一種虛擬肝靜脈壓力梯度的測量方法技術

本發明專利技術屬于早期無創性診斷領域，涉及一種虛擬肝靜脈壓力梯度的測量方法。本發明專利技術所述的一種虛擬肝靜脈壓力梯度的測量方法包括：肝靜脈?門靜脈系統三維建模；有限元網格劃分數學模型；以及流體力學仿真計算虛擬肝靜脈壓力梯度(vHVPG)。本發明專利技術優化并完善肝靜脈?門靜脈系統三維建模、有限元網格劃分和流體力學仿真計算，構建并驗證一種更具診斷優勢的vHVPG檢測新技術，為門脈高壓患者的早期無創診斷提供一種安全無創、準確量化的新途徑。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于早期無創性診斷領域，涉及一種虛擬肝靜脈壓力梯度的測量方法。
技術介紹
在全球范圍內，肝臟疾病(病毒性感染、酒精性肝病、非酒精性脂肪肝及相關的肝硬化、肝細胞肝癌)是導致死亡的主要原因之一，僅在中國肝臟疾病就威脅了近3億人的健康和生命，嚴重加劇了全球疾病的負擔。以乙型肝炎病毒感染引起的慢性肝病為例，據世界衛生組織報道，全球約20億人曾感染乙肝病毒，其中2.4億人為慢性乙肝病毒感染者，每年約有65萬人死于乙肝病毒感染所致的肝硬化、肝細胞肝癌等。在全球肝硬化患者中，由乙肝病毒感染引起的為30％。而在我國，由于感染乙肝病毒而導致的肝硬化比例高達60％。因此，肝硬化的高發病率和較差的臨床結局已造成了國內外嚴重的社會公共健康問題。門脈高壓是肝硬化失代償期的重要表現之一，由于其本身并無癥狀，臨床上門脈高壓的發現和診斷常由于出現晚期嚴重的并發癥，如：急性靜脈曲張破裂出血、頑固性腹水、肝性腦病、門脈高壓性胃腸病、肝腎綜合癥、肝肺綜合癥和繼發感染等。因此，門脈高壓及其并發癥嚴重影響了肝硬化患者的生活質量和長期預后，對于門脈高壓(尤其是早期無癥狀性門脈高壓)的診斷和監測是肝硬化等終末期肝病治療鏈中最重要的環節之一。在最新的2015版BavenoVI共識(門脈高壓的風險分層和個體化管理)中，有創性肝靜脈壓力梯度(hepaticvenouspressuregradient,HVPG)的測量繼續被推薦為診斷臨床顯著性門脈高壓的金標準，即HVPG≥10mmHg可確診(deFranchisR#*,BavenoVIFaculty.Expandingconsensusinportalhypertension:ReportoftheBavenoVIConsensusWorkshop:Stratifyingriskandindividualizingcareforportalhypertension.JHepatol.2015；63(3):743-752.)。該侵襲性方法是通過頸內靜脈穿刺置管，依次經過頸內靜脈、上腔靜脈、右心房、下腔靜脈進入肝靜脈，分別測量肝靜脈自由壓(freehepaticvenouspressure,FHVP)和肝靜脈楔入壓(wedgedhepaticvenouspressure,WHVP)，計算兩者差值得到HVPG[BloomS#,KempW,LubelJ*.Portalhypertension:pathophysiology,diagnosisandmanagement.InternMedJ.2015；45(1):16-26.]。此外，HVPG對于治療應答、并發癥風險和長期預后也可提供重要信息，其數值的變化被推薦為研究預后的替代指標。此外，HVPG測量還被鼓勵用于研究門脈高壓創新診斷和治療方法的臨床試驗中。然而，測量HVPG也存在一些問題，首先其檢測手段為有創性，在門脈高壓早期尚無嚴重并發癥時很難被患者所接受；其次，測量過程需由經過專業化培訓的介入醫生在肝靜脈造影的輔助下進行，這不但增加了受試者的射線暴露和造影劑過敏可能，還存在有一定的技術操作風險；加之其高昂的診斷費用，HVPG測定在我國受到很大限制，目前僅有部分三級甲等醫院開展。除此之外，門脈高壓的有創性診斷技術還包括：超聲引導下門脈穿刺測壓和開腹手術中直接門脈測壓[deFranchisR#*,Dell'EraA.Invasiveandnoninvasivemethodstodiagnoseportalhypertensionandesophagealvarices.ClinLiverDis.2014；18(2):293-302.]。然而，直接測量門脈壓力的風險更大、對操作者的技術水平要求也更高，在臨床實踐中很難被醫生和患者所采納，目前仍多用于動物實驗性研究。