CN104107039A - 一种无创性门静脉血流动力学参数测定方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种无创性门静脉血流动力学参数测定方法

技术领域

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

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。

有创性检测技术

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。

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。

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。

无创性检测技术

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。

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。

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。

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。

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

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。

本发明的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。

本发明采用医学影像控制软件MIMICS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：

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。

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。

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R_e=ρVD/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_e<2000时，流体处于层流状态；R_e>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1.05×10³kg/m³，流体粘度为0.0035。经计算，门静脉的雷诺数R_e=819<2000，故血液在门静脉中作层流运动。

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。

忽略重力的影响，我们可采用三维瞬态Navier-Stokes方程

$\frac{\&PartialD;\left(\mathrm{\&rho;u}\right)}{\&PartialD;t}+\mathrm{div}\left(\mathrm{\&rho;uu}\right)=\mathrm{div}\left(\mathrm{\&mu;}\mathrm{grad}u\right)-\frac{\&PartialD;p}{\&PartialD;x}+S_u$

$\frac{\&PartialD;\left(\mathrm{\&rho;v}\right)}{\&PartialD;t}+\mathrm{div}\left(\mathrm{\&rho;uu}\right)=\mathrm{div}\left(\mathrm{\&mu;}\mathrm{grad}u\right)-\frac{\&PartialD;p}{\&PartialD;x}+S_v$

$\frac{\&PartialD;\left(\mathrm{\&rho;w}\right)}{\&PartialD;t}+\mathrm{div}\left(\mathrm{\&rho;uu}\right)=\mathrm{div}\left(\mathrm{\&mu;}\mathrm{grad}u\right)-\frac{\&PartialD;p}{\&PartialD;x}+S_w$

式中，S_u,S_v,S_w是动量守恒方程的广义源项，S_u=F_x+s_x,S_v=F_y+s_y,S_w=F_z+s_z，而其中的s_x,s_y,s_z的表达式如下：

$s_x=\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;x}\left(\mathrm{\&mu;}\frac{\&PartialD;u}{\&PartialD;x}\right)+\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;y}\left(\mathrm{\&mu;}\frac{\&PartialD;v}{\&PartialD;x}\right)+\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;z}\left(\mathrm{\&mu;}\frac{\&PartialD;w}{\&PartialD;x}\right)+\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;x}\left(\mathrm{\&lambda;}\mathrm{div}u\right)$

$s_x=\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;x}\left(\mathrm{\&mu;}\frac{\&PartialD;u}{\&PartialD;y}\right)+\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;y}\left(\mathrm{\&mu;}\frac{\&PartialD;v}{\&PartialD;y}\right)+\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;z}\left(\mathrm{\&mu;}\frac{\&PartialD;w}{\&PartialD;y}\right)+\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;y}\left(\mathrm{\&lambda;}\mathrm{div}u\right)$

$s_z=\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;x}\left(\mathrm{\&mu;}\frac{\&PartialD;u}{\&PartialD;z}\right)+\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;y}\left(\mathrm{\&mu;}\frac{\&PartialD;v}{\&PartialD;z}\right)+\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;z}\left(\mathrm{\&mu;}\frac{\&PartialD;w}{\&PartialD;z}\right)+\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;z}\left(\mathrm{\&lambda;}\mathrm{div}u\right)$

其中λ是第二粘度，一般可取λ=-2/3。

通过上述可行性分析，本发明采用医学影像控制软件MIMICS和流体力学计算软件ANSYS建立三维门静脉模型，进而模拟计算出门静脉系统的血流动力学参数。

图1A-1C显示上述本发明方法的具体技术方案。

本发明方法步骤（1）中的构建肝门静脉三维几何模型具体包括：获得CT数据后导入MIMICS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MIMICS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（图1A）。

本发明方法的步骤（2）中三维数学模型的建立具体包括：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（密度和粘度），给定迭代计算的次数和控制精度等（图1B）。

