一种基于几何多尺度模型的一个半心室模型中奇静脉分流比的计算方法技术

本发明专利技术是一种基于几何多尺度模型的一个半心室模型中奇静脉分流比的计算方法，属于血流动力学数值模拟领域。本发明专利技术利用0D/3D耦合的几何多尺度模型进行血流动力学有限元分析，获得奇静脉分流比，这是一种新方法。本发明专利技术的一个半心室模型以3D模型表示，与其相连的外周循环部分以0D集中参数模型表示，从而组成0D/3D结合的几何多尺度模型。对0D/3D耦合模型运用有限元分析，模拟不同肺阻力时一个半心室模型的血流动力学状况。待计算完成后，在ANSYS‑CFX后处理中，通过定义表达式来计算奇静脉分流比；还可以提取奇静脉的壁面切应力，从生物力学角度评价奇静脉分流比的合理性。

A method for calculating the ratio of azygos vein shunt in a half ventricle model based on geometric multiscale model

The invention relates to a method for calculating the ratio of odd vein shunt in a half ventricle model based on a geometric multi-scale model, belonging to the field of hemodynamic numerical simulation. The invention uses 0d / 3D coupled geometric multi-scale model for hemodynamic finite element analysis to obtain the ratio of azygos vein shunt, which is a new method. A half ventricle model of the invention is represented by a 3D model, and the peripheral circulation part connected with it is represented by a 0d lumped parameter model, thus forming a 0d / 3D combined geometric multi-scale model. Using the finite element analysis of 0d / 3D coupling model, the hemodynamics of a half ventricle model with different pulmonary resistance was simulated. After the calculation, in the post-processing of ANSYS \u2011 CFX, the ratio of azygos vein shunt can be calculated by defining the expression; the wall shear stress of azygos vein can also be extracted to evaluate the rationality of the ratio of azygos vein shunt from the perspective of biomechanics.

