一种等壁厚胃食管逆向建模与收敛型流固耦合仿真方法

本发明属于医学三维建模与生物力学有限元仿真，具体涉及一种等壁厚胃食管逆向建模与收敛型流固耦合仿真方法，适用于消化器官解剖数字化重构与反流疾病力学机制仿真分析。

背景技术：

1、胃食管反流病是消化内科高发慢性疾病，胃酸、胆汁持续性反流刺激食管黏膜，会逐步引发炎症、糜烂，长期迁延可进展为巴雷特食管，存在食管腺癌癌变风险。从临床分型统计，非糜烂性反流病占全部病例60%~70%，仅存在反酸灼痛主观症状，黏膜无器质性破损；反流性食管炎占20%~30%，伴随黏膜充血、糜烂甚至浅表溃疡；巴雷特食管占5%~10%，属于食管鳞状上皮被柱状上皮替代的癌前化生病变。三类病变黏膜力学耐受阈值、反流载荷响应特征差异显著，仅依靠临床内镜观测无法量化食管内部应力、剪切力分布，必须借助高精度数字化生物力学仿真模型开展机理研究。

2、当前用于胃食管生物力学分析的数字化建模与仿真技术存在两大核心瓶颈，分别为几何建模缺陷与数值求解稳定性缺陷： 第一，几何建模层面：传统建模大多仅采用单一视角ct切片提取器官轮廓，胃大弯、幽门、食管生理狭窄等高曲率解剖结构在单一切片成像中边界模糊，提取轮廓存在明显几何缺失；常规单向抽壳操作仅沿单侧法向偏移曲面，在曲率剧烈区域会出现局部壁厚骤增或骤减，严重时发生曲面穿模，无法复刻人体消化道均匀管壁生理结构；部分建模方案直接拉伸、切割实体几何模拟环咽肌、主动脉交叉、膈肌裂孔三处生理性狭窄，几何修改会造成狭窄区域网格尺寸突变、单元严重畸变，大幅降低仿真计算精度。 第二，数值仿真层面：胃食管软组织具备超弹性、大变形、近不可压缩非线性力学特性，胃液流动属于非定常瞬态流体，传统全域统一流固耦合方案将流体、固体场同步迭代求解，流体时变载荷与软组织大变形双重非线性效应叠加，极易造成迭代震荡、计算发散，多次调参仍难以收敛，计算效率与数据可靠性极低。

3、现有公开技术中，单独的 ct 逆向建模方案无法兼顾大曲率曲面连续性与全域等壁厚特性；常规流固耦合仿真算法未针对消化道软组织优化求解框架，二者无法形成完整配套技术体系，难以同时满足解剖几何保真度与数值计算稳定性双重需求。因此，亟需开发一套一体化胃食管逆向建模与高收敛性流固耦合仿真方法，从几何重构源头消除建模误差，从求解框架优化解决仿真发散难题。

技术实现思路

1、针对现有胃食管数字化建模存在单视角轮廓提取丢失大曲率解剖特征、单向抽壳壁厚不均、几何修改狭窄引发网格畸变，以及传统全域流固耦合求解易迭代发散的多重技术缺陷，本发明提供一种等壁厚胃食管逆向建模与收敛型流固耦合仿真方法。本发明搭建“ct双视角轮廓提取-多截面放样重构-曲率光顺双向等距抽壳-拓扑管腔清理-分区单向耦合仿真”完整技术链路，无需专用高精度扫描设备，仅依靠临床通用ct影像即可完成高保真消化道实体建模；创新采用等效位移边界模拟生理性狭窄、流体瞬态/固体稳态分区单向耦合策略，同步提升几何模型精度与仿真计算收敛性，适配各类正常及病理性胃食管样本的生物力学定量分析工作。

