主动脉出口及冠脉各分支末端作为冠脉多尺度模型的出口，边界条件设置为各出口对应的压力。对于脑动脉，将左侧和右侧的颈内动脉、基底动脉作为脑动脉入口，边界条件设置为对应的流量，将左侧和右侧的前动脉、中动脉、后动脉作为脑动脉出口，边界条件设置为对应的压力。利用几何多尺度方法模拟不同反搏模式下心脑血管的远期血流动力学效应。

步骤A6所述特征，包括对心脑血管疾病的体外反搏远期治疗效果分别建立个性化评价模型，得到远期血流动力学效应的个性化评价方法。具体评价方法的步骤如下：

步骤B1：通过步骤A3得到体外反搏即时血流动力学指标，对于冠状动脉，观测的指标为平均动脉压(MAP)、心输出量(CO)、舒张压/收缩压(D/S)、颈内动脉流量(ICAF)；对于脑动脉，观测的指标为平均动脉压(MAP)、脑动脉流量(CBF)。

步骤B2：通过步骤A5得到体外反搏远期血流动力学指标，对于冠状动脉和脑动脉，观测的指标为时间平均壁面切应力(TAWSS)、振荡剪切指数(OSI)。

步骤B3：将步骤B1计算得到的即时指标和步骤B2计算得到的远期指标按照对应算例的不同反搏模式进行归纳统计，对即时指标和远期指标进行相关性分析，将即时和远期指标之间存在显著相关的变量建立函数映射数学模型。结果显示，对于冠脉，TAWSS和D/S、ICAF显著相关；对于脑动脉，TAWSS和MAP、CBF显著相关。另外，不同反搏模式下冠脉和脑动脉的OSI变化皆不明显，不必用于体外反搏的远期治疗效果评价。本发明仅针对TAWSS，通过函数拟合得到冠状动脉体外反搏远期疗效评价指标的拟合函数为：

上述公式中的LN指的是自然对数函数。

通过曲线拟合得到脑动脉体外反搏远期疗效评价指标的拟合函数为：

TAWSS＝2.357×10^-5·MAP²+0.018·CBF²+2.768研究表明，TAWSS较优的目标范围为4-7Pa。此范围内的TAWSS将促进病变血管的良性重构，利于优化反搏的远期治疗效果。在临床反搏治疗过程中，将实时监测的D/S、ICAF、MAP、CBF参数代入到拟合函数中，如果计算得到的TAWSS数值在4-7Pa之间，则评价反搏效果为良好。由此对心脑血管疾病建立体外反搏远期治疗收益的个性化评价模型，得到一种个性化体外反搏远期血流动力学效应的评价方法。

附图说明

图1：本发明个性化的体外反搏远期血流动力学效应的评价方法的实施流程图，其中MAP为平均动脉压，CO为心输出量，DBP/SBP为舒张压/收缩压，ICAF为颈内动脉流量。

图2：本发明中血液循环系统集中参数模型示意图

图3：本发明中冠脉几何多尺度模型示意图

图4：本发明中脑动脉几何多尺度模型示意图

图5：本发明冠脉和脑动脉远期评价指标结果图

具体实施方式

下面结合具体的实施方式和附图对本发明进行详细的描述。

步骤A1：临床采集人体的生理波形数据，包括主动脉压、心输出量、颈动脉流量波形；

步骤A2：基于人体的血液循环系统的解剖学结构和生理参数构建个性化血液循环系统集中参数模型；

步骤A3：利用所构建的血液循环系统集中参数模型模拟体外反搏的即时血流动力学效应；

步骤A4：基于真实冠状动脉、脑动脉计算机断层扫描造影图像(CTA)重建冠脉和脑动脉的三维模型及对模型进行网格化预处理；

步骤A5：采用几何多尺度血流动力学数值模拟的方法模拟体外反搏治疗的心脑血管远期血流动力学效应；

步骤A6：基于步骤A3计算得出的即时血流动力学效应和步骤A5计算得出的远期血流动力学效应，建立即时可测的生理指标和远期不可测的血流动力学指标之间的函数映射数学模型，进而对心脑血管疾病的体外反搏远期治疗效果分别建立个性化评价模型，得到一种远期血流动力学效应的个性化评价方法。

步骤A1中所述特征，包括采集人体的生理波形数据，其中主动脉根部的压力波形在临床上难以无创地被采集，而上臂的肱动脉距离主动脉根部不远，数值上与主动脉压接近，且该处的压力波形容易被采集，故可用肱动脉的压力代替主动脉压。

步骤A2所述特征，包括基于人体的血液循环系统的解剖学结构和生理参数构建个性化血液循环系统集中参数模型为：以临床采集的人体正常生理参数为目标，使用优化算法，对集中参数模型的各参数进行优化，得到个性化的集中参数模型。

