一種虛擬肝靜脈壓力梯度的測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于早期無創(chuàng)性診斷領(lǐng)域，涉及一種虛擬肝靜脈壓力梯度的測(cè)量方法。本發(fā)明所述的一種虛擬肝靜脈壓力梯度的測(cè)量方法包括：肝靜脈?門靜脈系統(tǒng)三維建模；有限元網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)學(xué)模型；以及流體力學(xué)仿真計(jì)算虛擬肝靜脈壓力梯度(vHVPG)。本發(fā)明優(yōu)化并完善肝靜脈?門靜脈系統(tǒng)三維建模、有限元網(wǎng)格劃分和流體力學(xué)仿真計(jì)算，構(gòu)建并驗(yàn)證一種更具診斷優(yōu)勢(shì)的vHVPG檢測(cè)新技術(shù)，為門脈高壓患者的早期無創(chuàng)診斷提供一種安全無創(chuàng)、準(zhǔn)確量化的新途徑。
【專利說明】
-種虛擬肝靜脈壓力梯度的測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于早期無創(chuàng)性診斷領(lǐng)域，設(shè)及一種虛擬肝靜脈壓力梯度的測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在全球范圍內(nèi)，肝臟疾病(病毒性感染、酒精性肝病、非酒精性脂肪肝及相關(guān)的肝 硬化、肝細(xì)胞肝癌）是導(dǎo)致死亡的主要原因之一，僅在中國(guó)肝臟疾病就威脅了近3億人的健 康和生命，嚴(yán)重加劇了全球疾病的負(fù)擔(dān)。W乙型肝炎病毒感染引起的慢性肝病為例，據(jù)世界 衛(wèi)生組織報(bào)道，全球約20億人曾感染乙肝病毒，其中2.4億人為慢性乙肝病毒感染者，每年 約有65萬人死于乙肝病毒感染所致的肝硬化、肝細(xì)胞肝癌等。在全球肝硬化患者中，由乙肝 病毒感染引起的為30%。而在我國(guó)，由于感染乙肝病毒而導(dǎo)致的肝硬化比例高達(dá)60%。因 此，肝硬化的高發(fā)病率和較差的臨床結(jié)局已造成了國(guó)內(nèi)外嚴(yán)重的社會(huì)公共健康問題。
[0003] 口脈高壓是肝硬化失代償期的重要表現(xiàn)之一，由于其本身并無癥狀，臨床上口脈 高壓的發(fā)現(xiàn)和診斷常由于出現(xiàn)晚期嚴(yán)重的并發(fā)癥，如：急性靜脈曲張破裂出血、頑固性腹 水、肝性腦病、Π 脈高壓性胃腸病、肝腎綜合癥、肝肺綜合癥和繼發(fā)感染等。因此，Π 脈高壓 及其并發(fā)癥嚴(yán)重影響了肝硬化患者的生活質(zhì)量和長(zhǎng)期預(yù)后，對(duì)于口脈高壓(尤其是早期無 癥狀性口脈高壓）的診斷和監(jiān)測(cè)是肝硬化等終末期肝病治療鏈中最重要的環(huán)節(jié)之一。
[0004] 在最新的2015版Baveno VI共識(shí)（Π 脈高壓的風(fēng)險(xiǎn)分層和個(gè)體化管理）中，有創(chuàng)性 肝靜脈壓力梯度化epatic venous pressure gradient,HVPG)的測(cè)量繼續(xù)被推薦為診斷臨 床顯著性口脈高壓的金標(biāo)準(zhǔn)，即HVPG>10mmHg可確診（de Franchis R#*,Baveno VI Faculty.Expanding consensus in portal hypertension:Report of the Baveno VI Consensus 胖orkshop:Str曰tifying risk 曰nd individu曰lizing c曰re for port曰1 hypertension. J Hepatol. 2015 ;63(3): 743-752.)。該侵襲性方法是通過頸內(nèi)靜脈穿刺置 管，依次經(jīng)過頸內(nèi)靜脈、上腔靜脈、右屯、房、下腔靜脈進(jìn)入肝靜脈，分別測(cè)量肝靜脈自由壓 (free hepatic venous pressure,FHVP)和肝靜脈模入壓（wedged hepatic venous pressure,WHVP)，計(jì)算兩者差值得到HVPG[Bloom S#,Kemp W,Lubel J*.Po;rtal hypertension:pathophysiology.diagnosis and management. Intern Med J.2015:45 (1): 16-26.]。此外，HVPG對(duì)于治療應(yīng)答、并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)和長(zhǎng)期預(yù)后也可提供重要信息，其數(shù)值 的變化被推薦為研究預(yù)后的替代指標(biāo)。此外，HVPG測(cè)量還被鼓勵(lì)用于研究口脈高壓創(chuàng)新診 斷和治療方法的臨床試驗(yàn)中。