一种无创性门静脉血流动力学参数测定方法
【专利摘要】本发明提供一种门静脉血流动力学评价方法和压力参数检测技术，包括以下步骤：1.利用薄层CT图像，构建肝门静脉的三维几何模型；2.用流体力学计算软件ANSYS的有限元分析方法，将上述几何模型网格划分后建立出三维数学模型；3.模拟计算门静脉的血流动力学参数，获得速度和压力分布效果图。本发明的方法安全无创、操作简便、直观量化且准确度高，建立了为科研和临床服务的有效模型。
【专利说明】一种无创性门静脉血流动力学参数测定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于生理学、病理生理学和临床医学领域，具体涉及一种生理参数的测定 方法，更具体涉及门静脉血流动力学参数的测定方法。
【背景技术】
[0002] 在目前的生理学、病理生理学研究和临床医学实践中尚缺乏一种安全无创、操作 简便、直观量化且准确度高的门静脉血流动力学评价方法和压力参数检测技术。常用的检 测手段包括有创性(如：门静脉导管术、B超引导下经皮经肝门静脉穿刺、术中门静脉穿刺） 和无创性(如：彩色多普勒超声、CT血管造影、磁共振血管造影）两大类。
[0003] 有创件检测抟术
[0004] 1.门静脉导管术：此方法是临床工作中评估门静脉压力的经典方法，被认为是"金 标准"。操作时，通过Seldinger法测出肝静脉压力梯度，以此来评估门静脉压力，但实际上 肝静脉压力梯度反应的是肝窦压，并不是真正的门静脉压力。此外，该方法须在X线透视引 导下完成，受检者须接受大量射线；该技术操作难度较大，存在有血栓形成、误穿颈总静脉 等并发症可能。
[0005] 2. B超引导下经皮经肝门静脉穿刺：研究表明，此方法与其他有创性测量相比较 为安全，并发症的发生率较低。然而，该方法需要在局部麻醉下进行，不可避免地会受到麻 醉药物干扰和肌肉松弛后腹腔压力变化的影响；此外，受检者的门静脉压力普遍升高会导 致穿刺风险加大。
[0006] 3.术中门静脉穿刺：术中直接门静脉穿刺测压是反映门静脉压力较为可靠的方 法，所得结果直接、量化、准确性高。此方法的局限在于：手术须在全身麻醉下开腹进行，易 受到麻醉药物和受检者应激状态的影响，故与实际的门静脉压力可能存在一定偏差。
[0007] 无创件检测抟术
[0008] 1.彩色多普勒超声：该方法在临床和科研中较为常用，其测量指标包括门脾静脉 的内径、血流速度和血流量，肝动脉和脾动脉搏动指数、阻力指数，肝脏血管指数和肝动脉 缓冲指数等。然而，该方法所得数据的主观性强，与检查者技术水平关系密切，还受到患者 呼吸、体位和体型等因素影响。研究表明，该检测方法目前仍无评价门静脉压力的特异性参 数，现有的间接指标并不能真实反映患者的门静脉压力。
[0009] 2. CT血管造影：作为一种无创性检查技术，CT血管造影三维重建图像可以弥补横 段位扫描的局限性、多轴向多角度观察病变；此外，低廉的费用和简便的操作使其易被患者 接受。但是，其局限性在于：CT血管造影仅能提供解剖学信息，判断肝门静脉的形态、通畅 程度以及侧支循环等情况，并不能直接量化评价血流动力学参数。
[0010] 3.磁共振血管造影：该方法在检测门静脉系统血流动力学信息的优势逐渐显现。 磁共振血管造影不仅可以显示门静脉系统的侧支循环及空间关系，还可对流速、流量进行 量化分析。然而，目前应用的各项分析技术仍无法量化得出门静脉的压力指标，其昂贵的诊 断费用也在一定程度上限制了其临床应用。 toon] 综上所述，目前常用的门静脉系统血流动力学参数检测技术受到各种干扰因素的 影响，如：具有创伤性、数据未量化且变异大等。此外，国内外有关门静脉压力检测的研究不 足还在于：研究范围局限于门静脉主干，很少涉及门脉系统的主要属支；局限于某一部位 的压力测定，未建立门静脉系统的整体压力分布；血液流变学研究尚处于起步阶段，血液黏 度的变化和红细胞变形能力的降低都会改变门静脉血管的阻力。因此，迫切需要发明一种 安全无创、操作简便、直观量化且准确度高的门静脉血流动力学评价方法和压力参数检测 技术。
[0012] 本
【发明者】通过肝门静脉数值模型的重建、有限元分析和血液动力学计算的方法， 建立一种符合科研和临床需求的门静脉血流动力学评价方法和压力参数检测技术，从而完 成了本发明。
【发明内容】
