一種無創性門靜脈血流動力學參數測定方法
【專利摘要】本發明提供一種門靜脈血流動力學評價方法和壓力參數檢測技術，包括以下步驟：1.利用薄層CT圖像，構建肝門靜脈的三維幾何模型；2.用流體力學計算軟件ANSYS的有限元分析方法，將上述幾何模型網格劃分后建立出三維數學模型；3.模擬計算門靜脈的血流動力學參數，獲得速度和壓力分布效果圖。本發明的方法安全無創、操作簡便、直觀量化且準確度高，建立了為科研和臨床服務的有效模型。
【專利說明】一種無創性門靜脈血流動力學參數測定方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬于生理學、病理生理學和臨床醫學領域，具體涉及一種生理參數的測定 方法，更具體涉及門靜脈血流動力學參數的測定方法。

【背景技術】
[0002] 在目前的生理學、病理生理學研究和臨床醫學實踐中尚缺乏一種安全無創、操作 簡便、直觀量化且準確度高的門靜脈血流動力學評價方法和壓力參數檢測技術。常用的檢 測手段包括有創性(如：門靜脈導管術、B超引導下經皮經肝門靜脈穿刺、術中門靜脈穿刺） 和無創性(如：彩色多普勒超聲、CT血管造影、磁共振血管造影）兩大類。
[0003] 有創件檢測摶術
[0004] 1.門靜脈導管術：此方法是臨床工作中評估門靜脈壓力的經典方法，被認為是"金 標準"。操作時，通過Seldinger法測出肝靜脈壓力梯度，以此來評估門靜脈壓力，但實際上 肝靜脈壓力梯度反應的是肝竇壓，并不是真正的門靜脈壓力。此外，該方法須在X線透視引 導下完成，受檢者須接受大量射線；該技術操作難度較大，存在有血栓形成、誤穿頸總靜脈 等并發癥可能。
[0005] 2. B超引導下經皮經肝門靜脈穿刺：研究表明，此方法與其他有創性測量相比較 為安全，并發癥的發生率較低。然而，該方法需要在局部麻醉下進行，不可避免地會受到麻 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導 致穿刺風險加大。
[0006] 3.術中門靜脈穿刺：術中直接門靜脈穿刺測壓是反映門靜脈壓力較為可靠的方 法，所得結果直接、量化、準確性高。此方法的局限在于：手術須在全身麻醉下開腹進行，易 受到麻醉藥物和受檢者應激狀態的影響，故與實際的門靜脈壓力可能存在一定偏差。
[0007] 無創件檢測摶術
[0008] 1.彩色多普勒超聲：該方法在臨床和科研中較為常用，其測量指標包括門脾靜脈 的內徑、血流速度和血流量，肝動脈和脾動脈搏動指數、阻力指數，肝臟血管指數和肝動脈 緩沖指數等。然而，該方法所得數據的主觀性強，與檢查者技術水平關系密切，還受到患者 呼吸、體位和體型等因素影響。研究表明，該檢測方法目前仍無評價門靜脈壓力的特異性參 數，現有的間接指標并不能真實反映患者的門靜脈壓力。
[0009] 2. CT血管造影：作為一種無創性檢查技術，CT血管造影三維重建圖像可以彌補橫 段位掃描的局限性、多軸向多角度觀察病變；此外，低廉的費用和簡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信息，判斷肝門靜脈的形態、通暢 程度以及側支循環等情況，并不能直接量化評價血流動力學參數。
[0010] 3.磁共振血管造影：該方法在檢測門靜脈系統血流動力學信息的優勢逐漸顯現。 磁共振血管造影不僅可以顯示門靜脈系統的側支循環及空間關系，還可對流速、流量進行 量化分析。然而，目前應用的各項分析技術仍無法量化得出門靜脈的壓力指標，其昂貴的診 斷費用也在一定程度上限制了其臨床應用。 toon] 綜上所述，目前常用的門靜脈系統血流動力學參數檢測技術受到各種干擾因素的 影響，如：具有創傷性、數據未量化且變異大等。此外，國內外有關門靜脈壓力檢測的研究不 足還在于：研究范圍局限于門靜脈主干，很少涉及門脈系統的主要屬支；局限于某一部位 的壓力測定，未建立門靜脈系統的整體壓力分布；血液流變學研究尚處于起步階段，血液黏 度的變化和紅細胞變形能力的降低都會改變門靜脈血管的阻力。因此，迫切需要發明一種 安全無創、操作簡便、直觀量化且準確度高的門靜脈血流動力學評價方法和壓力參數檢測 技術。
[0012] 本
【發明者】通過肝門靜脈數值模型的重建、有限元分析和血液動力學計算的方法， 建立一種符合科研和臨床需求的門靜脈血流動力學評價方法和壓力參數檢測技術，從而完 成了本發明。