然而，測(cè)量HVPG也存在一些問題，首先其檢測(cè)手段為有創(chuàng)性， 在口脈高壓早期尚無嚴(yán)重并發(fā)癥時(shí)很難被患者所接受;其次，測(cè)量過程需由經(jīng)過專業(yè)化培 訓(xùn)的介入醫(yī)生在肝靜脈造影的輔助下進(jìn)行，運(yùn)不但增加了受試者的射線暴露和造影劑過敏 可能，還存在有一定的技術(shù)操作風(fēng)險(xiǎn);加之其高昂的診斷費(fèi)用，HVPG測(cè)定在我國(guó)受到很大限 審IJ，目前僅有部分Ξ級(jí)甲等醫(yī)院開展。除此之外，Π 脈高壓的有創(chuàng)性診斷技術(shù)還包括:超聲 引導(dǎo)下口脈穿刺測(cè)壓和開腹手術(shù)中直接口脈測(cè)壓[de Franchis R#*,Dell'Era A. Invasive and noninvasive methods to diagnose portal hypertension and eso地ageal varices.Clin Liver Dis.2014;18(2):293-302.]。然而，直接測(cè)量口脈壓力 的風(fēng)險(xiǎn)更大、對(duì)操作者的技術(shù)水平要求也更高，在臨床實(shí)踐中很難被醫(yī)生和患者所采納，目 前仍多用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)性研究。
[0005] 口脈壓力的無創(chuàng)性評(píng)估是目前該領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容，主要包括W下Ξ個(gè)方面： (1)檢測(cè)肝內(nèi)阻力:肝內(nèi)阻力增加是導(dǎo)致口脈高壓形成的重要因素。內(nèi)源性縮血管物質(zhì)的釋 放和肝組織結(jié)構(gòu)的素亂可促使肝內(nèi)阻力的顯著升高。有研究提示，血清內(nèi)皮素-1表達(dá)水平 與HVPG存在相關(guān)性，但該結(jié)論尚缺乏大樣本量臨床試驗(yàn)的支持。另一方面，肝內(nèi)機(jī)械結(jié)構(gòu)的 改變也會(huì)導(dǎo)致肝內(nèi)阻力增加，臨床上多采用肝瞬時(shí)彈性成像(門broScan)技術(shù)，通過對(duì)肝臟 硬度值的測(cè)定來評(píng)估肝硬化程度，該方法操作簡(jiǎn)便、重復(fù)性好。但也有報(bào)道指出，門broScan 的診斷準(zhǔn)確性受到肥胖、肋間隙狹窄、炎癥等因素干擾，對(duì)口脈高壓并發(fā)癥(如高風(fēng)險(xiǎn)食管 靜脈曲張)的預(yù)測(cè)價(jià)值不高，需聯(lián)合其他無創(chuàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合判斷。（2)測(cè)定口脈循環(huán)血量：Π 脈高壓的直接因素為循環(huán)血量的積聚升高超過了機(jī)體的代償，當(dāng)肝硬化伴發(fā)重度口脈高壓 時(shí)，屯、輸出量也會(huì)明顯升高且與HVPG存在高度相關(guān)性。有研究利用彩色多普勒超聲(color Doppler ulhasound ,CDUS)對(duì)肝硬化患者的口脈直徑和血流速度進(jìn)行測(cè)定，在此基礎(chǔ)上計(jì) 算口脈系統(tǒng)的循環(huán)血量。然而，CDUS測(cè)量技術(shù)的主觀性較強(qiáng)且易受到肥胖等因素干擾，尚無 準(zhǔn)確的臨床證據(jù)表明經(jīng)血流速度和口脈直徑計(jì)算的口脈壓力與HVPG具有較高的診斷一致 性。此外，CT血管成像(CT angiogra地y，CTA)和磁共振靜脈顯像也可W評(píng)估口脈系統(tǒng)的循 環(huán)血量。然而，其測(cè)定原理仍是基于口脈直徑和側(cè)枝循環(huán)來間接評(píng)價(jià)口脈壓力。（3)仿真計(jì) 算口脈壓力:虛擬仿真技術(shù)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、醫(yī)學(xué)圖像處理、軟件工程計(jì)算等多學(xué)科交叉融 合的結(jié)晶。W計(jì)算機(jī)仿真輔助醫(yī)學(xué)影像獲得的虛擬人體數(shù)據(jù)為疾病的介入診斷和治療提供 了全新的思路。目前已有多項(xiàng)國(guó)際前瞻性臨床試驗(yàn)表明，基于CTA和流體力學(xué)計(jì)算獲得的血 流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)對(duì)于冠狀動(dòng)脈的功能性狹窄具有高度診斷價(jià)值，相關(guān)仿真計(jì)算軟件也已獲得美 國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局的上市批準(zhǔn)。
