[發(fā)明專利]一種基于幾何多尺度模型的一個(gè)半心室模型中奇靜脈分流比的計(jì)算方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910648183.0
• 申請日: 2019-07-18
• 公開（公告）號: CN110457765B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 喬愛科;付言;王俊杰;程業(yè)陽
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 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(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

本發(fā)明是一種基于幾何多尺度模型的一個(gè)半心室模型中奇靜脈分流比的計(jì)算方法，屬于血流動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬領(lǐng)域。本發(fā)明利用0D/3D耦合的幾何多尺度模型進(jìn)行血流動(dòng)力學(xué)有限元分析，獲得奇靜脈分流比，這是一種新方法。本發(fā)明的一個(gè)半心室模型以3D模型表示，與其相連的外周循環(huán)部分以0D集中參數(shù)模型表示，從而組成0D/3D結(jié)合的幾何多尺度模型。對0D/3D耦合模型運(yùn)用有限元分析，模擬不同肺阻力時(shí)一個(gè)半心室模型的血流動(dòng)力學(xué)狀況。待計(jì)算完成后，在ANSYS?CFX后處理中，通過定義表達(dá)式來計(jì)算奇靜脈分流比；還可以提取奇靜脈的壁面切應(yīng)力，從生物力學(xué)角度評價(jià)奇靜脈分流比的合理性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明提供了一種基于幾何多尺度模型的一個(gè)半心室模型中奇靜脈分流比的計(jì)算方法，其定義為公式(1)，

屬于血流動(dòng)力學(xué)計(jì)算領(lǐng)域。

背景技術(shù)

研究一個(gè)半心室模型中奇靜脈的分流比對于認(rèn)識右心無效循環(huán)十分重要。而縱觀大多數(shù)研究均是基于超聲、磁共振成像方式得到奇靜脈分流比。這種方法通過成像設(shè)備雖然能快速得到各血管的流速，但儀器本身有一定誤差；其次對患者來說醫(yī)療花費(fèi)較大，有些病人也不適于進(jìn)行磁共振操作。現(xiàn)采用幾何多尺度模型，利用有限元分析，既可以改變3D模型中奇靜脈的內(nèi)徑，又能方便地通過調(diào)節(jié)0D集中參數(shù)模型的各部分參數(shù)(如血流阻力R、血管順應(yīng)性C、血液慣性L等)，來模擬不同肺阻力的實(shí)際生理，從而直觀地觀察3D模型內(nèi)部的血液流動(dòng)狀況。在ANSYS-CFX后處理中可以方便地提取奇靜脈流量、上腔靜脈流量和肺主動(dòng)脈流量，依據(jù)公式(1)計(jì)算出奇靜脈分流比；此外還可以提取奇靜脈的壁面切應(yīng)力，從生物力學(xué)角度評價(jià)計(jì)算所得的奇靜脈分流比。

幾何多尺度建模是一種特殊的仿真血液循環(huán)系統(tǒng)的策略，本發(fā)明采用的是0D/3D耦合模型，其中3D模型是由CT圖像重建的一個(gè)半心室模型，用來模擬感興趣的局部流場細(xì)節(jié)，而0D集中參數(shù)模型是由R、C、L三元件組成的電路結(jié)構(gòu)，用來仿真外周的血液循環(huán)系統(tǒng)。這種模型可以避免固定邊界所帶來的不良影響。

0D/3D耦合算法，它的重點(diǎn)在于0D集中參數(shù)模型與3D模型之間的數(shù)據(jù)交換。具體來說，0D集中參數(shù)模型為3D模型入口處提供流量波形邊界，出口處提供壓力波形邊界，此時(shí)3D模型便可以在計(jì)算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬軟件中進(jìn)行流場計(jì)算，3D模型計(jì)算得到的入口的壓力值與出口的流量值返回到0D集中參數(shù)模型。耦合算法中每個(gè)3D模型計(jì)算時(shí)間步進(jìn)行一次數(shù)據(jù)交換，同時(shí)進(jìn)行殘差檢測。通常定義3D模型出口壓力和入口流量在不同時(shí)間步之間的誤差作為殘差檢測項(xiàng)。當(dāng)殘差小于預(yù)先設(shè)定值時(shí)認(rèn)為計(jì)算結(jié)果收斂，仿真結(jié)束，具體流程如圖1所示。

ANSYS公司的ANSYS-CFX是CFD的仿真軟件，它的前、后處理和流體計(jì)算較為完善。但想要實(shí)現(xiàn)0D/3D耦合模型流體計(jì)算，不僅需要掌握0D/3D耦合算法，還需了解ANSYS-CFX的二次開發(fā)、內(nèi)存管理及多進(jìn)程計(jì)算。以User?CEL?Function函數(shù)和User?Junction?BoxRoutine程序塊兩種形式應(yīng)用于CFX的3D模型計(jì)算之中。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出的一種基于幾何多尺度模型的一個(gè)半心室模型中奇靜脈分流比的計(jì)算方法，使用計(jì)算機(jī)仿真一個(gè)半心室模型的血流動(dòng)力學(xué)狀況。相較于常用的超聲、磁共振成像方法，本發(fā)明的計(jì)算方法可以方便地改變奇靜脈的內(nèi)徑，使用0D/3D耦合的算法，實(shí)現(xiàn)不同肺阻力時(shí)循環(huán)系統(tǒng)的仿真；還可以通過奇靜脈的壁面切應(yīng)力來評價(jià)奇靜脈分流比的合理性。

一種基于幾何多尺度模型的一個(gè)半心室模型中奇靜脈分流比的計(jì)算方法，包括如下步驟：

1.構(gòu)建一個(gè)半心室的3D模型；

2.構(gòu)建血液循環(huán)系統(tǒng)0D集中參數(shù)模型并建立0D/3D耦合模型的幾何多尺度模型；