[发明专利]一种基于孔隙介质理论的冠状动脉血流储备分数计算方法

说明书

一种基于孔隙介质理论的冠状动脉血流储备分数计算方法,属于生物力学、血液动力学和计算流体力学领域。目的是解决基于计算流体力学(CFD)数值仿真的冠脉血管血流储备分数(FFR)计算时，冠脉血管远端各分支出口的血液流量和微循环阻力分配不符合人体血液动力学分布的问题，提出一种更加精确的基于孔隙介质理论的冠状动脉血流储备分数(FFR)计算方法。并考虑血管管壁柔性属性和血管腔体里存在静止或移动物体的因素，相比于血管管壁为刚性属性且血液中只存在流体介质的计算方法，具有更良好的精确性和更广泛的适用性。本发明可用于人体心脏冠脉血管堵塞的临床检查。

技术领域

本发明涉及生物力学、血液动力学和计算流体力学领域，特别是涉及一种基于孔隙介质理论的冠状动脉血流储备分数(FFR)计算方法。

背景技术

介入性冠状动脉造影(ICA)是一种已经应用于临床诊断冠状动脉粥样硬化性心脏病(简称冠心病)的有效方法，现阶段该方法被认为是诊断冠心病的“金标准”。但是，最新研究表明介入性冠状动脉造影(ICA)只能够从图像中识别患者冠脉血管的狭窄程度，不能提供直接的临床生理学诊断依据，即无法精确诊断某一处冠脉狭窄能否导致心肌缺血性损伤，具有一定的误诊概率。此外，介入性冠状动脉造影(ICA)具有价格昂贵和有创性的特点，限制了该方法成为常规临床检测手段的可能性。因此，基于冠状动脉血流储备分数(FFR)的心肌缺血性损伤诊断方法被广泛关注，并成为诊断冠心病的新“金标准”。

获取冠状动脉血流储备分数(FFR)的技术方案分为两类。第一类是利用血管内导管和压力导丝技术，实测患者冠脉狭窄处的血流储备分数(FFR)。第二类是利用计算流体力学(CFD)数值仿真，模拟计算患者全部冠状动脉的血流储备分数 (FFR)。与方案一相比，方案二具有价格低、创伤小、时间短、灵活度高等显著优势。

基于计算流体力学(CFD)数值仿真的血流储备分数(FFR)计算方法，其计算精度主要受两方面因素制约。一是获取冠状动脉血管所包络成的血管腔体的三维空间几何形态数据，目前的技术手段包括冠状动脉CTA、介入性冠状动脉造影 (ICA)、血管内超声(IVUS)和血管内光学相干断层成相(OCT)。二是对冠脉血管内血液动力学问题进行数学抽象和理论建模，特别是位于冠脉血管远端各分支出口的血液流量和微循环阻力分配问题，是制约数值仿真精度的关键。

为解决上述冠脉血管远端各分支出口的血液流量和微循环阻力分配问题，本专利提出一种基于孔隙介质理论的冠状动脉血流储备分数(FFR)计算方法。将冠状动脉血管腔体内的血液视为连续孔隙介质，血液运动规律遵守流体力学连续方程和动量方程。并引入任意朗格朗日欧拉方法(ALE)和浸没物体法(IOM)，分别模拟血管管壁柔性属性和血管腔体里存在静止或移动物体的因素。

发明内容

本发明的目的是解决基于计算流体力学(CFD)数值仿真的冠脉血管血流储备分数(FFR)计算时，冠脉血管远端各分支出口的血液流量和微循环阻力分配不符合人体血液动力学分布的问题，提出一种更加精确的基于孔隙介质理论的冠状动脉血流储备分数(FFR)计算方法，并考虑血管管壁柔性属性和血管腔体里存在静止或移动物体的因素。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种基于孔隙介质理论的冠状动脉血流储备分数计算方法，将冠状动脉血管腔体内的血液视为连续孔隙介质、考虑血管管壁弹性、考虑血管腔体里存在静止或移动物体，血液运动规律遵守连续方程和动量方程；所述冠状动脉血管腔体内的血液视为连续孔隙介质，介质参数包括孔隙率、粘性损失系数与惯性损失系数通过实验获得；所述血管管壁既是刚体属性，也是随血液流动而收缩、舒张的柔性属性；所述血管腔体内部包括代表血液的流体介质，代表血栓、纤维组织增生、钙质沉着、动脉粥样硬化、血管支架和介入性医疗器械的静止或移动固体介质；所述计算方法包括以下步骤：