[0006] 口脈壓力的各種測(cè)定技術(shù)目前仍受到各自干擾因素的影響，或者有創(chuàng)風(fēng)險(xiǎn)大、操 作難度高，或者干擾因素多、數(shù)值變異大。此外，國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域研究的主要問題還表現(xiàn)在:評(píng) 估范圍局限于口脈主干，未考慮肝靜脈-Π 靜脈系統(tǒng)的整體影響;僅考慮到口脈血液動(dòng)力學(xué) 因素，忽略了肝硬化患者的血液流變學(xué)改變，如血液黏度的變化和紅細(xì)胞變形能力的降低 都會(huì)促使口脈阻力的升高。
[0007] 目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)報(bào)道中，口脈高壓的診斷方法，特別是早期無創(chuàng)性診斷技術(shù)，仍有 待進(jìn)一步研究完善。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種虛擬肝靜脈壓力梯度的測(cè)量方法，W此為基礎(chǔ)可W構(gòu) 建一種更具診斷優(yōu)勢(shì)的虛擬肝靜脈壓力梯度檢測(cè)新技術(shù)，為口脈高壓患者的早期無創(chuàng)診斷 提供一種新的途徑。
[0009] 本發(fā)明所述的一種虛擬肝靜脈壓力梯度的測(cè)量方法，包括W下步驟：
[0010] A.從標(biāo)本的肘正中靜脈注射造影劑，進(jìn)行CT血管成像(CTA)，獲取包括肝靜脈期在 內(nèi)的CTA圖層序列，導(dǎo)出圖層序列，格式為dicom,層厚1.25mm，圖像分辨率512 X 512像素；
[0011] B.將所獲取的CTA圖層序列導(dǎo)入醫(yī)學(xué)影像控制軟件MIMICS,選擇肝靜脈期圖層序 列，設(shè)置圖像序列的方位，MIMICS軟件自動(dòng)識(shí)別圖像序列，生成肝靜脈期CTA圖像序列的冠 狀位、矢狀位和水平位圖像；
[001^ C.尋找圖像中的肝靜脈-Π 靜脈系統(tǒng)（目標(biāo)），利用MIMICS軟件的Τ'虹esholding(闊 值算法)工具，W盡量包含目標(biāo)的CT值、盡量排除臨近目標(biāo)的周圍肝臟等軟組織的CT值為原 貝1J，設(shè)定闊值范圍，W提取目標(biāo);利用MIMICS軟件的Region growing(區(qū)域增長(zhǎng))工具，選定 目標(biāo)，W提取只與目標(biāo)在空間結(jié)構(gòu)上有連接的結(jié)構(gòu);利用MIMICS軟件的化Iculate 3D from mask(3維建模)工具，選擇quality(質(zhì)量)為medium(中等精度），建立初步的肝靜脈-口靜 脈Ξ維模型；
[0013] D.利用MIMICS軟件的Crop mask(裁剪蒙板)工具進(jìn)一步提取目標(biāo)結(jié)構(gòu)，剔除部分 非目標(biāo)結(jié)構(gòu);再利用MIMICS軟件的Edit masks in 3D(S維編輯蒙版)工具，剔除剩余的非 目標(biāo)結(jié)構(gòu)，只保留肝靜脈-Π 靜脈系統(tǒng);反復(fù)利用MIMICS軟件的Edit masks in 3D(S維切 害d)工具和Edit mask(二維編輯蒙板)工具，進(jìn)一步對(duì)肝靜脈-Π 靜脈系統(tǒng)進(jìn)行選擇性填充、 剔除噪點(diǎn)像素，從而重建內(nèi)腔封閉的肝靜脈-Π 靜脈系統(tǒng)實(shí)屯、Ξ維模型；
[0014] Ε.利用MIMICS軟件的Smoothing(光滑)操作，將Ξ維模型進(jìn)行表面光滑處理;將光 滑處理后的實(shí)屯、Ξ維模型的幾何模型數(shù)據(jù)選擇Ansys area elementUnsys軟件面文件)格 式（.inp)導(dǎo)出；
[0015] F.在ANSYS經(jīng)典模式下，導(dǎo)入所述面文件(格式為.inp)，將長(zhǎng)度單位統(tǒng)一為國(guó)際單 位m;W面為基礎(chǔ)建立肝靜脈-Π 靜脈系統(tǒng)模型的實(shí)屯、模型體；
[0016] G.通過布爾操作對(duì)肝靜脈-Π 靜脈系統(tǒng)模型的血流入口及出口作垂直切面，得到 模擬肝靜脈自由壓(vFHVP)的開放的幾何模型;完成上述操作后，將文件W后綴為.IGS格式 導(dǎo)出備用（IGS是一種Ξ維數(shù)值模型文件格式，ANSYS WoriAench模塊可讀取）；
