[发明专利]一种基于几何多尺度模型的一个半心室模型中奇静脉分流比的计算方法

说明书

本发明是一种基于几何多尺度模型的一个半心室模型中奇静脉分流比的计算方法，属于血流动力学数值模拟领域。本发明利用0D/3D耦合的几何多尺度模型进行血流动力学有限元分析，获得奇静脉分流比，这是一种新方法。本发明的一个半心室模型以3D模型表示，与其相连的外周循环部分以0D集中参数模型表示，从而组成0D/3D结合的几何多尺度模型。对0D/3D耦合模型运用有限元分析，模拟不同肺阻力时一个半心室模型的血流动力学状况。待计算完成后，在ANSYS‑CFX后处理中，通过定义表达式来计算奇静脉分流比；还可以提取奇静脉的壁面切应力，从生物力学角度评价奇静脉分流比的合理性。

技术领域

本发明提供了一种基于几何多尺度模型的一个半心室模型中奇静脉分流比的计算方法，其定义为公式(1)，

属于血流动力学计算领域。

背景技术

研究一个半心室模型中奇静脉的分流比对于认识右心无效循环十分重要。而纵观大多数研究均是基于超声、磁共振成像方式得到奇静脉分流比。这种方法通过成像设备虽然能快速得到各血管的流速，但仪器本身有一定误差；其次对患者来说医疗花费较大，有些病人也不适于进行磁共振操作。现采用几何多尺度模型，利用有限元分析，既可以改变3D模型中奇静脉的内径，又能方便地通过调节0D集中参数模型的各部分参数(如血流阻力R、血管顺应性C、血液惯性L等)，来模拟不同肺阻力的实际生理，从而直观地观察3D模型内部的血液流动状况。在ANSYS-CFX后处理中可以方便地提取奇静脉流量、上腔静脉流量和肺主动脉流量，依据公式(1)计算出奇静脉分流比；此外还可以提取奇静脉的壁面切应力，从生物力学角度评价计算所得的奇静脉分流比。

几何多尺度建模是一种特殊的仿真血液循环系统的策略，本发明采用的是0D/3D耦合模型，其中3D模型是由CT图像重建的一个半心室模型，用来模拟感兴趣的局部流场细节，而0D集中参数模型是由R、C、L三元件组成的电路结构，用来仿真外周的血液循环系统。这种模型可以避免固定边界所带来的不良影响。

0D/3D耦合算法，它的重点在于0D集中参数模型与3D模型之间的数据交换。具体来说，0D集中参数模型为3D模型入口处提供流量波形边界，出口处提供压力波形边界，此时3D模型便可以在计算流体力学(CFD)数值模拟软件中进行流场计算，3D模型计算得到的入口的压力值与出口的流量值返回到0D集中参数模型。耦合算法中每个3D模型计算时间步进行一次数据交换，同时进行残差检测。通常定义3D模型出口压力和入口流量在不同时间步之间的误差作为残差检测项。当残差小于预先设定值时认为计算结果收敛，仿真结束，具体流程如图1所示。

ANSYS公司的ANSYS-CFX是CFD的仿真软件，它的前、后处理和流体计算较为完善。但想要实现0D/3D耦合模型流体计算，不仅需要掌握0D/3D耦合算法，还需了解ANSYS-CFX的二次开发、内存管理及多进程计算。以User CEL Function函数和User Junction BoxRoutine程序块两种形式应用于CFX的3D模型计算之中。

发明内容

本发明提出的一种基于几何多尺度模型的一个半心室模型中奇静脉分流比的计算方法，使用计算机仿真一个半心室模型的血流动力学状况。相较于常用的超声、磁共振成像方法，本发明的计算方法可以方便地改变奇静脉的内径，使用0D/3D耦合的算法，实现不同肺阻力时循环系统的仿真；还可以通过奇静脉的壁面切应力来评价奇静脉分流比的合理性。

一种基于几何多尺度模型的一个半心室模型中奇静脉分流比的计算方法，包括如下步骤：

1.构建一个半心室的3D模型；

2.构建血液循环系统0D集中参数模型并建立0D/3D耦合模型的几何多尺度模型；