步骤A3所述特征，包括利用所构建的血液循环系统集中参数模型模拟体外反搏的即时血流动力学效应：改变反搏控制参数达到改变加压幅值和加压时长的目的，以此来模拟不同的反搏模式，以及不同反搏模式下冠脉和脑动脉的即时血流动力学效应。

步骤A4所述特征，包括基于真实冠状动脉、脑动脉计算机断层扫描造影图像(CTA)重建冠脉和脑动脉的三维模型为：对于冠状动脉，首先基于个体真实冠状动脉断层图像构建个性化三维模型，构建模型要求如下：保留完整主动脉干，与主动脉干贯通的左冠状动脉及左冠状动脉分支、与主动脉干贯通的右冠状动脉及右冠状动脉分支。对于脑动脉，首先基于个体真实脑动脉断层图像构建个性化三维模型，构建模型要求如下：保留大脑左侧和右侧的前动脉、中动脉、颈内动脉、后交通动脉、后动脉，以及前交通动脉和基底动脉。经Mimics软件初步建立模型后，使用Freeform、Geomagic、SolidWorks软件对模型进行平滑和初步预处理，最后使用Ansys workbench软件对模型进行网格化划分。

步骤A5所述特征，包括利用几何多尺度方法模拟体外反搏治疗的心脑血管远期血流动力学效应：对于冠状动脉，将主动脉入口作为冠脉多尺度模型的入口，边界条件设置流量，将主动脉出口及冠脉各分支末端作为冠脉多尺度模型的出口，边界条件设置为各出口对应的压力。对于脑动脉，将左侧和右侧的颈内动脉、基底动脉作为脑动脉入口，边界条件设置为对应的流量，将左侧和右侧的前动脉、中动脉、后动脉作为脑动脉出口，边界条件设置为对应的压力。利用几何多尺度方法模拟不同反搏模式下心脑血管的远期血流动力学效应。

步骤A6所述特征，包括对心脑血管疾病的体外反搏远期治疗效果分别建立个性化评价模型，得到远期血流动力学效应的个性化评价方法。具体评价方法的步骤如下：

步骤B1：通过步骤A3得到体外反搏即时血流动力学指标，对于冠状动脉，观测的指标为MAP、CO、D/S、ICAF；对于脑动脉，观测的指标为MAP、CBF。

步骤B2：通过步骤A5得到体外反搏远期血流动力学指标，对于冠状动脉和脑动脉，观测的指标为TAWSS和OSI。

步骤B3：将步骤B1计算得到的即时指标和步骤B2计算得到的远期指标按照对应算例的不同反搏模式进行归纳统计，对即时指标和远期指标进行相关性分析，将即时和远期指标之间存在显著相关的变量建立函数映射数学模型。结果显示，对于冠脉，TAWSS和D/S、ICAF显著相关；对于脑动脉，TAWSS和MAP、CBF显著相关。另外，不同反搏模式下冠脉和脑动脉的OSI变化皆不明显，不必用于体外反搏的远期治疗效果评价。本发明仅针对TAWSS，通过函数拟合得到冠状动脉体外反搏远期疗效评价指标的拟合函数为：

通过曲线拟合得到脑动脉体外反搏远期评价指标的拟合函数为：

TAWSS＝2.357×10^-5·MAP²+0.018·CBF²+2.768研究表明，TAWSS较优的目标范围为4-7Pa。此范围内的TAWSS将促进病变血管的良性重构，利于优化反搏的远期治疗效果。在临床反搏治疗过程中，将实时监测的D/S、ICAF、MAP、CBF参数代入到拟合函数中，如果计算得到的TAWSS数值在4-7Pa之间，则评价反搏效果为良好。由此对心脑血管疾病建立体外反搏远期治疗收益的个性化评价模型，得到一种个性化体外反搏远期血流动力学效应的评价方法。

本发明的目标是实现针对缺血性冠心病和脑卒中患者体外反搏远期治疗效果的个性化评价和预估。本发明采集人体的生理数据，包括主动脉压、心输出量、颈动脉流量波形数据；基于人体的血液循环系统的解剖学结构和生理参数构建个性化血液循环系统集中参数模型；利用所构建的血液循环系统集中参数模型模拟体外反搏的即时血流动力学效应，包括MAP、CO、D/S、ICAF、CBF；基于真实冠状动脉、脑动脉断层扫描图像构建冠状动脉、脑动脉三维模型及网格化预处理；采用几何多尺度血流动力学数值模拟的方法模拟体外反搏治疗的心脑血管远期血流动力学效应，包括TAWSS和OSI；基于即时血流动力学效应和远期血流动力学效应，建立即时可测的生理指标和远期不可测的血流动力学指标之间的函数映射数学模型，进而对心脑血管疾病的体外反搏远期治疗效果分别建立个性化评价模型，得到一种远期血流动力学效应的个性化评价方法，为评价缺血性冠心病和脑卒中患者的体外反搏治疗效果增加技术手段。

Claims (7)