[0017] H.建立ANSYS Workbench有限元計(jì)算平臺(tái)，包括GeometiT幾何模型模塊、Fluent流 體計(jì)算模塊和Results模塊（即C抑-POST后處理模塊）。通過Geomet巧模塊將IGS文件導(dǎo)入， 在Mesh(劃分網(wǎng)格）單元中，劃分對(duì)象為導(dǎo)入的數(shù)值模型，網(wǎng)格劃分方法設(shè)置為 Tetrahe化ons(四面體型），在Physics Preference(物理設(shè)置）中選C抑（計(jì)算流體力學(xué)分 析），在Solver Preference(求解設(shè)置）中選Fluent(使用Fluent求解流場(chǎng)）；考慮到運(yùn)算精 確度W及計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度，對(duì)劃分網(wǎng)格尺寸進(jìn)行限定，max face size(最大面尺寸)設(shè)置為 1.5mm，max size(最大尺寸）設(shè)為4mm;完成W上設(shè)置后，通過Generate Mesh(產(chǎn)生網(wǎng)格)完 成網(wǎng)格劃分；
[0018] I.在流體力學(xué)計(jì)算模塊Fluent的solution(解決方案）中設(shè)置材料參數(shù)(血液密 度、血液粘度、血管壁密度），使模型的物理屬性接近人體生物學(xué)屬性，提高仿真的準(zhǔn)確度； 求解控制參數(shù)(計(jì)算步長(zhǎng)、迭代次數(shù)、最大循環(huán)次數(shù))和邊界條件(命名血流入口面，并賦予 速度值，命名出口面后賦予壓力值，未命名的血管壁設(shè)置為wall), 口靜脈血流雷諾數(shù)Re< 2000，故仿真流體設(shè)置為層流;運(yùn)算初始化設(shè)置為從入口面開始;完成上述參數(shù)設(shè)定后，模 擬血管壁與血液的流體-固體禪合，計(jì)算獲得仿真Ξ維血管模型的壓力分布和血流分布；
[0019] J.在results后處理模塊中，對(duì)結(jié)果進(jìn)行讀取，通過contour(輪廓)操作顯示肝-Π 靜脈模型壓力分布圖；利用軟件自帶的calculators選項(xiàng)卡，計(jì)算獲取虛擬肝靜脈自由壓 (vHWP)數(shù)值；
[0020] K.創(chuàng)建一個(gè)直徑大于或等于被截?cái)嘌艿膱A柱體來模擬阻斷球囊，通過布爾運(yùn)算 對(duì)肝右靜脈進(jìn)行阻斷，得到模擬肝靜脈模入壓(vWHVP)的開放的幾何模型，并WIGS文件導(dǎo) 出備用（參考步驟F);將IGS文件導(dǎo)入到ANSYS wor化ench中，在產(chǎn)生的兩個(gè)截面分別賦予 Om/s的速度模擬血流停滯，其余材料參數(shù)、邊界條件和求解控制參數(shù)不變，計(jì)算得到虛擬肝 靜脈模入壓(vWHVP)，在results模塊中讀取虛擬肝靜脈模入壓(vWHVP);
[0021] L.求出所述vWHVP與所述vFHVP的差值，即為虛擬肝靜脈壓力梯度(vHVPG)。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明所述的虛擬肝靜脈壓力梯度的測(cè)量方法的進(jìn)一步特征，所述步驟I中， 所述材料參數(shù)被設(shè)置為:血液密度= 1050kg/m3、血液粘度= 0.00化g/m · S、血管壁密度= 1150kg/m\
[0023] 如前所述，口脈高壓作為肝硬化失代償期的重要特征，其臨床明確診斷往往滯后 于晚期嚴(yán)重的并發(fā)癥發(fā)生。然而，目前國(guó)內(nèi)外的口脈高壓診斷技術(shù)或者有創(chuàng)風(fēng)險(xiǎn)大、操作難 度高，或者干擾因素多、數(shù)值變異大。本發(fā)明首先提出了虛擬肝靜脈壓力梯度（virtual hepatic venous pressure gradient,vHVPG)的概念，并在其方法學(xué)構(gòu)建中取得重要數(shù)據(jù)， 有利于探索并建立一種安全無創(chuàng)、準(zhǔn)確量化的口脈高壓診斷技術(shù)。本發(fā)明優(yōu)化并完善肝靜 脈-Π 靜脈系統(tǒng)Ξ維建模、有限元網(wǎng)格劃分和流體力學(xué)仿真計(jì)算，構(gòu)建并驗(yàn)證一種更具診斷 優(yōu)勢(shì)的vHVPG檢測(cè)新技術(shù)，為口脈高壓患者的早期無創(chuàng)診斷提供一種新的途徑。
【附圖說明】
[0024] 圖1為從CT血管成像(CTA)導(dǎo)出包括肝靜脈期在內(nèi)的CTA圖層序列。
[0025] 圖2為選擇導(dǎo)入的肝靜脈期CTA圖層序列，層厚1.25mm。
[0026] 圖3為設(shè)置圖層序列的方位。
[0027] 圖4為自動(dòng)生成的冠狀位、矢狀位和水平位圖像。
[0028] 圖5為化resholding (闊值算法)工具設(shè)定闊值范圍。
[00巧]圖6為Region growing(區(qū)域增長(zhǎng))工具選定目標(biāo)。
[0030] 圖7為Cal州late 3D打om mask(S維建模），選擇中等精度。
[0031] 圖8為建立初步的肝-Π 靜脈系統(tǒng)。
[0032] 圖9為化op mask(裁剪蒙板)工具進(jìn)一步提取目標(biāo)結(jié)構(gòu)，剔除部分非目標(biāo)結(jié)構(gòu)。
[0033] 圖10為化op mask(裁剪蒙板)工具操作后保留的Ξ維模型。