[0013] 本发明的目的是提供一种门静脉血流动力学评价方法和压力参数检测技术，为生 理学、病理生理学研究提供依据，并进一步为临床治疗学提供线索。
[0014] 本发明的门静脉血流动力学评价方法包括以下步骤：
[0015] 1.利用薄层CT图像，构建肝门静脉的三维几何模型；
[0016] 2.用流体力学计算软件ANSYS的有限元分析方法，将上述几何模型网格划分后建 立出三维数学模型；
[0017] 3.模拟计算门静脉的血流动力学参数，获得速度和压力分布效果图。
[0018] 本发明采用医学影像控制软件MMICS建立几何模型，运用流体力学计算软件 ANSYS建立三维数学模型。其可行性分析如下：
[0019] 非牛顿液体(如血液）流动过程中受质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定 律支配。计算流体力学是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等 相关物理现象的系统所做的分析。
[0020] 门静脉及其主要分支是一段弯曲的具有几何形状的血管，其管壁没有很大的实际 变形量，因此本发明将血管假定为刚性管，其中血液的黏度较低且可视为恒定的黏度，即流 体的内摩擦剪切力τ与单位距离上得两层流体间的相对速度近似成线性关系，且密度近 似为常量，故门静脉中的血液近似假设为不可压的牛顿流体。
[0021] 判断流体流动是层流还是湍流的无量纲参量是雷诺数（Re)，定义为Re=PVD/μ， 其中，Ρ为流体密度，V为流体流动的速度，D为圆管的内直径，μ为流体粘度。一般情况 下，R/2000时，流体处于层流状态；&>3000时，流动为湍流。在预实验模型中，门静脉直径 7mm，速度21cm/s，流体密度1. 05Χ 103kg/m3,流体粘度为0. 0035。经计算，门静脉的雷诺数 Re=819〈2000,故血液在门静脉中作层流运动。
[0022] 流体力学软件ANSYS依据有限元分析法进行模拟计算，将一个连续的求解域任意 分成适当形状的许多微小单元，并于各小单元分片构造插值函数，然后根据极值原理(变分 或加权余量法)，将问题的控制方程转化为所有单元上的有限元方程，把总体的极值作为各 单元极值之和，即将局部单元总体合成，形成嵌入了指定边界条件的代数方程组，求解该方 程组得到各节点待求的函数值。
[0023] 忽略重力的影响，我们可米用三维瞬态Navier-Stokes方程
[0024]
【权利要求】
1. 一种门静脉血流动力学评价方法，包括以下步骤： (1) 利用薄层CT图像，构建肝门静脉的三维几何模型； (2) 用流体力学计算软件ANSYS的有限元分析方法，将步骤（1)所得几何模型进行网格 划分后建立出三维数学模型； (3) 模拟计算门静脉的血流动力学参数，获得速度和压力分布效果图。
2. 如权利要求1所述的方法，其中步骤（1)包括：获得CT数据后导入MMICS软件，自 动计算生成冠状面和矢状面二维合成图；根据组织灰度值差异，通过阈值设定提取出脂肪 和肌肉组织，再进行范围框定；利用MMICS软件多层编辑功能编辑图层，删除门静脉及其 属支外的其他组织，进行三维重建；对每一断层图片进行手动填补像素、光滑、裁剪，以修补 因 CT值差异产生的血管壁表面空洞；将处理后模型导出为ANSYS文件。
3. 如权利要求1所述的方法，其中步骤（2)包括：以三维几何模型面导入ANSYS，在 ANSYS软件中生成实心体；将模型出入口截为与血管走向垂直的平面；将三维模型划分成 有限个四面体，以此为网格单元生成计算节点；建立离散的初始和边界条件；给定控制方 程的求解控制参数，给定迭代计算的次数和控制精度。
4. 如权利要求3所述的方法，其中所述方程的求解控制参数为密度和粘度。
5. 如权利要求1所述的方法，其中步骤（3)包括：获得门静脉及其分支的三维或任意平 面的速度及压力分布图。
6. 如权利要求5所述的方法，其中所述任意平面包括矢状面和横断面。
【文档编号】A61B5/026GK104107039SQ201310134486
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年4月17日 优先权日:2013年4月17日
【发明者】杨长青, 祁小龙, 周方宇, 李功文 申请人:上海市同济医院