一种预测TAVR后升主动脉内血流模式的方法

本公开涉及智慧医疗与生物力学，尤其涉及一种预测tavr后升主动脉内血流模式的方法。

背景技术：

1、主动脉瓣退行性钙化、先天性二叶主动脉瓣畸形等病变可引发升主动脉内血流模式异常，紊乱的血流会持续冲击、损伤血管壁，逐步造成升主动脉扩张，大幅提升主动脉夹层、血管破裂甚至患者死亡的风险，该类心脏瓣膜病变患病群体基数庞大，对人类生命健康造成严重威胁。

2、经导管主动脉瓣置换术（tavr）是目前临床治疗主动脉瓣病变的核心微创治疗手段之一，相较于传统开胸手术具有创伤小、恢复快、适应症广等优势。但现阶段临床tavr手术决策高度依赖医生个人临床经验与患者影像学结构指标，缺乏科学、精准的术前术后血流模式预判手段，无法定量评估手术预期治疗效果，难以实现个性化手术方案精准制定。

3、另外，现有技术中针对主动脉血流状态的研究技术，主要依托患者影像学数据完成血管分割重建，进而开展血流动力学模拟分析。现有血流动力学模拟技术中，模型的模拟边界条件大多采用固定已知参数或普通人群统计学平均值，未结合患者个体心血管生理特征进行个性化适配。

4、综上，现有技术有待进一步地改善。

技术实现思路

1、本发明目的在于解决现有技术无法个性化预测tavr术后患者升主动脉血流模式、术后血流参数获取精准度低、仿真边界条件缺乏生理依据的问题。

2、为解决上述技术问题，本公开实施例提供了一种预测tavr后升主动脉内血流模式的方法，包括以下步骤：

3、步骤1、建立零维心血管集中参数模型，依据患者术前医学数据，对零维心血管集中参数模型进行标定，零维心血管集中参数模型沿血流方向依次包括左心房模块、二尖瓣模块、左心室模块、主动脉瓣模块与体循环模块；

4、步骤2、将主动脉瓣模块的流阻模型替换为人工瓣膜流阻模型，模拟经导管主动脉瓣置换术，再求解完成标定的零维心血管集中参数模型，得到术后血流动力学参数时程，术后血流动力学参数时程包括术后主动脉压时程、术后主动脉瓣血流流量时程及术后跨瓣压差时程；

5、步骤3、根据患者术前医学影像数据，构建包含主动脉根部血管壁、自体瓣膜及钙化斑块的三维几何模型，基于三维几何模型开展tavr虚拟手术，建立有限元模型，将术后跨瓣压差时程作为驱动载荷施加至有限元模型，经瞬态动力学分析，提取心动周期内瓣环平面处瓣膜结构的运动投影时程；

6、步骤4、将术后主动脉瓣血流流量时程设为升主动脉入口流量边界条件，将术后主动脉压时程设为升主动脉出口压力边界条件，将运动投影时程设为升主动脉入口运动边界条件，执行计算流体动力学模拟，实现对术后升主动脉内血流模式预测。

7、在一些实施例中，在步骤1中，零维心血管集中参数模型基于流体网络与电学网络相似性原理构建得到，左心房模块、二尖瓣模块、左心室模块、主动脉瓣模块与体循环模块通过血流压力与流量的连续性条件耦合形成完整心血管循环系统，其中：

8、左心房模块采用恒压源模型，二尖瓣模块与主动脉瓣模块均采用伯努利型非线性电阻模型，左心室模块采用单纤维力学模型，体循环模块采用多组三元件温克塞尔模型串联结构。

9、在一些实施例中，在步骤1中，患者术前医学数据包括：主动脉压随时间变化关系、左心室压随时间变化关系、左心室舒张末期内径、左心室室间隔厚度、左心室后壁厚度、左心室射血分数、主动脉瓣处血流速度随时间变化关系、平均跨瓣压差、主动脉瓣有效瓣口面积中的任意组合。

10、在一些实施例中，步骤1中，对所述零维心血管集中参数模型进行标定包括：采用差分进化算法对零维心血管集中参数模型进行标定。

11、在一些实施例中，步骤1中，对所述零维心血管集中参数模型进行标定包括：在生理合理数值范围内随机生成初始参数种群；采用四阶龙格-库塔法求解模型常微分方程组，计算得到心动周期血流动力学仿真参数；构建多目标误差函数量化仿真数据与临床实测数据的偏差；通过变异、交叉、选择迭代优化，直至误差收敛，完成零维心血管集中参数模型个性化标定。

12、在一些实施例中，在步骤3中，患者术前医学影像数据包括：患者术前主动脉根部ct影像和主动脉瓣超声影像中的任意组合。

13、在一些实施例中，在步骤3中，构建包含主动脉根部血管壁、自体瓣膜及钙化斑块的三维几何模型包括：基于主动脉根部ct影像和主动脉瓣超声影像，通过主动脉根部ct影像分割、三维重建得到主动脉根部血管壁几何模型及钙化斑块几何模型，通过主动脉瓣超声影像构建自体瓣膜几何模型，主动脉根部血管壁几何模型、钙化斑块几何模型和自体瓣膜几何模型通过三维配准与布尔运算融合得到三维几何模型。

