[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

摘要

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。

主权项

1.一种基于孔隙介质理论的冠状动脉血流储备分数计算方法，其特征在于，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：步骤一，通过冠状动脉CTA技术获取患者的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；通过舒张压与心肌质量获得患者冠脉血管主动脉入口压力pinlet及流量Qinlet数据；通过血液测试结果获得孔隙介质的孔隙率n；步骤二，创建冠脉血管血液流动分析计算域，并在无弹性变形的冠状动脉血管管壁(1)、无弹性变形的管壁(22)施加无滑移刚性壁面条件；在由于收缩、舒张引起管壁位移的冠状动脉血管管壁(3)、有弹性变形的管壁(23)施加收缩、舒张的无滑移柔性壁面条件；在冠脉血管入口(6)、左冠状动脉入口(8)、血管入口(20)施加流量入口边界条件，流量与患者心肌质量成正比；在冠脉血管血液流动分析计算域出口(7)、左前降第一出口(9)、左前降第二出口(10)、左前降第三出口(11)、左前降第四出口(12)、左前降第五出口(13)、左前降第六出口(14)、左前降第七出口(15)、左回旋第一出口(16)、左回旋第二出口(17)、左回旋第三出口(19)、左回旋第四出口(19)、血管出口(21)施加阻力出口边界条件，为考虑泊肃叶定律和莫里法则的远端阻力；以及初始条件，冠状动脉血管腔体内的孔隙介质化的血液流速和压力(2)、依附于冠状动脉血管管壁的静止固体介质(4)和冠状动脉血管腔体内随血液流动而移动的固体介质(5)的位置分布情况；步骤三，采用数值模型离散求解所述计算域的连续方程和动量方程，得到所述血管腔体内部的血液流动速度和压力；考虑血管管壁弹性，采用任意朗格朗日欧拉方法模拟由于管壁变形对血液的影响；考虑血液内部存在静止或移动的固体介质，采用浸没物体法模拟由于固体的存在对血液流动的影响；所述连续方程为式(1)和动量方程为式(2)：其中为血管内血液的渗流速度分量，为血管内血液的流速分量，n为孔隙介质的孔隙率，u_jm为冠脉血管由于管壁变形产生的计算域网格节点速度分量，ρ为患者血液的密度，p血管内血液压力，ν为患者血液的运动粘度，S_i为i方向的动量损失源项，F_i为i方向的浸入物体动量损失源项，i为三个方向分量；所述冠脉血管内血液视为连续孔隙介质，由于孔隙的存在，i方向的动量损失源项为式(3)：其中为血管血液的粘性损失系数分量，为血管血液的惯性损失系数分量；所述冠脉血管内由于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的存在，i方向的浸入物体动量损失源项为式(4)：其中Ω为血管内部固体介质表示的计算域，R和a为数值离散参数，Vo为固体介质的运动速度；步骤四，通过上述步骤得到的血液压力p，计算冠脉血管的血流储备分数。