阻抗出口边界条件下狭窄冠脉的数值模拟

目的探究阻抗出口边界条件下狭窄冠脉流场分布。方法建立了不同狭窄程度的简化模型及具有解剖结构的冠脉模型,采用阻抗出口边界条件模拟最大充血状态下各狭窄程度的血流情况,比较不同狭窄程度下血流储备分数(FFR)及壁面切应力(WSS)的分布。结果狭窄程度与FFR之间并不是呈线性相关关系;对于解剖学模型模拟的结果与临床测量结果相吻合。结论阻抗边界条件是一种可以比较真实地描述狭窄冠脉出口的边界条件。     

基于冠状动脉血管分支流量分配方法的血流储备分数数值模拟研究

目的在个性化无创计算血流储备分数(fractional flow reverse,FFR CT )中,流量边界条件的分配准确性往往是一个问题。本文基于种内标度律,提出了一种体积-流量关系的冠脉血流量分配方法进行血流量分配。方法对16例患者冠状动脉血管造影(CT angiography,CTA)图像进行重建,测量出各分支的体积,再经过标度律的方法将冠脉总流量以体积分配比分配到各分支出口。以临床FFR值和最终计算的血流动力学模拟值作分类对比,比较以往的管径流量模型分配方法和体积流量分配方法的准确性。结果基于体积法计算的FFR CT 误差为10.47%,基于管径法计算的FFR CT 为11.76%,并且体积分配方法与管径分配方法具有较好的一致性(80%)。结论本文结果可为临床无创检测FFR提出新的计算方法,并推动FFR CT 的临床应用研究。     

FFR值与冠动脉狭窄度的数值模拟

目的：利用有限体积法对冠状动脉进行数值模拟,探讨不同狭窄程度的冠状动脉简化模型在舒张期血液的压力分布,并以此计算出（Fractional Flow Reserve,FFR）FFR值,阐明冠状动脉不同狭窄程度与肿值之间的关系,为冠状动脉狭窄的诊断提供参考。方法：以血流动力学基本原理建立不同狭窄度冠脉的物理模型,利用有限体积法,计算不同狭窄几何模型的速度、压力和壁面剪切力等血液流体动力学特征。利用开源软件OpenFOAM对人的冠状动脉不同狭窄程度的简化模型进行血流三维数值模拟。结果：计算获得了人的左冠状动脉不同狭窄程度的血流在舒张期压力分布图。当狭窄程度小于70％,FFR值下降缓慢;当狭窄程度在70％和90％之间内,彤R值下降速度明显加快,当狭窄程度大于90％时,FFR值急速下降,另外,当狭窄程度在大于80％之后,冠脉血管内血流流场的速度压力变化加大。结论：通过对不同狭窄度下冠脉血管血液流体动力学特性的计算,进一步说明有限体积法对冠脉狭窄的模拟问题的计算,人左冠状血管狭窄的百分数与冠脉的FFR值并不是呈线性关系,而是呈曲线样改变。     

血管壁弹性模量对颈动脉狭窄血流储备分数的影响

目的探索将血流储备分数(fractional flow reserve,FFR)引入颈动脉狭窄评估的可行性,并且分析血管壁弹性模量对颈动脉狭窄中血液动力学参数和FFR计算结果的影响。方法利用计算机辅助设计软件建立颈动脉分叉标准模型并获得不同狭窄率的模型。假设血管壁为线弹性材料,血液为不可压缩牛顿流体,在脉动流条件下,利用有限元分析软件进行颈动脉狭窄模型中血液流动的流固耦数值模拟,获得各种血液动力学参数,并计算相应的FFR值。结果当弹性模量固定时,随着狭窄率增加,模型中狭窄部位的FFR逐渐减小,且此时其弹性壁与刚性壁的FFR相对差异随着狭窄率的增加而增加;当狭窄率固定为70%时,随着弹性模量增加,FFR会逐渐减小。结论采用FFR对颈动脉狭窄程度进行功能性评估需要考虑血管壁弹性的影响;狭窄率越大,血管壁弹性模量对FFR的影响越大。     