14、在一些实施例中，在步骤3中，瞬态动力学分析包括： 对三维几何模型赋予血管壁、瓣膜、钙化斑块的个性化材料属性，模拟人工瓣膜支架植入撑开过程完成虚拟手术；将时变跨瓣压差作为面力载荷施加于人工瓣膜结构，求解心动周期内瓣环平面各节点位移时程，拟合得到瓣膜运动空间投影时程。

15、在一些实施例中，步骤4中，计算流体动力学模拟包括：采用有限元法求解不可压缩纳维-斯托克斯方程，模拟至少35个心动周期直至血流场达到周期性稳定状态。

16、在一些实施例中，在步骤4中，术后升主动脉内血流模式的预测参数包括：升主动脉血流速度场、血管壁面剪切应力场、血流压力场和血流湍流强度中的任意组合。

17、采用上述技术方案，本公开至少具有如下有益效果：

18、1、提供了精确的术后血流动力学风险评估指标。本发明通过计算流体力学模拟可精准输出升主动脉血流速度场、血管壁面剪切应力场、血流压力场、血流湍流强度等多维度动力学参数，能够定量评估tavr术后升主动脉内血流模式的改善情况。

19、2、实现了患者特异性零维心血管模型的精准标定。通过差分进化算法融合术前超声与影像多源数据，以单纤维模型描述左心室力学行为、以三元件windkessel串联电路描述体循环，使模型能够准确复现患者术前主动脉压、左心室压、射血分数及跨瓣压差等个体化血流动力学特征，为tavr术后预测提供可靠的个体化基准。

20、3、实现了tavr术后血流动力学的术前无创伤预测。在手术实施前，仅通过修改零维模型中的主动脉瓣模块即可模拟人工瓣膜植入后的血流动力学响应，快速输出术后主动脉压、左心室压、跨瓣压差及血流量波形，为临床评估手术疗效、优选支架型号及制定植入策略提供定量化依据。

21、4、建立了零维血流动力学与三维结构力学的多尺度耦合机制。将零维模型预测的术后跨瓣压差时程作为面力载荷施加于tavr虚拟手术的有限元模型，驱动人工瓣膜在心动周期内的真实运动，获取瓣环平面处的运动投影，解决了传统模拟中瓣膜运动边界条件缺乏生理依据的问题，显著提升了术后血流模式预测的准确性。

1.一种预测tavr后升主动脉内血流模式的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的预测tavr后升主动脉内血流模式的方法，其特征在于，在步骤1中，所述零维心血管集中参数模型基于流体网络与电学网络相似性原理构建得到，所述左心房模块、所述二尖瓣模块、所述左心室模块、所述主动脉瓣模块与所述体循环模块通过血流压力与流量的连续性条件耦合形成完整心血管循环系统，其中：

3.根据权利要求1所述的预测tavr后升主动脉内血流模式的方法，其特征在于，在步骤1中，所述患者术前医学数据包括：主动脉压随时间变化关系、左心室压随时间变化关系、左心室舒张末期内径、左心室室间隔厚度、左心室后壁厚度、左心室射血分数、主动脉瓣处血流速度随时间变化关系、平均跨瓣压差、主动脉瓣有效瓣口面积中的任意组合。

4.根据权利要求1所述的预测tavr后升主动脉内血流模式的方法，其特征在于，步骤1中，对所述零维心血管集中参数模型进行标定包括：

5.根据权利要求4所述的预测tavr后升主动脉内血流模式的方法，其特征在于，步骤1中，所述对所述零维心血管集中参数模型进行标定包括：

6.根据权利要求1所述的预测tavr后升主动脉内血流模式的方法，其特征在于，在步骤3中，所述患者术前医学影像数据包括：患者术前主动脉根部ct影像和主动脉瓣超声影像中的任意组合。

7.根据权利要求6所述的预测tavr后升主动脉内血流模式的方法，其特征在于，在步骤3中，构建包含主动脉根部血管壁、自体瓣膜及钙化斑块的三维几何模型包括：

8.根据权利要求1所述的预测tavr后升主动脉内血流模式的方法，其特征在于，在步骤3中，所述瞬态动力学分析包括：

9.根据权利要求1所述的预测tavr后升主动脉内血流模式的方法，其特征在于，步骤4中，所述计算流体动力学模拟包括：

10.根据权利要求1所述的预测tavr后升主动脉内血流模式的方法，其特征在于，在步骤4中，所述术后升主动脉内血流模式的预测参数包括：升主动脉血流速度场、血管壁面剪切应力场、血流压力场和血流湍流强度中的任意组合。