本发明方法的步骤（3）是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。

在ANSYS的Flotran模块计算结束后，可获得门静脉及其分支的速度及压力三维分布效果图。由于本技术是在体外进行模拟，因此可利用不同二维平面，进行多角度截取模型，得到空间内任意平面的速度及压力分布，进而分析三维门静脉系统的血流运动情况。图1C中显示了门静脉系统的三维压力分布、门静脉矢状面压力（Ⅰ）和速度（Ⅱ）分布图和门静脉横断面压力（Ⅰ）和速度（Ⅱ）分布图。

图2显示将常规上腹部CT增强图像导入影像学控制软件MIMICS中，重建出的肝门静脉三维几何模型。图3显示运用流体力学计算软件ANSYS的有限元分析方法，将几何模型网格划分后建立出三维数学模型。

图4和图5分别显示通过设定离散的边界条件、求解控制参数、迭代次数和控制精度后，模拟肝门静脉的血流运动而获得的肝静脉压力梯度和门静脉压力和速度分布效果图。

发明的有益效果

本发明通过生理学、病理生理学与应用数学、流体力学的交叉联合，获得了一种安全无创、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。同时，还建立了一个能够为临床和科研服务的有效模型，将肝门静脉及其分支的压力分布有机地联系成一个整体。因此，本发明能够在很大程度上解决目前国内外对门静脉血流动力学评价的实际需要，较好地弥补了相关学科研究的不足。

本发明的“理工医”多学科交叉优势和创新性，还体现在以下五个方面：

(1)技术的新颖性：目前临床工作中用来评估门静脉压力的多为非特异性指标且很难量化。本项目利用交互式影像控制软件和有限元分析软件，在肝门静脉三维建模基础上进行血流动力学和流变学计算，获得客观量化的血流动力学指标。关于这方面的研究目前国内外尚未见报道。

(2)模型的完整性：目前国内外相关研究的主要不足在于局限于门静脉主干，很少涉及门脉系统的主要分支；局限于具体部位的有创性压力测定，而未建立整体的理论模型分析压力其分布。然而，一个有效的理论模型必须包含门静脉系统的主要属支，并正确反映每一分支的本构关系及其相互关联。本技术建立的模型，首次将肝门静脉及其分支的压力、速度等分布有机地联系成一个整体，从而更加深刻地反映出门静脉系统的血流运动情况。关于这方面的研究目前国内外尚未见报道。

(3)压力分布直观：目前直接测量门静脉压力的技术难度高、创伤大、容易发生严重的并发症；间接测定中又缺乏特异性和相关性较好的指标。本技术运用的三维重建模型，空间感强。利用有限元分析和流体力学方法计算出肝门静脉的压力分布图，从而使多轴向多角度分析血流运动成为了可能，并为外科术式的设计提供一定的依据。关于这方面的研究目前国内外尚未见报道。

(4)考虑门静脉系统速度分布：研究发现，门静脉系统的血流速度（大小及方向）与肝功能贮备、术式的选择、生存期长短有着密切的关系。然而，彩色多普勒超声对于速度的分析只能停留在二维平面，且对操作者的主观依赖性较强。本发明所述的方法可以得到三维肝门静脉系统中各个点的速度，从而模拟肝门静脉的血流运动情况。关于这方面的研究目前国内外尚未见报道。

(5)考虑血液流变学：与血液动力学相比，门静脉系统的血液流变学研究尚处于起步阶段。临床和实验室检查发现，血小板计数、白细胞等血液成分发生改变，以及血液黏度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，进而影响其血流动力学参数。本发明在模拟门静脉的流体力学运动和计算压力参数时，考虑了血液流变学改变对血流动力学的影响。关于这方面的研究目前国内外鲜见报道。

附图的简要说明

图1为技术路线图，其中图1A为利用薄层CT图像构建几何模型；图1B为利用血流运动相关特征建立数学模型；图1C为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。