[0034] 圖11為Edit masks in 3D(S維編輯蒙版)工具，剔除剩余的非目標(biāo)結(jié)構(gòu)。
[00巧]圖12為Edit masks in 3D(S維編輯蒙版)工具操作后保留的肝靜脈-Π 靜脈系 統(tǒng)。
[0036] 圖13為Edit mask(二維編輯蒙板)工具在冠狀位、矢狀位和水平位編輯蒙板。
[0037] 圖14為反復(fù)利用MIMICS的Edit masks in 3D(S維編輯蒙版）工具和Edit mask (二維編輯蒙板)工具操作后的肝靜脈-Π 靜脈實(shí)體模型。
[003引圖15為對(duì)肝靜脈-Π 靜脈系統(tǒng)進(jìn)行Smoothing(光滑)操作。
[0039] 圖16為將光滑處理后的模型選擇.inp格式導(dǎo)出。
[0040] 圖17為W面為基礎(chǔ)建立肝靜脈-Π 靜脈系統(tǒng)模型的實(shí)屯、模型體。
[0041 ]圖18為模擬肝靜脈自由壓(FHVP)的開放的幾何模型。
[0042] 圖19為ANSYS Workbench有限元分析計(jì)算平臺(tái)。
[0043] 圖20為solution(解決)單元界面。
[0044] 圖21為設(shè)定求解控制參數(shù)及迭代數(shù)目。
[0045] 圖22為求解獲得仿真Ξ維血管模型的壓力分布和血流分布。
[0046] 圖23為虛擬肝靜脈自由壓vFHVP模擬及壓力分布圖。
[0047] 圖24為讀取虛擬肝靜脈自由壓vFHVP數(shù)值。
[004引圖25為虛擬肝靜脈模入壓vWHVP數(shù)值模型。
[0049] 圖26為虛擬肝靜脈模入壓vWHVP結(jié)果及壓力分布圖。
[0050] 圖27為流體力學(xué)仿真計(jì)算vHVPG與有創(chuàng)測(cè)得的壓力的比較結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0051 ]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0052] 本發(fā)明所述的一種虛擬肝靜脈壓力梯度的測(cè)量方法包括:肝靜脈-Π 靜脈系統(tǒng)Ξ 維建模;有限元網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)學(xué)模型；W及流體力學(xué)仿真計(jì)算vHVPG。
[0053] 1.從標(biāo)本的肘正中靜脈注射造影劑，進(jìn)行CT血管成像(CTA)，獲取包括肝靜脈期在 內(nèi)的CTA圖層序列，導(dǎo)出圖層序列，格式為dicom,層厚1.25mm，圖像分辨率512 X 512像素。如 圖1所示。
[0054] 2.將所獲取的CTA圖層序列導(dǎo)入醫(yī)學(xué)影像控制軟件MIMICS,選擇肝靜脈期圖層序 列（如圖2所示），設(shè)置圖像序列的方位(如圖3所示），MIMICS軟件自動(dòng)識(shí)別圖像序列，生成肝 靜脈期CTA圖像序列的冠狀位、矢狀位和水平位圖像(如圖4所示）。
[0055] C.尋找圖像中的肝靜脈-Π 靜脈系統(tǒng)（目標(biāo)），利用MIMICS軟件的Τ'虹esholding(闊 值算法)工具，W盡量包含目標(biāo)的CT值、盡量排除臨近目標(biāo)的周圍肝臟等軟組織的CT值為原 則，設(shè)定闊值范圍，W提取目標(biāo)（如圖5所示）；利用MIMICS軟件的Region growing!；區(qū)域增 長(zhǎng))工具，選定目標(biāo)，W提取只與目標(biāo)在空間結(jié)構(gòu)上有連接的結(jié)構(gòu)(如圖6所示）；利用MIMICS 軟件的Calculate 3D from mask(S維建模）工具，選擇quality(質(zhì)量）為medium(中等精 度），建立初步的肝靜脈-Π 靜脈Ξ維模型(如圖7和圖8所示）。
[0056] 4.利用MIMICS軟件的Crop mask(裁剪蒙板)工具進(jìn)一步提取目標(biāo)結(jié)構(gòu)，剔除部分 非目標(biāo)結(jié)構(gòu)(如圖9和圖10所示）；再利用MIMICS軟件的Edit masks in 3D(S維編輯蒙版） 工具，剔除剩余的非目標(biāo)結(jié)構(gòu)，只保留肝靜脈-Π 靜脈系統(tǒng)（如圖11和圖12所示）；反復(fù)利用 MIMICS軟件的Edit masks in 3D(S維切割）工具和Edit mask(二維編輯蒙板)工具，進(jìn)一 步對(duì)肝靜脈-Π 靜脈系統(tǒng)進(jìn)行選擇性填充、剔除噪點(diǎn)像素，從而重建內(nèi)腔封閉的肝靜脈-Π 靜脈系統(tǒng)實(shí)屯、Ξ維模型。如圖13至圖15所示。
[0化7] 5.利用MIMICS軟件的Smoothing(光滑)操作，將Ξ維模型進(jìn)行表面光滑處理;將光 滑處理后的實(shí)屯、Ξ維模型的幾何模型數(shù)據(jù)選擇Ansys area elementUnsys軟件面文件)格 式（.inp)導(dǎo)出。如圖16所示。
