公开/公告号CN114970381A
专利类型发明专利
公开/公告日2022-08-30
原文格式PDF
申请/专利权人 常州市第二人民医院;
申请/专利号CN202111615199.5
申请日2021-12-27
分类号G06F30/28(2020.01);G06F113/08(2020.01);G06F119/14(2020.01);
代理机构南通毅帆知识产权代理事务所(普通合伙) 32386;
代理人张莉莉
地址 213000 江苏省常州市兴隆巷29号
入库时间 2023-06-19 16:34:57
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2022-09-16
实质审查的生效 IPC(主分类):G06F30/28 专利申请号:2021116151995 申请日:20211227
实质审查的生效
技术领域
本发明涉及左室附壁血栓研究技术领域，具体涉及一种运用CFD技术模拟左室附壁血栓血流动力学特征的方法。
背景技术
左室附壁血栓，作为一种临床上凶险的疾病，常伴随系统性栓塞，例如：脑卒中、肾梗死等。临床发病具有很高的致死率、致残率。受限于样本量，目前的临床研究大多为个案报道或血栓形成的高危因素预测。另一方面，由于统计效能过低，无法对于血栓的临床特征进行进一步的相关因素分析。
左室附壁血栓，常见的处理方式为抗凝，但这样的病人往往需要同时抗血小板，联合应用出血风险较大。通过对血栓形成后的不同状态的模拟，高效真实地识别出高危易脱落血栓，在临床工作中显得更为重要。
目前，采用CFD软件开展的左室模拟仿真，大多采用规则的几何模型，或者用动物模型，未能结合患者实时流速参数，与真实的患者情况相差甚远，难以准确地预测血栓脱落的风险，难以用于定量分析、判断。
另外，心脏CT较心脏MRI，在基层医院普遍开展，图像成像效果佳，操作简便，完成时间短，应用人群广泛，作为心脏模拟影像资料，可靠便捷。
为此，提出一种基于CFD技术模拟左室附壁血栓血流动力学特征的方法。
发明内容
针对背景技术中提及的主要问题，本发明旨在提供一种运用CFD技术模拟左室附壁血栓血流动力学特征的方法，基于患者心脏增强CT，建立个体相关的数值仿真模型，通过心超实时测量血流动力学参数，运用CFD软件模拟血流动力行为，获得患者个体化左室附壁血栓所受血流动载荷，进而实现准确预测血栓脱落的风险的目的，以解决背景技术中提到的问题。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种运用CFD技术模拟左室附壁血栓的血流动力学特征的方法，包括如下步骤：
步骤一：根据患者心脏增强CT数据及影像资料，通过CAE软件建立心脏几何模型，并将血栓位置、形态以及个数因素复现于几何模型，采用四面体网格，对计算区域进行网格划分，得到离散化模型；
步骤二：将离散化模型导入ADINA软件，流场入口采用速度边界，根据心超结果确定入流边界血流速度，心室壁采用ADINA专用边界的MOVING WALL边界，根据心超结果建立心室壁在一个周期内的运动数据；
步骤三：在保持边界条件及荷载条件下，对于不同血栓因素对应的心脏模型进行动力学仿真，获取不同心脏模型血流的运动特征和血栓的受力特征，得到周围血流场作用于血栓的压应力和切应力，通过数值积分，获得血栓受到的法向和切向血流荷载，进而评估不同血栓因素对应心脏模型的血栓脱落风险。
上述的一种运用CFD技术模拟左室附壁血栓的血流动力学特征的方法，其中，所述步骤一采用控制变量的方式控制变量的唯一性。
上述的一种运用CFD技术模拟左室附壁血栓的血流动力学特征的方法，其中，所述控制变量包括考虑血栓位置以及个数的时候，假设血栓的形态一致。
上述的一种运用CFD技术模拟左室附壁血栓的血流动力学特征的方法，其中，所述控制变量还包括考虑血栓形态的时候，假设血栓的位置以及个数一致。
上述的一种运用CFD技术模拟左室附壁血栓的血流动力学特征的方法，其中，所述控制变量还包括假设血栓的形态可以由直径与高度进行确定，避免血栓复杂边界对于分析结果的干扰。
上述的一种运用CFD技术模拟左室附壁血栓的血流动力学特征的方法，其中，所述控制变量还包括对于平底与尖顶血栓，做定性分析，主要分析仿真条件不变情况下，平底、尖顶以及正常血栓对应心脏模型的血流的运动特征和血栓的受力特征。
上述的一种运用CFD技术模拟左室附壁血栓的血流动力学特征的方法，其中，所述步骤一的整个建模过程在catia中进行，对于单个血栓，以血栓的形态参数确认血栓的外形特征，通过几何建模的方式将其附着于心脏壁面对应位置，同时将模型以x_t的形式导出到ADINA中，利用布尔运算的方式获取内部的流场信息；对于不同个数的血栓，在心脏壁面对应的不同位置重复上述的操作过程的操作。
综上所述，本发明主要具有以下有益效果：
本发明提供的运用CFD技术模拟左室附壁血栓血流动力学特征的方法，以真实患者的心脏增强CT为模型，心超的血流动力学参数确定边界条件，运用CFD的手段模拟血流动力学，从而探讨患者个体化左室附壁血栓患者血栓的血流动力学状态发生脱落概率，进而实现定量预测血栓脱落风险的目的。
附图说明
图1是心超下左室附壁血栓的患者的影像图；