2、本发明整体分为高精度等壁厚逆向几何建模、分区收敛型流固耦合仿真两大独立技术模块，各模块创新机理分述如下：

3、1. 几何建模模块创新原理

4、（1） 双视角轮廓互补提取：单独冠状切片仅能完整捕捉胃部轮廓，轴状切片清晰呈现食管纵向形态，两类切片联合提取控制点，互相弥补单视角高曲率边界信息缺失，完整还原胃食管全段解剖外形；

5、（2） 曲率自适应g2光顺+双向同步抽壳：传统单向抽壳仅单侧偏移曲面，曲率突变区域会产生几何失真，本发明沿模型内、外法向同步生成等距曲面，全段维持统一管壁厚度；搭配曲率、挠率双约束光顺，在保留三处生理性狭窄关键几何前提下消除建模噪点，曲面光滑度达到有限元仿真标准；

6、（3） 位移边界等效狭窄表征：摒弃切割、拉伸实体的传统狭窄建模方式，通过在对应解剖区域施加匹配组织挤压效应的位移场复刻吞咽周期形变，不改动原始空腔几何，从根源规避狭窄区域网格畸变问题。

7、2. 流固耦合仿真模块创新原理

8、胃食管体系包含瞬态流动胃液、超弹性大变形食管软组织两类物理场，全域同步迭代会叠加双重非线性，造成数值不稳定。本发明拆分两类场求解时序：流体域单独瞬态求解，捕捉时变压力、剪切应力分布；固体域单独稳态求解，获取流体载荷作用下食管平衡应力应变；仅将流体计算结果单向映射至固体网格，取消双向迭代交互，大幅弱化非线性耦合带来的震荡，显著提升迭代收敛概率。同时采用yeoh超弹性应变势能模型精准匹配软组织近不可压缩、大变形力学特征，保障仿真物理真实性。

9、具体的，本发明采用的技术方案为：一种等壁厚胃食管逆向建模与收敛型流固耦合仿真方法，具体包括以下核心步骤：

10、步骤1，双视角ct断层轮廓联合提取

11、选取健康志愿者、反流性食管炎或巴雷特食管受试者开展多层ct扫描，统一设置层间距1.25mm，同步采集冠状面、轴状面两组影像序列；采用医学影像处理软件的closedcurve工具，分别在冠状切片勾勒胃部完整外轮廓、轴状切片勾勒食管完整外轮廓，导出两组轮廓离散坐标控制点集；采用三次b样条曲线拟合离散点，平滑连续化器官边界，统一两套轮廓空间坐标系后合并归档，构建完整胃食管解剖控制点数据集。

12、其中三次b样条曲线数学表达式为：

13、

14、式中：

n

i,3

(u)为三次b样条基函数，p

i为各截面轮廓离散控制点坐标。

15、步骤2，多截面放样初始三维实体重构

16、将统一坐标后的全部轮廓控制点批量导入三维cad建模软件，基于各截面轮廓的空间拓扑关系，采用放样loft曲面拟合算法，以分层样条曲线为引导轮廓逐层拼接实体；放样过程保证胃食管胃大弯、幽门、食管狭窄等高曲率过渡区域无曲面突变、无几何断层，生成连续光滑的初始胃食管三维实体模型。

17、步骤3，曲率自适应光顺与双向等距抽壳复合建模

18、将放样生成初始实体导入逆向工程处理软件开展曲面优化与双层实体构建，完整包含三层处理逻辑：

19、3.1 曲率自适应全域g2光顺处理：对实体全部曲面执行特征去除、随机噪点剔除、网格松弛、钉状物清除操作；通过空间曲线曲率、挠率指标约束曲面连续性，在保留环咽肌、主动脉交叉、膈肌裂孔三处生理性狭窄关键几何特征的基础上，实现全域g2级光滑过渡；

20、空间曲线曲率计算公式：

21、

22、空间曲线挠率计算公式：

23、

24、式中：c(t)代表空间曲线向量函数。

25、3.2 双向同步等距抽壳成型：依据人体实测胃食管管壁厚度设置偏移距离，沿实体内、外表面单位法向量同步生成等距偏移曲面，构建外壁实体、内壁曲面双层嵌套复合模型；双侧等距曲面通用表达式：