[0化引6.在ANSYS經(jīng)典模式下，導(dǎo)入所述面文件(格式為.inp)，將長(zhǎng)度單位統(tǒng)一為國(guó)際單 位m;W面為基礎(chǔ)建立肝靜脈-Π 靜脈系統(tǒng)模型的實(shí)屯、模型體(如圖17所示）。
[0059] 7.通過布爾操作對(duì)肝靜脈-Π 靜脈系統(tǒng)模型的血流入口及出口作垂直切面，得到 模擬肝靜脈自由壓(vFHVP)的開放的幾何模型(如圖18所示）；完成上述操作后，將文件W后 綴為.IGS格式導(dǎo)出備用（IGS是一種Ξ維數(shù)值模型文件格式，ANSYS Workbench模塊可讀 取)。
[0060] 8.建立ANSYS Wor化ench有限元計(jì)算平臺(tái)（如圖19所示），包括Geomet巧幾何模型 模塊、Fluent流體計(jì)算模塊和Results模塊（即C抑-POST后處理模塊）。通過Geomet巧模塊將 IGS文件導(dǎo)入，在Mesh(劃分網(wǎng)格)單元中，劃分對(duì)象為導(dǎo)入的數(shù)值模型，網(wǎng)格劃分方法設(shè)置 為Tetr址e化ons(四面體型），在Physics Preference(物理設(shè)置）中選C抑（計(jì)算流體力學(xué)分 析），在Solver Preference(求解設(shè)置）中選Fluent(使用Fluent求解流場(chǎng)）；考慮到運(yùn)算精 確度W及計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度，對(duì)劃分網(wǎng)格尺寸進(jìn)行限定，max face size(最大面尺寸)設(shè)置為 1.5mm，max size(最大尺寸）設(shè)為4mm;完成W上設(shè)置后，通過Generate Mesh(產(chǎn)生網(wǎng)格)完 成網(wǎng)格劃分；
[0061 ] 9.在流體力學(xué)計(jì)算模塊Fluent的solution(解決）中設(shè)置材料參數(shù)(血液密度、血 液粘度、血管壁密度），使模型的物理屬性接近人體生物學(xué)屬性，提高仿真的準(zhǔn)確度(如圖20 所示）。求解控制參數(shù)(計(jì)算步長(zhǎng)、迭代次數(shù)、最大循環(huán)次數(shù))和邊界條件(命名血流入口面， 并賦予速度值，命名出口面后賦予壓力值，未命名的血管壁設(shè)置為wall), 口靜脈血流雷諾 數(shù)Re<2000，故仿真流體設(shè)置為層流;運(yùn)算初始化設(shè)置為從入口面開始;完成上述參數(shù)設(shè)定 后，模擬血管壁與血液的流體-固體禪合，計(jì)算獲得仿真Ξ維血管模型的壓力分布和血流分 布。如圖21和圖22所示。
[0062] 10.在results后處理模塊中，對(duì)結(jié)果進(jìn)行讀取，通過contour(輪廓）操作顯示肝- 口靜脈模型壓力分布圖；利用軟件自帶的calculators選項(xiàng)卡，計(jì)算獲取虛擬肝靜脈自由壓 (vFHVP)數(shù)值。如圖23和圖24所示。
[0063] 11.創(chuàng)建一個(gè)直徑大于或等于被截?cái)嘌艿膱A柱體來模擬阻斷球囊，通過布爾運(yùn) 算對(duì)肝右靜脈進(jìn)行阻斷，得到模擬肝靜脈模入壓(vWHVP)的開放的幾何模型，并WIGS文件 導(dǎo)出備用（參考步驟F);將IGS文件導(dǎo)入到ANSYS woricbench中，在產(chǎn)生的兩個(gè)截面分別賦予 Om/s的速度模擬血流停滯，其余材料參數(shù)、邊界條件和求解控制參數(shù)不變，計(jì)算得到虛擬肝 靜脈模入壓(vWHVP)，在results模塊中讀取虛擬肝靜脈模入壓(vWHVP)。如圖25和圖26所 /J、- 〇
[0064] 12.求出所述vWHVP與所述vFHVP的差值，即為虛擬肝靜脈壓力梯度(vHVPG)。
[0065] 實(shí)施例:流體力學(xué)仿真計(jì)算vHVPG
[0066] 在流體力學(xué)仿真模塊Fluent中，設(shè)置材料參數(shù):血液密度= 1050kg/m3、血液粘度 = 0.00化g/m · S、血管壁密度=1150kg/m3。求解控制參數(shù)(計(jì)算步長(zhǎng)、迭代次數(shù)、最大循環(huán) 次數(shù))和邊界條件(血流速度），模擬血管壁與血液的"流體-固體禪合"，仿真FHVP和WHVP的 血液流線分布(圖27的A圖和B圖）。
[0067] 通過后處理模塊分析計(jì)算，獲得虛擬肝靜脈自由壓（virtual free hepatic venous pressure, vFHVP)和虛擬肝靜脈模入壓（virtual wedged hepatic venous pressure,vWHVP)分別為730化和3226化（圖27的C圖和D圖），計(jì)算兩者差值得到vHVPG = 2496化。