图2是增强CT下同一左室附壁血栓的患者的影像图；
图3是3D三维重建左室附壁血栓的模型图，阴影部分为血栓；
图4是实时该患者收缩期主动脉瓣流速峰值影像图，测量患者收缩起始（主动脉瓣即将打开），收缩中期（主动脉瓣完全打开），收缩末期（主动脉瓣关闭）三个节点的血流速度及时间；
图5是患者收缩期起始，主动脉瓣即将打开时患者的CFD图；
图6是患者收缩中期，主动脉瓣完全打开时患者的CFD图；
图7是患者收缩末期，主动脉瓣关闭时患者的CFD图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考图1-图7，一种运用CFD技术模拟左室附壁血栓的血流动力学特征的方法，包括如下步骤：
步骤一：根据患者心脏增强CT数据及影像资料，通过CAE软件建立心脏几何模型，并将血栓位置、形态以及个数因素复现于几何模型，采用四面体网格，对计算区域进行网格划分，得到离散化模型；
步骤二：将离散化模型导入ADINA软件，流场入口采用速度边界，根据心超结果确定入流边界血流速度，心室壁采用ADINA专用边界的MOVING WALL边界，根据心超结果建立心室壁在一个周期内的运动数据；
步骤三：在保持边界条件及荷载条件下，对于不同血栓因素对应的心脏模型进行动力学仿真，获取不同心脏模型血流的运动特征和血栓的受力特征，得到周围血流场作用于血栓的压应力和切应力，通过数值积分，获得血栓受到的法向和切向血流荷载，进而评估不同血栓因素对应心脏模型的血栓脱落风险。
具体的，在本实施例中，其中，步骤一采用控制变量的方式控制变量的唯一性。
具体的，在本实施例中，其中，控制变量包括考虑血栓位置以及个数的时候，假设血栓的形态一致。
具体的，在本实施例中，其中，控制变量还包括考虑血栓形态的时候，假设血栓的位置以及个数一致。
具体的，在本实施例中，其中，控制变量还包括假设血栓的形态可以由直径与高度进行确定，避免血栓复杂边界对于分析结果的干扰。
具体的，在本实施例中，其中，控制变量还包括对于平底与尖顶血栓，做定性分析，主要分析保证分析条件相同的情况下，平底、尖顶以及正常血栓对应心脏模型的血流的运动特征和血栓的受力特征。
具体的，在本实施例中，其中，步骤一的整个建模过程在catia中进行，对于单个血栓，以血栓的形态参数确认血栓的外形特征，通过几何建模的方式将其附着于心脏壁面对应位置，同时将模型以x_t的形式导出到ADINA中，利用布尔运算的方式获取内部的流场信息；对于不同个数的血栓，在心脏壁面对应的不同位置重复上述的操作过程的操作。
工作原理：
（1）前期预实验部分，结合医学影像以及有限元方法开展了不同血栓形态的心脏以及其血液运动规律的研究。采用计算机建立了不同血栓形态的心脏模型，并结合医学影像获取了一个连续运动周期内任意时刻心脏对应位置的血流压力以及流速作为CAE分析的边界条件。评估压力以及血液流通状态对于血栓的影响。
研究结合CT扫描建立了不同血栓状态的心脏模型，通过AIDNA软件开展相关心脏模型的CFD分析，以求解血流运动的Navier-Stokes方程。为了使得分析数据具备有效性，在研究初期针对网格密度对于结果的收敛性进行了探讨。整个心室采用1 mm的尺寸进行网格划分，入流边界尺寸较小且为重点关注对象，采用0.5 mm的尺寸进行网格的划分。为更好的表征流体的运动特性，研究采用四面体单元生成网格。血液密度取1.05e-009ton/mm^3，运动粘度为3.5e-009Mpa.s，为了使得CAE分析与实际更为吻合，研究考虑了血液的可压缩性，并将其体积模量设置为2GPa，同时在整个分析过程中考虑重力对于分析结果的影响，并取重力加速度为9800mm/s^2。为了更好描述压缩期左心室的血流运动状态，研究获取了一个完整收缩期出口位置的压力变化状态以及速度变化状态，并将其作为CAE分析过程中的加载边界条件；对于血液周围心室壁所包围的区域，通过运动边界表征心室壁运动，整个仿真计算采用ADINA软件实施，对于流体区域选择瞬态分析，迭代方式采用欧拉迭代，对于一个周期T，按照T/100进行时间步长的划分以确保分析的精度与效率。
（2）模拟不同的血栓状态，如血栓的大小、形态、部位，来模拟分析不同血栓状态下的心脏压力分布特征以及血液流动特征，以评估压力以及血液流通状态对于血栓的影响。试图在此模型的基础上分析归纳对于该病人，血栓的何种状态时容易脱落（因为血栓的状态是一个动态的过程，需要动态随访）
综上：
本发明提供的运用CFD技术模拟左室附壁血栓的血流动力学特征的方法具备如下技术效果：
根据每个病人的真实心脏情况，增强CT图像，实时心超指数模拟，根据已经有血栓的患者，模拟血栓的不同状态（大小、部位、个数等）模拟不同状态下同一患者的血流动力学改变，从而实现准确预测血栓脱落的风险的目的。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
机译： 基于CAD技术定位用于定位光纤探头的光纤探针，血流动力学血流动力学和氧气制度的血流动力学诊断
机译： 流变学单元，用于研究左室和主动脉瓣血流动力学
机译： 该设备通过流经通道的抗凝剂血流监测血栓的形成，该通道模拟花瓶的血流，同时释放抗凝治疗或促进血液凝结，还提供了监测血栓形成的方法