門脈壓力的無創性評估是目前該領域研究的重要內容，主要包括以下三個方面：(1)檢測肝內阻力：肝內阻力增加是導致門脈高壓形成的重要因素。內源性縮血管物質的釋放和肝組織結構的紊亂可促使肝內阻力的顯著升高。有研究提示，血清內皮素-1表達水平與HVPG存在相關性，但該結論尚缺乏大樣本量臨床試驗的支持。另一方面，肝內機械結構的改變也會導致肝內阻力增加，臨床上多采用肝瞬時彈性成像(FibroScan)技術，通過對肝臟硬度值的測定來評估肝硬化程度，該方法操作簡便、重復性好。但也有報道指出，FibroScan的診斷準確性受到肥胖、肋間隙狹窄、炎癥等因素干擾，對門脈高壓并發癥(如高風險食管靜脈曲張)的預測價值不高，需聯合其他無創指標進行綜合判斷。(2)測定門脈循環血量：門脈高壓的直接因素為循環血量的積聚升高超過了機體的代償，當肝硬化伴發重度門脈高壓時，心輸出量也會明顯升高且與HVPG存在高度相關性。有研究利用彩色多普勒超聲(colorDopplerultrasound,CDUS)對肝硬化患者的門脈直徑和血流速度進行測定，在此基礎上計算門脈系統的循環血量。然而，CDUS測量技術的主觀性較強且易受到肥胖等因素干擾，尚無準確的臨床證據表明經血流速度和門脈直徑計算的門脈壓力與HVPG具有較高的診斷一致性。此外，CT血管成像(CTangiography,CTA)和磁共振靜脈顯像也可以評估門脈系統的循環血量。然而，其測定原理仍是基于門脈直徑和側枝循環來間接評價門脈壓力。(3)仿真計算門脈壓力：虛擬仿真技術是計算機圖形學、醫學圖像處理、軟件工程計算等多學科交叉融合的結晶。以計算機仿真輔助醫學影像獲得的虛擬人體數據為疾病的介入診斷和治療提供了全新的思路。目前已有多項國際前瞻性臨床試驗表明，基于CTA和流體力學計算獲得的血流儲備分數對于冠狀動脈的功能性狹窄具有高度診斷價值，相關仿真計算軟件也已獲得美國食品藥品監督管理局的上市批準。門脈壓力的各種測定技術目前仍受到各自干擾因素的影響，或者有創風險大、操作難度高，或者干擾因素多、數值變異大。此外，國內外該領域研究的主要問題還表現在：評估范圍局限于門脈主干，未考慮肝靜脈-門靜脈系統的整體影響；僅考慮到門脈血液動力學因素，忽略了肝硬化患者的血液流變學改變，如血液黏度的變化和紅細胞變形能力的降低都會促使門脈阻力的升高。目前國內外相關報道中，門脈高壓的診斷方法，特別是早期無創性診斷技術，仍有待進一步研究完善。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種虛擬肝靜脈壓力梯度的測量方法，以此為基礎可以構建一種更具診斷優勢的虛擬肝靜脈壓力梯度檢測新技術，為門脈高壓患者的早期無創診斷提供一種新的途徑。...

【技術保護點】
一種虛擬肝靜脈壓力梯度的測量方法，其特征在于，包括以下步驟：A.從標本的肘正中靜脈注射造影劑，進行CT血管成像(CTA)，獲取包括肝靜脈期在內的CTA圖層序列，導出圖層序列，格式為dicom，層厚1.25mm，圖像分辨率512×512像素；B.將所獲取的CTA圖層序列導入醫學影像控制軟件MIMICS，選擇肝靜脈期圖層序列，設置圖像序列的方位，MIMICS軟件自動識別圖像序列，生成肝靜脈期CTA圖像序列的冠狀位、矢狀位和水平位圖像；C.尋找圖像中的肝靜脈?門靜脈系統(目標)，利用MIMICS軟件的Thresholding(閾值算法)工具，以盡量包含目標的CT值、盡量排除臨近目標的周圍肝臟等軟組織的CT值為原則，設定閾值范圍，以提取目標；利用MIMICS軟件的Regiongrowing(區域增長)工具，選定目標，以提取只與目標在空間結構上有連接的結構；利用MIMICS軟件的Calculate?3D?from?mask(三維建模)工具，選擇quality(質量)為medium(中等精度)，建立初步的肝靜脈?門靜脈三維模型；D.利用MIMICS軟件的Crop?mask(裁剪蒙板)工具進一步提取目標結構，剔除部分非目標結構；再利用MIMICS軟件的Edit?masks?in?3D(三維編輯蒙版)工具，剔除剩余的非目標結構，只保留肝靜脈?門靜脈系統；反復利用MIMICS軟件的Edit?masks?in?3D(三維切割)工具和Edit?mask(二維編輯蒙板)工具，進一步對肝靜脈?門靜脈系統進行選擇性填充、剔除噪點像素，從而重建內腔封閉的肝靜脈?門靜脈系統實心三維模型；E.