基于ABAQUS的升主动脉置换术术后血流数值模拟

目的:为研究人工升主动脉置换术治疗Stanford A型主动脉夹层后的血流动力学规律,采集临床CT图像,构建术后个性化主动脉流场几何模型。基于计算流体动力学对其进行数值模拟,得到术后流域壁面压力分布和流速分布两个力学指标,从而分析术后流域规律。方法:采集术后CT图像DICOM文件并应用影像后处理软件MIMICS进行三维重构及优化获得几何模型,再将该流域模型导入网格划分软件进行CFD网格划分,最后将网格文件导入ABAQUS/CFD模块进行多周期瞬态模拟。结果:通过模拟计算,得到术后主动脉在心动周期不同时刻的血流动力学参数。结论:血流动力学参数与边界条件密切相关。主动脉内复杂流场环境与心血管疾病存在一定联系。数值模拟可为人工血管置换术后病情发展提供参考。     

冠脉生理学检测技术发展2021年研究进展

心血管疾病是危害人类生命健康最严重的疾病之一,中国每5人中就有2人死于心血管疾病。心肌缺血是重要的心血管疾病之一。心肌血流储备分数(fractional flow reserve, FFR)用于量化心外膜下冠状动脉狭窄是否产生心肌缺血;微血管阻力指数(index of microcirculatory resistance, IMR)是定量评价冠脉微循环状态的有创指标。传统FFR和IMR测量临床上依靠导丝,在最大充血态下进行介入测量,临床上辅助心肌缺血的诊断。基于冠脉造影的caFFR和caIMR(coronary angiography-derived FFR and IMR)无需介入操作、无需血管扩张药物、无禁忌症限制,可以快速同步计算FFR和IMR,进而辅助冠脉介入手术的诊疗。本文总结了近年来基于冠脉造影的caFFR和caIMR以及其他冠脉生理学检测技术的研究进展。进一步开展基于造影的FFR和IMR组合研究,从宏观到微观开展冠脉功能学研究具有重要的临床价值。     

心肌血流储备分数在冠状动脉临界病变中的应用

目的:探讨心肌血流储备分数(FFR)在冠状动脉临界病变处理中的意义。方法:经冠状动脉造影(CAG)证实单支血管病变程度介于50%～70%的临界病变心脏病患者24例,对狭窄血管行FFR测定,测量值FFR<0.75的患者行支架植入,FFR≥0.75的患者行药物治疗,8个月后比较两组患者的冠状动脉狭窄程度、FFR及心绞痛发生情况。结果:FFR<0.75组植入支架前后冠脉狭窄程度由(68.00±10.00)%下降到(8.00±2.00)%(P<0.01),FFR值由(0.70±0.03)%提高到(0.92±0.03)%(P<0.01),心绞痛发生例数由10例减少为0例(P<0.01)。FFR≥0.75组药物治疗前后各指标比较无明显差异(P>0.05)。组间治疗后比较,FFR<0.75组冠脉狭窄程度较FFR≥0.75组显著降低,FFR值升高,心绞痛发生例数减少为0(P均<0.01)。结论:在冠状动脉临界病变中测量FFR值能有效评估心肌供血情况,为临床是否行支架植入提供参考。     

前沿法网格划分方法在脑组织变形中的应用

目的:拟开发一种全自动网格划分技术,生成脑组织的网格模型,用于模拟脑组织的变形。方法:用本研究提出的前沿法网格划分方法,对临床实际病例的脑组织三维图像进行网格划分。结果:本研究算法生成的脑组织大部分网格的α值处于[0.8,1]范围内。结论:该方法得到的脑组织网格对后期的脑组织变形校正的精度相比其他方法有显著提高,提高了神经外科手术导航的精度。     