【發明內容】

[0013] 本發明的目的是提供一種門靜脈血流動力學評價方法和壓力參數檢測技術，為生 理學、病理生理學研究提供依據，并進一步為臨床治療學提供線索。
[0014] 本發明的門靜脈血流動力學評價方法包括以下步驟：
[0015] 1.利用薄層CT圖像，構建肝門靜脈的三維幾何模型；
[0016] 2.用流體力學計算軟件ANSYS的有限元分析方法，將上述幾何模型網格劃分后建 立出三維數學模型；
[0017] 3.模擬計算門靜脈的血流動力學參數，獲得速度和壓力分布效果圖。
[0018] 本發明采用醫學影像控制軟件MMICS建立幾何模型，運用流體力學計算軟件 ANSYS建立三維數學模型。其可行性分析如下：
[0019] 非牛頓液體(如血液）流動過程中受質量守恒、動量守恒和能量守恒等基本物理定 律支配。計算流體力學是通過計算機數值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等 相關物理現象的系統所做的分析。
[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際 變形量，因此本發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 體的內摩擦剪切力τ與單位距離上得兩層流體間的相對速度近似成線性關系，且密度近 似為常量，故門靜脈中的血液近似假設為不可壓的牛頓流體。
[0021] 判斷流體流動是層流還是湍流的無量綱參量是雷諾數（Re)，定義為Re=PVD/μ， 其中，Ρ為流體密度，V為流體流動的速度，D為圓管的內直徑，μ為流體粘度。一般情況 下，R/2000時，流體處于層流狀態；&>3000時，流動為湍流。在預實驗模型中，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。經計算，門靜脈的雷諾數 Re=819〈2000,故血液在門靜脈中作層流運動。
[0022] 流體力學軟件ANSYS依據有限元分析法進行模擬計算，將一個連續的求解域任意 分成適當形狀的許多微小單元，并于各小單元分片構造插值函數，然后根據極值原理(變分 或加權余量法)，將問題的控制方程轉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方程組，求解該方 程組得到各節點待求的函數值。
[0023] 忽略重力的影響，我們可米用三維瞬態Navier-Stokes方程
[0024]

【權利要求】
1. 一種門靜脈血流動力學評價方法，包括以下步驟： (1) 利用薄層CT圖像，構建肝門靜脈的三維幾何模型； (2) 用流體力學計算軟件ANSYS的有限元分析方法，將步驟（1)所得幾何模型進行網格 劃分后建立出三維數學模型； (3) 模擬計算門靜脈的血流動力學參數，獲得速度和壓力分布效果圖。
2. 如權利要求1所述的方法，其中步驟（1)包括：獲得CT數據后導入MMICS軟件，自 動計算生成冠狀面和矢狀面二維合成圖；根據組織灰度值差異，通過閾值設定提取出脂肪 和肌肉組織，再進行范圍框定；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，進行三維重建；對每一斷層圖片進行手動填補像素、光滑、裁剪，以修補 因 CT值差異產生的血管壁表面空洞；將處理后模型導出為ANSYS文件。
3. 如權利要求1所述的方法，其中步驟（2)包括：以三維幾何模型面導入ANSYS，在 ANSYS軟件中生成實心體；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 有限個四面體，以此為網格單元生成計算節點；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，給定迭代計算的次數和控制精度。
4. 如權利要求3所述的方法，其中所述方程的求解控制參數為密度和粘度。
5. 如權利要求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】A61B5/026GK104107039SQ201310134486
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2013年4月17日 優先權日:2013年4月17日
【發明者】楊長青, 祁小龍, 周方宇, 李功文 申請人:上海市同濟醫院