一种双向流固耦合的食道关键点力学动态重构方法技术

本发明专利技术涉及一种双向流固耦合的食道关键点力学动态重构方法，属于组织生物力学检测技术领域。该方法利用柔性充液式球囊、PVDF压电传感器、牵引导管、信号处理与控制终端等组成的系统来进行食道局部关键点应力检测；采集系统将在既定频率下获取反映球囊内部4个部位应力的微变压电矩阵，并带入组合应力场—PVDF压电场的计算模型中，最终实现多层次应力耦合场的食道关键点力学特性重构。本发明专利技术能够反应球囊位置下食道管腔4个节点的生物力学微变特性，特别是食道狭窄处的主动力学特性，可为食道高分辨测压、阻抗面积法下的管腔力学重构提供动态的力学参量，从而为食道动力功能病症诊断提供科学依据。断提供科学依据。断提供科学依据。

【技术实现步骤摘要】
一种双向流固耦合的食道关键点力学动态重构方法


[0001]本专利技术属于组织生物力学检测
，涉及一种双向流固耦合的食道关键点力学动态重构方法。

技术介绍

[0002]食道病症尤其是动力功能型病症发病率高且检测困难，食管内壁的生物力学特性的准确检测对于食道动力功能病症诊断有重要指导意义，但传统检测手段各有局限。例如基于内窥成像的胃食管检测手段侧重于食道的生物形态特征，主要针对于食管内壁组织粘膜病变检查，而食管拉网、蒸馏水灌注式测压等其他手段条件苛刻且局限性大。目前新兴的临床检测技术中，食道高分辨率测压(HRM)和功能性管腔成像探针(FLIP)以高精度的动态检测效果被逐渐接受，其中FLIP采用球囊阻抗面积与带内液压相结合的方式在形态学上重构球囊表面荷载，但其无法获取球囊动态微变下各组件的应力载荷与应变传递情况。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种双向流固耦合的食道关键点力学动态重构方法，通过柔性充液式球囊导管，测量球囊主动应变运动时囊内导管4个纵向剖面处的压力变化情况，实现基于组合应力场食道关键点力学特性重构。
[0004]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0005]一种双向流固耦合的食道关键点力学动态重构方法，具体为：采用食道关键点应力检测装置在食道局部关键点处进行应力检测，通过主动牵引检测装置的导管使球囊在食道内进行应变运动，同时通过检测装置中的PVDF压电传感器输出反映检测装置受力情况的时序压电矩阵，该矩阵被输入组合应力场
‑
PVDF压电场计算模型中计算出食道局部关键点对球囊的动态压力荷载，完成食道局部关键点的力学特性重构。
[0006]进一步地，食道关键点应力检测装置包括导管、球囊和柔性PVDF压电传感器。所述柔性PVDF压电传感器贴合在所述导管的前端部分；所述球囊完全封闭贴合有柔性PVDF压电传感器的导管的前端部分。
[0007]进一步地，检测装置中设有4个柔性PVDF压电传感器，用于分别采集不同食道关键点处的应力信号，输出4组时序压电信号，经处理后得到所述时序压电矩阵Y：
[0008][0009]式中，Y
a
、Y
b
、Y
c
和Y
d
分别表示4个PVDF压电传感器采集的信号，表示第一个PVDF压电传感器采集的第1帧至第n帧信号，同理，表示第2个PVDF压电传感器
采集的第1帧至第n帧信号，表示第3个PVDF压电传感器采集的第1帧至第n帧信号，表示第4个PVDF压电传感器采集的第1帧至第n帧信号。
[0010]进一步地，组合应力场
‑
PVDF压电场计算模型包括球囊腔体应变模型、囊内流场微变模型、导管前端弹性应变模型和球囊动态荷载重构的PVDF力电转换模型。
[0011]进一步地，球囊腔体应变模型用于计算球囊膜壁应力，分为圆筒应力计算和弧形囊壁应力计算；
[0012]所述圆筒应力计算如下式所示：
[0013][0014]式中，σ
m
表示轴向应力，σ
θ
表示环向应力，P表示瞬稳态下囊内液压，D表示球囊圆筒直径，S表示球囊圆筒横截面积；
[0015]所述弧形囊壁应力计算如下式所示：
[0016][0017]式中，σ
top
表示囊腔上端弧形壁应力，σ
bottom
表示囊腔下端弧形壁应力，R1和R2分别表示弧形囊壁范围内任意点的第一曲率半径和第二曲率半径，L表示弧形壁长度，δ表示球囊膜壁厚度，θ表示计算截角，V表示囊内液体体积，ρ表示液体密度，g表示重力加速度。
[0018]进一步地，囊内流场微变模型用于计算球囊腔体内流体的应力，结合球囊腔体壁应力计算结果，可计算圆筒球囊壁轴向应变与环向应变。
[0019]所述圆筒球囊壁应变与其球囊应力间的关系如下式所示：
[0020][0021]式中，E为球囊材料的杨氏模量，v为球囊材料的泊松比；