基于冠状动脉形状阻力的血流储备分数数值模拟

目的构建一种将狭窄形状阻力作为边界条件的无创计算血流储备分数(FFRCT)的方法,检验其计算准确性。方法取16例患者冠状动脉CT血管造影图像进行三维重建;考虑狭窄最小横截面积、狭窄长度构建形状阻力的数学模型,并以此造成的压力差作为边界条件加载到FFRCT计算中(简称形状阻力法)。以临床FFR值作为金标准,从平均误差率、准确率、敏感性以及阳性、阴性预测率5个方面,对照以往的管径法和体积法,分析形状阻力法的准确性。结果基于管径法、体积法、形状阻力法计算FFRCT平均误差率分别为11.76%、10.46%、4.82%,准确率分别为85%、65%、90%,敏感性分别为85.7%、66.7%、87.5%,阳性预测率分别为75%、25%、87.5%,阴性预测率均为91.6%。结论从平均误差率、准确率、敏感性、阳性预测率方面,所建立的形状阻力法均优于管径法和体积法,形状阻力法计算的FFRCT与临床实测FFR具有良好的一致性,为FFRCT的计算和应用提供一种新方法。     

正常体位下人体椎动脉内血流动力学数值模拟分析

目的:保证研究对象的椎动脉在正常体位下,即保证研究对象没有向前或向后发生椎动脉过度拉伸或弯曲的情况下,采集临床CTA图像,应用三维重构方法构建体外人体真实椎动脉并应用计算流体力学方法进行血流动力学数值模拟,比较不同研究对象椎动脉的血流动力学参数,分析椎动脉狭窄与血流动力学的关系。方法:研究对象A椎动脉在基底动脉之前部分出现狭窄;研究对象B椎动脉正常。采集的临床CTA图像均为Dicom格式,层间距为0.5 mm,每片图像的平面分辨率为512×512,像素大小为0.5 mm。应用医学图像后处理软件Simpleware对CTA二维医学图像据进行处理得到人体椎动脉三维立体模型。将椎动脉三维立体模型导入到CFD软件中进行前处理、网格划分和数值模拟。结果:通过瞬态模拟计算,得到了椎动脉在心动周期内不同时刻的血流动力学参数。结论:通过对比两个不同个体的血流动力学参数来分析椎动脉内血流动力学参数与椎动脉狭窄的关系,发现椎动脉狭窄血流动力学因素(如低流速、低壁面切应力、高振荡壁面切应力)可以诱发和加速与动脉粥样硬化及血栓的形成,为进一步研究椎动脉狭窄等疾病的发病机理提供理论支持。     

心肌血流储备分数在冠状动脉介入治疗中的作用

随着冠状动脉介入（PCI）治疗在临床上的广泛应用，冠脉造影也越来越多的用来诊断病变和指导治疗。传统的冠脉造影只能在直观上估计血管病变的狭窄程度，不能判断这种狭窄是否已经产生临床缺血并影响到功能，进而决定是否需要进行或者立即进行冠状动脉介入治疗。而心肌血流储备分数（Fractional Flow Reserve，FFR）可用于监测和指导冠状动脉介入治疗，尤其是支架置入术。我院46例病人在FFR指导下接受支架置人术，取得了较好疗效，现报告如下。     

基于冠脉狭窄位置和优势型的血流储备分数与狭窄率的相关性分析

临床上对冠状动脉疾病通常采用影像学诊断方法指导治疗,然而其只能反映病变几何特征而无法反映功能状态。本文探究冠脉狭窄形态学与功能学之间的相关性,以期提高影像学诊断的有效性。本研究共纳入39位患者55支狭窄血管,采用医学统计分析方法对冠脉血流储备分数(FFR)和狭窄率进行相关性分析,讨论冠脉优势型和狭窄位置因素对其相关性的影响。研究发现,按照冠脉狭窄位置和优势型进行分组后,冠脉右优势型的左前降支狭窄患者的冠脉FFR与狭窄率存在相关性(r≈0.79,P0.000 1);分组后狭窄率诊断心肌缺血的准确性从70.9%提高到了82.8%(参考FFR0.80),敏感度(从72.2%提高到78.6%)和特异性(从70.3%提高到86.7%)也有明显改善。研究提示,冠脉狭窄位置和优势型是FFR与狭窄率相关性的重要影响因素,依据影像学检查结果诊断心肌缺血时纳入考虑这两个因素将有助于提高诊断的有效性。     