[0068] 通過該病例在經(jīng)頸靜脈肝內(nèi)口體分流術(shù)中有創(chuàng)測(cè)得的壓力可知，F(xiàn)HVP和WHVP分別 為606化和3139化（圖27的E圖和F圖），計(jì)算可得HVPG = 2533化。
[0069] 比較結(jié)果顯示，本發(fā)明對(duì)于虛擬肝靜脈壓力梯度(vHVPG)的測(cè)定準(zhǔn)確性非常接近 于在臨床診斷試驗(yàn)水平，有創(chuàng)HVPG已經(jīng)納入國(guó)際指南推薦的金標(biāo)準(zhǔn)，而本發(fā)明的無創(chuàng)測(cè)量 方法能克服前期參考標(biāo)準(zhǔn)不理想且易受全麻開腹干擾的問題，因此，本發(fā)明提出的vHVPG無 創(chuàng)檢測(cè)新技術(shù)切實(shí)可行，全面評(píng)估vHVPG的診斷價(jià)值，有望為肝硬化口脈高壓的無創(chuàng)診斷提 供新的思路，為改善口脈高壓患者的生活質(zhì)量、減輕家庭和社會(huì)的疾病負(fù)擔(dān)起到積極推動(dòng) 作用。
[0070] 計(jì)算流體力學(xué)是解決流體計(jì)算問題行之有效的途徑，其主流方法為有限元分析 法:將一個(gè)連續(xù)的求解域任意分成適當(dāng)形狀的許多微小單元并于各小單元分片構(gòu)造插值函 數(shù)，根據(jù)極值原理(變分或加權(quán)余量法)將問題的控制方程轉(zhuǎn)化為所有單元上的有限元方 程，把總體的極值作為各單元極值之和，將局部單元總體合成，形成嵌入了指定邊界條件的 代數(shù)方程組，求解該方程組即可得到各節(jié)點(diǎn)待求的函數(shù)值。流體計(jì)算的基本方程是化Vier- Stokes方程，其在直角坐標(biāo)中可寫成：
[0071]
[0072] 式中，Δ是拉普拉斯算子，P是流體密度，P是壓力，u、v、w是流體t時(shí)刻在點(diǎn)（x，y，z) 處的速度分量，Χ、Υ、Ζ是外力的分量，常數(shù)μ是動(dòng)力粘性系數(shù)。肝靜脈-Π 靜脈系統(tǒng)的血管壁 實(shí)際變形量較小，血管中血液黏度較低且可視為恒定的黏度(流體的內(nèi)摩擦剪切力與單位 距離上的兩層流體間的相對(duì)速度近似成線性關(guān)系），血液密度近似為常量，故肝靜脈-Π 靜 脈系統(tǒng)中的血液可近似為不可壓縮的牛頓流體。判斷流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是層流、素流或端流的 無量綱參量是雷諾數(shù)(Reynolds number,Re)，其定義Re = pVDAi(P是流體密度、V是流體速 度、D是內(nèi)直徑、μ是流體粘度）。當(dāng)Re<2000時(shí)流體為層流狀態(tài)，當(dāng)Re〉3000時(shí)為端流。計(jì)算可 知肝靜脈-Π 靜脈系統(tǒng)中的血液做層流運(yùn)動(dòng)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種虛擬肝靜脈壓力梯度的測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟： A. 從標(biāo)本的肘正中靜脈注射造影劑，進(jìn)行CT血管成像(CTA)，獲取包括肝靜脈期在內(nèi)的 CTA圖層序列，導(dǎo)出圖層序列，格式為dicom，層厚1.25mm，圖像分辨率512 X 512像素； B. 將所獲取的CTA圖層序列導(dǎo)入醫(yī)學(xué)影像控制軟件MMICS，選擇肝靜脈期圖層序列，設(shè) 置圖像序列的方位，MMICS軟件自動(dòng)識(shí)別圖像序列，生成肝靜脈期CTA圖像序列的冠狀位、 矢狀位和水平位圖像； C. 尋找圖像中的肝靜脈-門靜脈系統(tǒng)（目標(biāo)），利用MMICS軟件的ThreshoIding(閾值算 法)工具，以盡量包含目標(biāo)的CT值、盡量排除臨近目標(biāo)的周圍肝臟等軟組織的CT值為原則， 設(shè)定閾值范圍，以提取目標(biāo);利用MIMICS軟件的Regiongrowing(區(qū)域增長(zhǎng))工具，選定目標(biāo)， 以提取只與目標(biāo)在空間結(jié)構(gòu)上有連接的結(jié)構(gòu);利用MHOCS軟件的Calculate 3D from mask (三維建模)工具，選擇quality(質(zhì)量)為medium(中等精度），建立初步的肝靜脈-門靜脈三 維模型； D. 利用MMICS軟件的Crop mask(裁剪蒙板)工具進(jìn)一步提取目標(biāo)結(jié)構(gòu)，剔除部分非目 標(biāo)結(jié)構(gòu);再利用MMICS軟件的Edit masks in 3D(三維編輯蒙版)工具，剔除剩余的非目標(biāo) 結(jié)構(gòu)，只保留肝靜脈-門靜脈系統(tǒng);反復(fù)利用MMICS軟件的Edit masks in 3D(三維切割)工 具和Edit mask(二維編輯蒙板)工具，進(jìn)一步對(duì)肝靜脈-門靜脈系統(tǒng)進(jìn)行選擇性填充、剔除 噪點(diǎn)像素，從而重建內(nèi)腔封閉的肝靜脈-門靜脈系統(tǒng)實(shí)心三維模型； E. 