[發明專利]一種基于幾何多尺度模型的一個半心室模型中奇靜脈分流比的計算方法

有效

• 申請號: 201910648183.0
• 申請日: 2019-07-18
• 公開（公告）號: CN110457765B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 喬愛科;付言;王俊杰;程業陽
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/28;G06T17/00;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

1.一種基于幾何多尺度模型的一個半心室模型中奇靜脈分流比的計算方法，奇靜脈分流比定義為公式(1)，

其特征在于，計算方法包括如下步驟：

1.1構建一個半心室的3D幾何模型，它包含奇靜脈、上下腔靜脈、肺主動脈、左右肺動脈在內的真實3D模型，在下文中一個半心室模型統一稱為3D模型；

1.2構建血液循環系統0D集中參數模型并建立0D/3D耦合的幾何多尺度模型；

1.3對幾何多尺度模型運用有限元分析，仿真不同肺阻力時一個半心室模型的血流動力學狀況；提取奇靜脈流量、上腔靜脈流量和肺主動脈流量，由公式(1)計算得到奇靜脈的分流比；提取不同肺阻力時奇靜脈的壁面切應力，并與靜脈系統承受的壁面切應力范圍0.1-0.6Pa進行比較，從生物力學角度評價奇靜脈分流比的合理性；

所述的步驟1.3包括：

設置0D集中參數模型中各模塊的參數：血流阻力R、血管順應性C、血液慣性L及心臟收縮舒張功能最大值Emax和最小值Emin；再調試各模塊的參數使左右肺動脈壓力均值分別為10mmHg、20mmHg、30mmHg，波峰處出現重搏波，而在左右肺動脈壓力為不同值時，上腔靜脈流量波形、下腔靜脈流量波形、肺主動脈流量波形均收斂，分別對應肺阻力為2Wood、3Wood、4Wood時的生理實際；

調試參數的具體過程：首先調節Emax、Emin使得左、右心室壓力波形的波峰達到正常值120mmHg和25mmHg，若左心室壓力波形呈下降趨勢，調大上半身與下半身循環的阻力，反之，調小各阻力值；若右心室壓力波形呈下降趨勢，則調大肺動脈阻力，反之，調小其值，使得左右心室壓力波形穩定收斂；其次增大主動脈電容，使主動脈壓力波形中波峰與波谷之間的壓差增大，直至壓差為40mmHg，增大肺動脈電容，使得肺動脈壓力波形中波峰與波谷之間的壓差增大，直至壓差為20mmHg；然后調節各模塊的電阻使各模塊流量波形穩定收斂；最后增大肺動脈電感，使得肺動脈波形出現重搏波；在每一次調試中以增大或減少20％的比例改變上述參數；

依據此時的參數將格式為“.x-t”的3D模型與0D集中參數模型出入口邊界條件數據進行0D/3D耦合：首先在ANSYS-CFX中使用User?Junction?Box?Routine程序塊完成0D/3D模型初始化；其次在ANSYS-CFX前處理中對3D模型進行網格劃分，并設置血液密度、血液粘度、流體類型、時間步長、計算時間，將從0D集中參數模型得到不同肺阻力時的上腔靜脈流量波形、下腔靜脈流量波形、肺主動脈流量波形以及左右肺動脈壓力波形作為3D模型的邊界條件；然后在ANSYS-CFX中對3D模型進行流體計算；與此同時進行流體計算的收斂性判定，即定義流體計算相鄰時間步之間3D模型中上腔靜脈流量、下腔靜脈流量、肺主動脈流量以及左右肺動脈壓力的誤差為殘差檢測項，當殘差小于0.0001時，計算結果收斂，繼續進行下一時間步的迭代計算直至指定時間，即三個心動周期2.4s，則仿真結束；如果殘差不小于預先設定值0.0001，則使用ANSYS-CFX中的User?CEL?Function函數將從3D模型計算中得到的上腔靜脈壓力、下腔靜脈壓力、肺主動脈壓力以及左右肺動脈流量作為0D集中參數模型計算的所缺項，使用User?Junction?Box?Routine程序塊完成0D集中參數模型計算，繼續進行此時間步的運算，直至收斂；

待計算完成后，在ANSYS-CFX后處理中，在奇靜脈中段垂直于血管縱軸方向上建立橫截面，分別提取奇靜脈流量、上腔靜脈流量和肺主動脈流量，按照公式(1)計算得到一個半心室模型中的奇靜脈分流比；提取奇靜脈的壁面切應力，從生物力學角度評價奇靜脈分流比的合理性，其合理性指標是奇靜脈的壁面切應力大于靜脈系統承受的壁面切應力范圍0.1-0.6Pa，且隨肺阻力增大，奇靜脈的壁面切應力與奇靜脈分流比正相關，二者均逐漸增大；對比奇靜脈的壁面切應力與計算所得的奇靜脈分流比，若符合前述指標，則合理；若肺阻力為4Wood時提取的奇靜脈壁面切應力小于肺阻力為2Wood時的壁面切應力，則肺阻力為4Wood時計算出的奇靜脈分流比是不合理的，這時將一個半心室模型中奇靜脈內徑增大5％后重復計算步驟1.3所述的內容；若肺阻力為2Wood時提取的奇靜脈壁面切應力大于肺阻力為4Wood時的壁面切應力，則肺阻力為2Wood時計算出的奇靜脈分流比是不合理的，這時將一個半心室模型中奇靜脈內徑減小5％后重復計算步驟1.3。