1.一种体外反搏远期血流动力学效应个性化评价模型的建立方法，其特征在于，详细步骤如下：

步骤A1：临床采集人体的生理波形数据，包括主动脉压、心输出量、颈动脉流量波形；

步骤A2：基于人体的血液循环系统的解剖学结构和生理参数构建个性化血液循环系统集中参数模型；

步骤A3：利用所构建的血液循环系统集中参数模型模拟体外反搏的即时血流动力学效应；

步骤A4：基于真实冠状动脉、脑动脉计算机断层扫描造影图像(CTA)重建冠脉和脑动脉的三维模型及对模型进行网格化预处理；

步骤A5：采用几何多尺度血流动力学数值模拟的方法模拟体外反搏治疗的心脑血管远期血流动力学效应；

步骤A6：基于步骤A3计算得出的即时血流动力学效应和步骤A5计算得出的远期血流动力学效应，建立即时可测的生理指标和远期不可测的血流动力学指标之间的函数映射数学模型；

步骤A6所述特征，包括对心脑血管疾病的体外反搏远期治疗效果分别建立个性化评价模型，具体步骤如下：

步骤B1：通过步骤A3得到体外反搏即时血流动力学指标，对于冠状动脉，观测的指标为平均动脉压(MAP)、心输出量(CO)、舒张压/收缩压(D/S)、颈内动脉流量(ICAF)；对于脑动脉，观测的指标为平均动脉压(MAP)、脑动脉流量(CBF)；

步骤B2：通过步骤A5得到体外反搏远期血流动力学指标，对于冠状动脉和脑动脉，观测的指标为时间平均壁面切应力(TAWSS)和振荡剪切指数(OSI)；

步骤B3：将步骤B1计算得到的即时指标和步骤B2计算得到的远期指标按照对应算例的不同反搏模式进行归纳统计，对即时指标和远期指标进行相关性分析，将即时和远期指标之间存在显著相关的变量建立函数映射数学模型；结果显示，对于冠脉，TAWSS和D/S、ICAF显著相关；对于脑动脉，TAWSS和MAP、CBF显著相关；另外，不同反搏模式下冠脉和脑动脉的OSI变化皆不明显，不必用于体外反搏的远期治疗效果评价。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤A1中所述特征，包括采集人体的生理波形数据，其中主动脉根部的压力波形在临床上难以无创地被采集，而上臂的肱动脉距离主动脉根部不远，数值上与主动脉压接近，且该处的压力波形容易被采集，故可用肱动脉的压力代替主动脉压。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A2所述特征，包括基于人体的血液循环系统的解剖学结构和生理参数构建个性化血液循环系统集中参数模型为：以临床采集的人体正常生理参数为目标，使用优化算法，对集中参数模型的各参数进行优化，得到个性化的集中参数模型。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A3所述特征，包括利用所构建的血液循环系统集中参数模型模拟体外反搏的即时血流动力学效应：改变反搏控制参数达到改变加压幅值和加压时长的目的，以此来模拟不同的反搏模式，以及不同反搏模式下冠脉和脑动脉的即时血流动力学效应。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A4所述特征，包括基于真实冠状动脉、脑动脉CT重建冠脉和脑动脉的三维模型为：对于冠状动脉，首先基于个体真实冠状动脉断层图像构建个性化三维模型，构建模型要求如下：保留完整主动脉干，与主动脉干贯通的左冠状动脉及左冠状动脉分支、与主动脉干贯通的右冠状动脉及右冠状动脉分支；对于脑动脉，首先基于个体真实脑动脉断层图像构建个性化三维模型，构建模型要求如下：保留大脑左侧和右侧的前动脉、中动脉、颈内动脉、后交通动脉、后动脉，以及前交通动脉和基底动脉；经Mimics软件初步建立模型后，使用Freeform、Geomagic、SolidWorks软件对模型进行平滑和初步预处理，最后使用Ansys workbench软件对模型进行网格化划分。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A5所述特征，包括利用几何多尺度方法模拟体外反搏治疗的心脑血管远期血流动力学效应：对于冠状动脉，将主动脉入口作为冠脉多尺度模型的入口，边界条件设置流量，将主动脉出口及冠脉各分支末端作为冠脉多尺度模型的出口，边界条件设置为各出口对应的压力；对于脑动脉，将左侧和右侧的颈内动脉、基底动脉作为脑动脉入口，边界条件设置为对应的流量，将左侧和右侧的前动脉、中动脉、后动脉作为脑动脉出口，边界条件设置为对应的压力；利用几何多尺度方法模拟不同反搏模式下心脑血管的远期血流动力学效应。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，仅针对TAWSS，通过函数拟合得到冠状动脉体外反搏远期疗效评价指标的拟合函数为：

上述公式中的LN指的是自然对数函数；

通过曲线拟合得到脑动脉体外反搏远期评价指标的拟合函数为：

TAWSS＝2.357×10^-5·MAP²+0.018·CBF²+2.768。