利用MMICS軟件的Smoothing(光滑)操作，將三維模型進(jìn)行表面光滑處理;將光滑處 理后的實(shí)心三維模型的幾何模型數(shù)據(jù)選擇Ansys area element(Ansys軟件面文件）格式 (.inp)導(dǎo)出； F. 在ANSYS經(jīng)典模式下，導(dǎo)入所述面文件(格式為.inp)，將長(zhǎng)度單位統(tǒng)一為國(guó)際單位m; 以面為基礎(chǔ)建立肝靜脈-門靜脈系統(tǒng)模型的實(shí)心模型體； G. 通過布爾操作對(duì)肝靜脈-門靜脈系統(tǒng)模型的血流入口及出口作垂直切面，得到模擬 肝靜脈自由壓(vFHVP)的開放的幾何模型;完成上述操作后，將文件以后綴為.IGS格式導(dǎo)出 備用（IGS是一種三維數(shù)值模型文件格式，ANSYS Workbench模塊可讀?。? H. 建立ANSYS Workbench有限元計(jì)算平臺(tái)，包括Geometry幾何模型模塊、Fluent流體計(jì) 算模塊和Results模塊（即CFD-P0ST后處理模塊）。通過Geometry模塊將IGS文件導(dǎo)入，在 Mesh(劃分網(wǎng)格)單元中，劃分對(duì)象為導(dǎo)入的數(shù)值模型，網(wǎng)格劃分方法設(shè)置為Tetrahedrons (四面體型），在Physics Preference(物理設(shè)置）中選CFD(計(jì)算流體力學(xué)分析），在Solver Preference (求解設(shè)置）中選Fluent (使用Fluent求解流場(chǎng)）；考慮到運(yùn)算精確度以及計(jì)算機(jī) 運(yùn)行速度，對(duì)劃分網(wǎng)格尺寸進(jìn)行限定，max face size(最大面尺寸)設(shè)置為1.5mm，max size (最大尺寸)設(shè)為4mm;完成以上設(shè)置后，通過Generate Mesh(產(chǎn)生網(wǎng)格)完成網(wǎng)格劃分； I. 在流體力學(xué)計(jì)算模塊Fluent的solution(解決方案）中設(shè)置材料參數(shù)(血液密度、血 液粘度、血管壁密度），使模型的物理屬性接近人體生物學(xué)屬性，提高仿真的準(zhǔn)確度;求解控 制參數(shù)(計(jì)算步長(zhǎng)、迭代次數(shù)、最大循環(huán)次數(shù))和邊界條件(命名血流入口面，并賦予速度值， 命名出口面后賦予壓力值，未命名的血管壁設(shè)置為wal 1 )，門靜脈血流雷諾數(shù)Re〈2000，故仿 真流體設(shè)置為層流;運(yùn)算初始化設(shè)置為從入口面開始;完成上述參數(shù)設(shè)定后，模擬血管壁與 血液的流體-固體耦合，計(jì)算獲得仿真三維血管模型的壓力分布和血流分布； J. 在results后處理模塊中，對(duì)結(jié)果進(jìn)行讀取，通過contour(輪廓)操作顯示肝-門靜脈 模型壓力分布圖；利用軟件自帶的calculators選項(xiàng)卡，計(jì)算獲取虛擬肝靜脈自由壓 (vHWP)數(shù)值； K. 創(chuàng)建一個(gè)直徑大于或等于被截?cái)嘌艿膱A柱體來模擬阻斷球囊，通過布爾運(yùn)算對(duì)肝 右靜脈進(jìn)行阻斷，得到模擬肝靜脈楔入壓(vWHVP)的開放的幾何模型，并以IGS文件導(dǎo)出備 用(參考步驟F);將IGS文件導(dǎo)入到ANSYS workbench中，在產(chǎn)生的兩個(gè)截面分別賦予Om/s的 速度模擬血流停滯，其余材料參數(shù)、邊界條件和求解控制參數(shù)不變，計(jì)算得到虛擬肝靜脈楔 入壓(vWHVP)，在results模塊中讀取虛擬肝靜脈楔入壓(vWHVP); L. 求出所述vWHVP與所述vFHVP的差值，即為虛擬肝靜脈壓力梯度(vHVPG)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬肝靜脈壓力梯度的測(cè)量方法，其特征在于:所述步驟I中， 所述材料參數(shù)被設(shè)置為:血液密度= l〇50kg/m3、血液粘度= 0.005kg/m · s、血管壁密度= 1150kg/m3。
【文檔編號(hào)】G06T19/00GK105825070SQ201610211335
【公開日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年4月6日
【發(fā)明人】祁小龍, 李國(guó)新, 黃家樂, 朱炎杰, 趙永昭, 劉燕娜
【申請(qǐng)人】南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院