【技术实现步骤摘要】
一种基于几何多尺度模型的一个半心室模型中奇静脉分流比的计算方法
本专利技术提供了一种基于几何多尺度模型的一个半心室模型中奇静脉分流比的计算方法，其定义为公式(1)，属于血流动力学计算领域。
技术介绍
研究一个半心室模型中奇静脉的分流比对于认识右心无效循环十分重要。而纵观大多数研究均是基于超声、磁共振成像方式得到奇静脉分流比。这种方法通过成像设备虽然能快速得到各血管的流速，但仪器本身有一定误差；其次对患者来说医疗花费较大，有些病人也不适于进行磁共振操作。现采用几何多尺度模型，利用有限元分析，既可以改变3D模型中奇静脉的内径，又能方便地通过调节0D集中参数模型的各部分参数(如血流阻力R、血管顺应性C、血液惯性L等)，来模拟不同肺阻力的实际生理，从而直观地观察3D模型内部的血液流动状况。在ANSYS-CFX后处理中可以方便地提取奇静脉流量、上腔静脉流量和肺主动脉流量，依据公式(1)计算出奇静脉分流比；此外还可以提取奇静脉的壁面切应力，从生物力学角度评价计算所得的奇静脉分流比。几何多尺度建模是一种特殊的仿真血液循环系统的策略，本专利技术采用的是0D/3D耦合模型，其中3D模型是由CT图像重建的一个半心室模型，用来模拟感兴趣的局部流场细节，而0D集中参数模型是由R、C、L三元件组成的电路结构，用来仿真外周的血液循环系统。这种模型可以避免固定边界所带来的不良影响。0D/3D耦合算法，它的重点在于0D集中参数模型与3D模型之间的数据交换。具体来说，0D集中参数模型为3D模型入口处提供流量波形边界，出口处提供压力波形边界，此时3D模型便可以在计算流体力学(CFD)数值模拟软件中进行流场计算，3D模型计算得到的入口的压力值与出口的流量值返回到0D集中参数模型。耦合算法中每个3D模型计算时间步进行一次数据交换，同时进行残差检测。通常定义3D模型出口压力和入口流量在不同时间步之间的误差作为残差检测项。当残差小于预先设定值时认为计算结果收敛，仿真结束，具体流程如图1所示。ANSYS公司的ANSYS-CFX是CFD的仿真软件，它的前、后处理和流体计算较为完善。但想要实现0D/3D耦合模型流体计算，不仅需要掌握0D/3D耦合算法，还需了解ANSYS-CFX的二次开发、内存管理及多进程计算。以UserCELFunction函数和UserJunctionBoxRoutine程序块两种形式应用于CFX的3D模型计算之中。
技术实现思路
本专利技术提出的一种基于几何多尺度模型的一个半心室模型中奇静脉分流比的计算方法，使用计算机仿真一个半心室模型的血流动力学状况。相较于常用的超声、磁共振成像方法，本专利技术的计算方法可以方便地改变奇静脉的内径，使用0D/3D耦合的算法，实现不同肺阻力时循环系统的仿真；还可以通过奇静脉的壁面切应力来评价奇静脉分流比的合理性。一种基于几何多尺度模型的一个半心室模型中奇静脉分流比的计算方法，包括如下步骤：1.构建一个半心室的3D模型；2.构建血液循环系统0D集中参数模型并建立0D/3D耦合模型的几何多尺度模型；3.对几何多尺度模型进行有限元分析，仿真不同肺阻力时一个半心室模型的血流动力学状况。提取奇静脉流量、上腔静脉流量和肺主动脉流量，由公式(1)计算得到奇静脉的分流比；提取不同肺阻力时奇静脉的壁面切应力，并与静脉系统承受的壁面切应力范围0.1-0.6Pa进行比较，从生物力学角度评价奇静脉分流比的合理性，有关合理性的描述详情见下文步骤3中的内容。步骤1具体为：将胸部CT图像导入Mimics中，经过灰度范围选择、阈值分割以及区域生长的图像处理后，初步得到格式为“.stl”的3D模型(包括奇静脉、上下腔静脉、肺主动脉、左右肺动脉)；再在Freeform中对模型不连续和明显存在突变的部分进行修饰，得到顺滑的3D模型；之后在Geomagic中对模型进行曲面光滑操作，得到格式为“.igs”的几何模型；最后用SolidWorks裁剪3D模型边界出入口，使其平整，并将模型导出格式为“.x-t”的数据，用于有限元计算。步骤2具体为：本专利技术构建的0D集中参数模型具体包括心脏模块、肺动脉模块、主动脉模块、上半身阻力与上腔静脉构成上半身循环模块、下半身阻力与下腔静脉构成下半身循环模块以及奇静脉模块。本专利技术中任意一段不含分叉且结构简单的血管用“倒L型”电路结构代替，这种结构如图2所示。心脏部分结构如图3所示，左心与右心的结构相同，使用前人研究中表达式E(t)来表示可变电容C(t)上的电压，以模拟心脏的收缩和舒张，E(t)是电容的倒数，单位为mmHg/ml；用二极管代替心脏瓣膜，以模拟生理上该位置的血液单方向流动的特点；电阻Rla、Rlv分别表示左心房、左心室的血流阻力。Emax和Emin分别是心脏收缩舒张功能的最大值与最小值。En(tn)是一个随时间变化的弹性模量，tc为心动周期。将0D集中参数模型中上半身阻力连接至入口上腔静脉，下半身阻力连接至入口下腔静脉，入口肺主动脉连接至心脏模块，出口左右肺动脉连接至心脏模块，与3D模型相连的外周循环部分仍以0D集中参数模型表示，从而组成0D/3D耦合的几何多尺度模型。E(t)＝(Emax-Emin)·En(tn)+EminEn(tn)＝1.55[(tn/0.7)^1.9/(1+(tn/0.7)^1.9)][1/(1+(tn/1.17)^21.9)]tn＝t/tmax，tmax＝0.15tc+0.2步骤3具体为：参考文献设置0D集中参数模型中各模块的参数：血流阻力R、血管顺应性C、血液惯性L及心脏收缩舒张功能最大值Emax和最小值Emin；再调试各模块的参数使左右肺动脉压力均值分别为10mmHg、20mmHg、30mmHg，波峰处出现重搏波，而在左右肺动脉压力为不同值时，上腔静脉流量波形、下腔静脉流量波形、肺主动脉流量波形均稳定收敛，分别对应肺阻力为2Wood、3Wood、4Wood时的生理实际。调试参数的具体过程：首先调节Emax、Emin使得左、右心室压力波形的波峰达到正常值120mmHg和25mmHg，若左心室压力波形呈下降趋势，调大上半身与下半身循环的阻力，反之，调小各阻力值；若右心室压力波形呈下降趋势，则调大肺动脉阻力，反之，调小其值，使得心室压力波形稳定收敛；其次增大主动脉电容，使主动脉压力波形中波峰与波谷之间的压差增大，直至压差为40mmHg，增大肺动脉电容，使得肺动脉压力波形中波峰与波谷之间的压差增大，直至压差为20mmHg；然后调节各模块的电阻使各模块流量波形稳定收敛；最后增大肺动脉电感，使得肺动脉波形出现重搏波；在每一次调试中以增大或减少20％的比例改变上述参数。依据此时的参数将格式为“.x-t”的3D模型与0D集中参数模型出入口边界条件数据进行0D/3D耦合：首先在ANSYS-CFX中使用UserJunctionBoxRoutine程序块完成0D/3D模型初始化；其次在ANSYS-CFX前处理中对3D模型进行网格划分，并设置血液密度、血液粘度、流体类型本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于几何多尺度模型的一个半心室模型中奇静脉分流比的计算方法，奇静脉分流比定义为公式(1)，/n