基于3D打印和CT三维重构数值模拟上呼吸道气流状态的研究方法

目的建立物理模型实验和数值模拟相结合的方法,用于研究上呼吸道气流状态。方法基于网上公开CT医学图像,重建人体上呼吸道三维模型。基于3D打印技术,建立上呼吸道实验模型,进行呼吸的流量过程测量实验;通过对上呼吸道三维模型进行网格划分,采用湍流Realizable k-ε数值模型进行计算。结果首先进行与实验工况对应的数值模拟对比研究,得到与实验吻合的结果。数值模拟结果表明,呼吸过程中的气流的流动轨迹呈抛物线形状,呼气和吸气阶段的流场、壁面压力和涡结构分布很大区别,呼吸交换过程中上下鼻道有空气残留。另外,通过脉线、压力分布和涡结构分布情况,初步分析气流对上呼吸道生理环境的影响。结论该方法具有针对性、快速性和准确性的特点,充分发挥了物理实验可靠和数值模拟精细的优点,适用于不同个案上呼吸道不同问题的研究,对临床个性化诊疗具有价值。     

人体冠状动脉精确解剖三维模型及有限元虚拟现实研究

目的　利用来自活体的CCTA数据建立不同狭窄程度冠状动脉的精确解剖三维模型,并对该组模型进行有限元流体力学模拟研究,分析血流速度在不同狭窄程度冠脉血管中的变化情况,以及其对动脉粥样硬化的造成的影响。 方法　利用临床患者冠脉的CCTA数据建立精确解剖的三维模型,再使用有限元软件建立有限元模型,设置各种边界条件进行模拟分析,最后采用各种直观的图形形式输出结果。 结果　血流速度在冠脉狭窄处明显加快,又在狭窄后区域明显减慢并且产生了涡流;这种明显变化的血流速度对动脉斑块会产生较大的影响。 结论　（1）利用CCTA数据建立的冠脉三维模型准确、真实。 （2）流速对动脉粥样硬化的发生发展扮演着重要的角色,狭窄动脉的流速变化可以加快动脉粥样硬化斑块的生长并影响斑块稳定性。     

基于VTK的医学图像网格化建模系统开发

开发了一套基于VTK的集医学图像处理、三维重建、有限元网格生成功能为一体的软件系统,实现了从医学图像到有限元网格解剖真实的几何建模.系统通过读取医学切片图像,在图像预处理、分割、表面重建、平滑与简化后生成解剖真实的几何模型和有限元网格.系统可输出CAD、RP/RM、有限元体网格文件,为基于医学图像的生物力学仿真、基于数值模拟的外科手术规划、快速成型与制造服务.     

出口边界条件和壁厚对冠状动脉壁面剪切力和冯米塞斯应力的影响

探讨基于个体化患者计算机断层血管造影(CTA)影像的冠状动脉流固耦合(FSI)数值分析中,不同出口边界条件和血管壁模型对时间平均壁面剪切力(TAWSS)和冯米塞斯应力(VMS)的影响。根据患者CTA影像重建右冠状动脉(RCA)管腔流域三维几何;将管腔流域表面向外扩张0.5 mm,形成均匀厚度血管壁;运用类似虚拟去除斑块的方法建立不均匀厚度血管壁模型。FSI分析时,分别给予zero和impedance两种出口边界条件;获得从舒张末期开始心动周期主要时间点TAWSS和VMS的分布,比较不同模型结果的差异。结果表明, 两种出口边界条件下,TAWSS空间分布基本一致,且血管狭窄段均高于其他部位;zero条件下峰值VMS出现在压强最大时刻点0.42 s,而impedance条件下峰值VMS出现在入口血流速度最大时刻点0.64 s,并且达到前者的20倍。同是impedance出口边界条件时,TAWSS分布基本一致,没有显著性差异;两种血管壁模型中,VMS的分布一致,血管狭窄段比其他部位低,但是不均匀厚度血管壁模型中局部位置VMS绝对值高于均匀壁厚血管壁模型。医学影像技术的发展可以提供更高精度的冠脉结构以及出入口速度和压强边界条件,不但对研究血流动力学以及结构力学因素与心血管疾病的关系具有重要意义,也可以更好的服务于患者个体化诊断与治疗。     