[0022]根据静态Navier
‑
Stokes方程导出压电传感器表面的流体剪应力，所述压电传感器表面的流体剪应力计算如下式所示：
[0023][0024]式中，P为流体压力分布，μ为流体动力粘度，为梯度算子，u为流体速度场，K为体
积模量，τ
turb
为流体剪应力，y为垂直于软管表面的方向，表示在软管表面上计算该导数值。
[0025]进一步地，导管前端弹性应变模型用于计算检测装置在应变过程中发生的弹性应变引起的导管内应力，弹性应变分为轴向拉伸应变和弯曲应变，计算方式如下：
[0026][0027]式中，F
N(拉伸)
表示轴向拉伸应变下的轴向恒定拉力，A表示导管横截面积，M
Z
表示使导管发生弯曲应变时外力加载在平面上的弯矩，y
max
表示纵向最大形变值，I
Z(弯曲)
表示导管对于横截面上Z轴的截面惯性矩。
[0028]进一步地，球囊动态荷载重构的PVDF力电转换模型用于计算PVDF薄膜材料表面的应力转化的输出电压值，PVDF薄膜表面应力为导管应力与囊内流体剪切力线性叠加，计算方式如下：
[0029][0030]式中，σ
PVDF
表示PVDF薄膜表面应力，s表示单个PVDF薄膜表面积，g
31
表示电压常数形式的传感器压电系数，V
out
表示压电传感器理论输出电压。
[0031]本专利技术的有益效果在于：本专利技术通过球囊动态微变下各组件的应力载荷与应变传递情况，反应出球囊位置下食道管腔4个节点的生物力学微变特性，特别是食道狭窄处的主动力学特性，可为食道高分辨测压、阻抗面积法下的管腔力学重构提供动态的力学参量，从而为食道动力功能病症诊断提供科学依据。
[0032]本专利技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本专利技术的实践中得到教导。本专利技术的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0033]为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作优选的详细描述，其中：
[0034]图1为本专利技术检测装置及其系统架构示意图，(a)为球囊结构示意图，(b)为系统架构示意图；
[0035]图2为多层次流固耦合应力场示意图，(a)为球囊膜壁应力荷载和应变示意图，(b)为囊内流体应变示意图，(c)为导管应力荷载和应变示意图；
[0036]图3为食道关键点力学特性重构框架；
[0037]图4为PVDF传感单元应变输出模型。
具体实施方式
[0038]以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双向流固耦合的食道关键点力学动态重构方法，其特征在于：该方法具体为：采用食道关键点应力检测装置在食道局部关键点处进行应力检测，通过主动牵引检测装置的导管使球囊在食道内进行应变运动，同时通过检测装置中的PVDF压电传感器输出反映检测装置受力情况的时序压电矩阵，该矩阵被输入组合应力场
‑
PVDF压电场计算模型中计算出食道局部关键点对球囊的动态压力荷载，完成食道局部关键点的力学特性重构。2.根据权利要求1所述的食道关键点力学动态重构方法，其特征在于：所述食道关键点应力检测装置包括导管、球囊和柔性PVDF压电传感器；所述柔性PVDF压电传感器贴合在所述导管的前端部分；所述球囊完全封闭贴合有柔性PVDF压电传感器的导管的前端部分。3.根据权利要求1所述的食道关键点力学动态重构方法，其特征在于：通过4个柔性PVDF压电传感器分别检测不同食道关键点处的压力荷载，输出4组时序压电信号，经处理后得到所述时序压电矩阵Y：式中，Y
a
、Y
b
、Y
c
和Y
d
分别表示4个柔性PVDF压电传感器采集的信号。4.根据权利要求1所述的食道关键点力学动态重构方法，其特征在于：组合应力场
‑
PVDF压电场计算模型包括球囊腔体应变模型、囊内流场微变模型、导管前端弹性应变模型和球囊动态荷载重构的PVDF力电转换模型。5.根据权利要求4所述的食道关键点力学动态重构方法，其特征在于：所述球囊腔体应变模型用于计算球囊膜壁应力，分为圆筒应力计算和弧形囊壁应力计算；所述圆筒应力计算如下式所示：式中，σ
m
表示轴向应力，σ
θ
表示环向应力，P表示瞬稳态下囊内液压，D表示球囊圆筒直径，S表示球囊圆筒横截面积；所述弧形囊壁应力计算如下式所示：式中，σ
top
表示囊腔上端弧形壁应力，...

【专利技术属性】
技术研发人员：冉鹏，李闽氚，焦追追，刘薇，赖映兵，王伟，田健，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：