【技术特征摘要】
1.一种基于几何多尺度模型的一个半心室模型中奇静脉分流比的计算方法，奇静脉分流比定义为公式(1)，



其特征在于，计算方法包括如下步骤：
1.1构建一个半心室的3D几何模型，它包含奇静脉、上下腔静脉、肺主动脉、左右肺动脉在内的真实3D模型，在下文中一个半心室模型统一称为3D模型；
1.2构建血液循环系统0D集中参数模型并建立0D/3D耦合的几何多尺度模型；
1.3对几何多尺度模型运用有限元分析，仿真不同肺阻力时一个半心室模型的血流动力学状况；提取奇静脉流量、上腔静脉流量和肺主动脉流量，由公式(1)计算得到奇静脉的分流比；提取不同肺阻力时奇静脉的壁面切应力，并与静脉系统承受的壁面切应力范围0.1-0.6Pa进行比较，从生物力学角度评价奇静脉分流比的合理性。


2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述的步骤1.1包括：
2.1将胸部CT图像导入Mimics中，利用三维重建方法得到“.stl”格式的3D模型，其中包括奇静脉、上下腔静脉、肺主动脉、左右肺动脉；
2.2再将2.1步骤得到的3D模型导入Freeform力反馈器的计算机辅助设计系统中，对模型不连续和存在突变的部分进行修饰，得到顺滑的3D模型；
2.3将2.2步骤后得到的3D模型导入Geomagic中进行曲面光滑操作，导出“.igs”格式的3D模型；
2.4将2.3步骤后得到的“.igs”格式的3D模型导入SolidWorks中，裁剪边界出入口，并将模型导出格式为“.x-t”的数据。


3.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述的步骤1.2包括：
3.1构建血液循环系统0D集中参数模型；它由心脏模块、肺动脉模块、主动脉模块、上半身阻力与上腔静脉构成上半身循环模块、下半身阻力与下腔静脉构成下半身循环模块以及奇静脉模块组成；
3.2将0D集中参数模型中上半身阻力连接至入口上腔静脉，下半身阻力连接至入口下腔静脉，入口肺主动脉连接至心脏模块，出口左右肺动脉连接至心脏模块，与3D模型相连的外周循环部分仍以0D集中参数模型表示，从而组成0D/3D耦合的几何多尺度模型。


4.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述的步骤1.3包括：
设置0D集中参数模型中各模块的参数：血流阻力R、血管顺应性C、血液惯性L及心脏收缩舒张功能最大值Emax和最小值Emin；再调试各模块的参数使左右肺动脉压力均值分别为10mmHg、20mmHg、30mmHg，波峰处出现重搏波，而在左右肺动脉压力为不同值时，上腔静脉流量波形、下腔静脉流量波形、肺主动脉流量波形均收敛，分别对应肺阻力为2Wood、3Wood、4Wood时的生理实际；
调试参数的具体过程：首先调节Emax、Emin使得左、右心室压力波形的波峰达到正常值120mmHg和25mmHg，若左心室...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔爱科，付言，王俊杰，程业阳，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11