图2为由影像学控制软件MIMICS重建出的肝门静脉三维几何模型。

图3为有限元网格构建三维数学模型示意图。

图4为肝静脉压力梯度示意图。

图5为肝门静脉压力梯度示意图。

图6为门静脉压力虚拟值（本发明方法所得值）与直接测定值的统计比较。

图7为门静脉压力虚拟值（本发明方法所得值）与直接测定值的相关性分析。

具体实施方式

以下用实施例对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。

实施例1建立几何模型

将GE Medical Systems工作平台中采集获得的CT增强图片，导出为dicom格式，层厚1.250mm，共计570层，图像分辨率512像素×512像素，像素尺寸0.797mm。图片导入到医学影像控制软件MIMICS中，软件自动计算生成门静脉系统的二维平面（冠状面、矢状面）合成图。根据血管与周围组织的CT值差异，通过阈值设定，提取出脂肪和肌肉等组织，再对研究范围进行限定，得到门静脉的初步三维模型。由于门静脉及其分支与周围组织较难在三维模型中直接分离，因此，利用MIMICS多层编辑操作，选定感兴趣区，同时删除研究范围之外的组织，重建出门静脉及其分支的模型。由于CT成像噪点多，生成的模型表面会产生较多空洞。因此，对所有冠状面或矢状面的断层图片再次进行手工填补像素，得到内腔封闭的实心门静脉模型。对模型进行光滑处理后，导出为ANSYS面参数文件。

实施例2建立数学模型

将几何模型导入到流体力学计算软件ANSYS的Flotran模块，生成体文件，建立数值模型。利用与血流方向垂直的平面截取血管模型得到入口和出口。根据有限元思想，运用三维四面体单元对血管内部进行网格划分，网格数共计848432个，计算节点150796个。为了得到门静脉系统的压力及速度分布，将三维血管模型进行局部网格加密，以提高计算精度。随后，设置离散的初始边界条件：1.血管壁处血流速度0cm/s；2.门静脉主干速度15.8cm/s；3.血管出口末端压力10mmHg。随后，给定求解方程所需的控制参数（血液粘滞度=4.90mpa·s，血液密度=1.05×10³kg/m³），设定计算迭代次数100。在计算过程中，实时监测解的收敛性。

实施例3速度和压力分布图的获得与分析

在ANSYS的Flotran模块计算结束后，可获得三维门静脉及其分支的速度及压力整体效果图。可以看出门静脉系统压力值从下端入口（肠系膜上静脉和脾静脉）至上端出口（门静脉末端入肝）逐渐减小。由于本发明为体外模拟技术，因此可以多角度旋转并观察压力分布。此外，我们利用垂直于门静脉的矢状面截取模型，可获得血管内部的速度及压力分布图。速度分布提示：从门静脉汇合至入肝处，血流速度因管径变细而逐渐增大；血管外侧壁的速度整体低于内侧壁，这与伯努利方程的基本原理相一致。压力分布提示：血管外侧壁的压力显著高于内侧壁。同时，利用多个横断面间断截取模型来动态观察血流运动的改变。在脾静脉与肠系膜上静脉汇合前横断面(aa’,bb’)处，由于血管无明显几何变形，压力分布较规则，速度分布呈现中心高外周低的抛物型；至静脉汇合(cc’)处，血管外侧壁压力开始升高，中心速度偏移向脾静脉侧；在门静脉主干断面(dd’,ee’)处，由于血管发生弯曲变形，压力分布表现为由内侧至外侧壁逐渐升高，速度偏移量也发生较明显改变。

实验例1

为了验证本发明方法的效果，我们共入组了11例对象。利用每组数据上腹部CT增强图片和彩色多普勒超声测得的门静脉血流速度模拟计算出虚拟门静脉压力；同时在手术中利用水柱法直接测定门静脉压力作为“金标准”。本发明方法所得虚拟值与直接测定值两组数据的统计结果见图6。进一步分析两组压力数据的相关性（r=0.748，p=0.008）如图7。统计结果表明，本发明涉及的新型门静脉压力虚拟检测技术具有较高的准确性。

Claims (6)

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MIMICS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MIMICS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。