八排螺旋CT冠状动脉造影三维重建技术在临床上的应用

目的 探讨八排螺旋CT冠状动脉造影三维重建技术在临床上的应用.方法 25例患者均行螺旋CT冠状动脉造影成像,心率均在60-75次/分进行多层面螺旋CT扫描在心动周期R-R间期的75%的心电相位上进行横断面重建.然后采集的 数据行最大密度投影MIP、客积重建技术VR、多平面重建MPR、内窥镜、曲面重建,观察其对冠状动脉病变的显示.结果 25例患者显示左冠状动脉主干100%,左前降支、回旋支、右冠状动脉近段均清楚显示,其中11例冠状动脉内支架手术后:前降支5例、回旋支3例、前降支回旋支各一例、右冠状动脉2例,在MIP、VR、MPR上均能显示支架的位置和形态:8例显示冠状动脉狭窄:其中左前降支呈阶段性狭窄4例、回旋支狭窄2例、右冠状动脉2例、对8例冠状动脉CT成像提示有狭窄的患者进行了有创冠状动脉造影DSA检查,显示冠状动脉狭窄程度与三维成像均相对应;2例搭桥手术后吻合口通常:3例冠脉平扫显示钙化而造影后三维成像均未引起狭窄;1例扫描失败,由于心率不齐无法扫描.结论 25例冠状动脉造影经三维重建技术不仅显示冠状动脉的钙化、狭窄、斑块,而且还能观查桥血管是否通常,支架位置形态,远端血管的情况.与有创冠状动脉相比较.安全、快捷且经济,X射线少,是进行手术后评价的一种非创伤性检查方法 ,也是一种重要无创筛查手段.越来越多的被患者和临床医生接受.     

基于深度神经网络的冠脉造影图像的血管狭窄自动定位及分类预测

提出一套基于深度神经网络与监督学习的算法,用于对冠状动脉图像中的血管狭窄特征进行自动检测和分类.主要利用冠脉造影定量分析(QCA)作为标签进行监督学习,将冠脉狭窄的严重程度分为正常(＜25％狭窄分数)、狭窄(＞25％狭窄)类别,并实现图像中的狭窄定位检测.利用inception模型作为基础分类器,对图像级狭窄进行初步分...     

基于冠脉造影图像血管树分割的血管狭窄自动识别方法

针对冠状动脉造影图像中的血管狭窄位置进行自动识别,并且定量评估其狭窄程度,为临床医生提供一种计算机辅助诊断方法,从而提高对冠状动脉狭窄的诊断准确率,同时减轻医生的劳动强度。所提出的基于冠脉造影图像的血管狭窄自动识别方法包括血管树分割以及血管狭窄识别两部分。在血管树分割部分,首先通过基于Frangi Hessian的改进模型进行图像增强,随后利用基于统计学区域融合方法对血管区域进行分割。在血管狭窄识别部分,首先利用水平集算法对分割结果进行细化获得血管骨架,随后提取血管边缘进行血管直径测量,最后采用局部最小点法计算整幅图像血管段狭窄的百分比,对狭窄段进行定位并分级。实验在153例患者的血管造影图像中检测出狭窄共计208段,其中轻度84段,中度42段,重度82段。统计分析结果显示,血管狭窄识别平均准确率为93.59%,敏感性为88.76%,特异性为95.58%,阳性预测值为90.51%,表明该方法能够有效地检测和定量评价动脉血管的狭窄程度,有助于心血管疾病的临床诊断。     

血管造影图像序列中冠状动脉的三维运动估计

提出了由两个角度的单面血管造影图像序列估计冠状动脉骨架树三维运动的算法。首先对冠状动脉造影图像序列进行二维预处理和二维运动估计。然后根据冠脉造影系统的透视投影模型得到两幅不同角度的造影图像之间的几何变换关系，以及空间点三维坐标的计算方法。最后，在对整个图像序列进行分析的过程中，将三维运动估计与重建结合起来，得到各骨架点的三维运动向量。采用临床得到的冠状动脉造影图像序列对算法进行了验证，并分析了误差源。