26、

27、式中：

s(u,v)为原始曲面参数方程，

s

offset

(u,v)为偏移后曲面，

d为管壁偏移厚度，

n(u,v)为曲面单位法向量。

28、3.3 解剖分区轮廓划分：分别对外层实体、内层曲面划分解剖边界；外层单独针对三处生理性狭窄增设专属轮廓线，内层依据黏膜自然走向划分分区，为后续有限元力学边界精准加载提供几何基准。

29、步骤4，拓扑清理与管腔端部贯通处理

30、将双层复合模型重新导入三维cad软件开展拓扑优化与空腔成型，分为两级操作：

31、4.1 冗余拓扑清除：通过布尔运算移除建模过程产生无生理意义辅助曲面、重叠面片，消除多源几何融合带来的非流形拓扑冲突，模型最终仅保留单一、封闭、水密实体基底；

32、4.2 管腔定向贯通：依据解剖标志定位食管上端环咽肌、远端幽门封闭区域，执行定向实体切除操作，贯通整条消化道管腔，还原人体胃食管连续通道生理结构，划分独立流体计算域与固体结构域几何边界，满足有限元网格划分前置几何要求。

33、步骤5，分区单向流固耦合有限元仿真建模

34、基于清理完成的等壁厚空腔实体搭建生物力学仿真模型，包含边界设置、材料定义、分区求解三大核心操作：

35、5.1 生理性狭窄等效位移边界加载：精准定位食管三处生理性狭窄区域，施加匹配周边软组织周期性挤压效应的位移场，动态复刻吞咽运动下狭窄部位形变与应力集中特征；非线性位移变形表达式：

36、

37、式中：i为单位张量，为参考坐标系下位移梯度张量；

38、5.2 软组织材料本构定义：选用yeoh超弹性应变势能模型表征胃食管软组织大变形、近不可压缩非线性力学特性，通过离体组织拉伸试验拟合材料本构参数；yeoh应变势能表达式：

39、

40、软组织第二piola-kirchhoff应力：

41、

42、式中：w为应变势能，i1为第一应变不变量，ci0为材料拟合系数，i为单位张量；

43、5.3 分区单向耦合求解框架：划分独立流体域、固体域，流体域设置瞬态求解模式，求解胃液质量、动量、能量守恒方程，捕捉时变压力与剪切应力；固体域设置稳态求解模式，接收流体单向映射载荷求解平衡应力场；流体至固体面积转换、载荷映射、固体动量平衡配套张量方程完成全场数值计算，仅单向传递激励，无双向迭代交互，抑制计算震荡。

44、本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

45、双视角轮廓联合提取机制，解决单一切片高曲率解剖边界丢失问题，三维重建模型几何保真度大幅提升，完整还原胃食管复杂生理外形；

46、内外双向同步等距抽壳工艺，区别传统单向单侧偏移方式，在胃大弯、幽门等曲率剧烈区域仍维持均匀管壁厚度，彻底消除曲面穿模、壁厚畸变缺陷；

47、位移边界等效模拟生理性狭窄，无需修改实体几何结构，从源头避免狭窄区域网格单元扭曲、畸变，提升有限元网格质量与仿真精度；

48、分区单向流固耦合求解框架，拆分流体瞬态、固体稳态迭代逻辑，取消双向耦合交互，弱化流体、软组织双重非线性叠加带来数值震荡，显著降低迭代发散概率，计算稳定性与求解效率同步提升；

49、建模数据源仅采用临床常规ct影像，无需高精度工业扫描转台等专用设备，硬件门槛低；建模、仿真全流程兼容健康志愿者、反流食管炎、巴雷特食管、食管裂孔疝各类样本，普适性强；

50、整套技术一体化衔接，从原始医学影像直接输出可用于定量力学分析的收敛型仿真模型，无需多软件反复几何修正，大幅缩短消化道生物力学仿真前处理周期。