利用MIMICS軟件的Smoothing(光滑)操作，將三維模型進行表面光滑處理；將光滑處理后的實心三維模型的幾何模型數據選擇Ansys?area?element(Ansys軟件面文件)格式(.inp)導出；F.在ANSYS經典模式下，導入所述面文件(格式為.inp)，將長度單位統一為國際單位m；以面為基礎建立肝靜脈?門靜脈系統模型的實心模型體；G.通過布爾操作對肝靜脈?門靜脈系統模型的血流入口及出口作垂直切面，得到模擬肝靜脈自由壓(vFHVP)的開放的幾何模型；完成上述操作后，將文件以后綴為.IGS格式導出備用(IGS是一種三維數值模型文件格式，ANSYS?Workbench模塊可讀取)；H.建立ANSYS?Workbench有限元計算平臺，包括Geometry幾何模型模塊、Fluent流體計算模塊和Results模塊(即CFD?POST后處理模塊)。通過Geometry模塊將IGS文件導入，在Mesh(劃分網格)單元中，劃分對象為導入的數值模型，網格劃分方法設置為Tetrahedrons(四面體型)，在Physics?Preference(物理設置)中選CFD(計算流體力學分析)，在Solver?Preference(求解設置)中選Fluent(使用Fluent求解流場)；考慮到運算精確度以及計算機運行速度，對劃分網格尺寸進行限定，max?face?size(最大面尺寸)設置為1.5mm，max?size(最大尺寸)設為4mm；完成以上設置后，通過Generate?Mesh(產生網格)完成網格劃分；I.在流體力學計算模塊Fluent的solution(解決方案)中設置材料參數(血液密度、血液粘度、血管壁密度)，使模型的物理屬性接近人體生物學屬性，提高仿真的準確度；求解控制參數(計算步長、迭代次數、最大循環次數)和邊界條件(命名血流入口面，并賦予速度值，命名出口面后賦予壓力值，未命名的血管壁設置為wall)，門靜脈血流雷諾數Rε<2000，故仿真流體設置為層流；運算初始化設置為從入口面開始；完成上述參數設定后，模擬血管壁與血液的流體?固體耦合，計算獲得仿真三維血管模型的壓力分布和血流分布；J.在results后處理模塊中，對結果進行讀取，通過contour(輪廓)操作顯示肝?門靜脈模型壓力分布圖；利用軟件自帶的calculators選項卡，計算獲取虛擬肝靜脈自由壓(vFHVP)數值；K.創建一個直徑大于或等于被截斷血管的圓柱體來模擬阻斷球囊，通過布爾運算對肝右靜脈進行阻斷，得到模擬肝靜脈楔入壓(vWHVP)的開放的幾何模型，并以IGS文件導出備用(參考步驟F)；將IGS文件導入到ANSYS?workbench中，在產生的兩個截面分別賦予0m/s的速度模擬血流停滯，其余材料參數、邊界條件和求解控制參數不變，計算得到虛擬肝靜脈楔入壓(vWHVP)，在results模塊中讀取虛擬肝靜脈楔入壓(vWHVP)；L.求出所述vWHVP與所述vFHVP的差值，即為虛擬肝靜脈壓力梯度(vHVPG)。...

【技術特征摘要】
1.一種虛擬肝靜脈壓力梯度的測量方法，其特征在于，包括以下步驟：
A.從標本的肘正中靜脈注射造影劑，進行CT血管成像(CTA)，獲取包括肝靜
脈期在內的CTA圖層序列，導出圖層序列，格式為dicom，層厚1.25mm，圖像
分辨率512×512像素；
B.將所獲取的CTA圖層序列導入醫學影像控制軟件MIMICS，選擇肝靜脈期圖
層序列，設置圖像序列的方位，MIMICS軟件自動識別圖像序列，生成肝靜脈期
CTA圖像序列的冠狀位、矢狀位和水平位圖像；
C.尋找圖像中的肝靜脈-門靜脈系統(目標)，利用MIMICS軟件的Thresholding
(閾值算法)工具，以盡量包含目標的CT值、盡量排除臨近目標的周圍肝臟等
軟組織的CT值為原則，設定閾值范圍，以提取目標；利用MIMICS軟件的Region
growing(區域增長)工具，選定目標，以提取只與目標在空間結構上有連接的
結構；利用MIMICS軟件的Calculate3Dfrommask(三維建模)工具，選擇quality
(質量)為medium(中等精度)，建立初步的肝靜脈-門靜脈三維模型；
D.利用MIMICS軟件的Cropmask(裁剪蒙板)工具進一步提取目標結構，剔
除部分非目標結構；再利用MIMICS軟件的Editmasksin3D(三維編輯蒙版)
工具，剔除剩余的非目標結構，只保留肝靜脈-門靜脈系統；反復利用MIMICS
軟件的Editmasksin3D(三維切割)工具和Editmask(二維編輯蒙板)工具，
進一步對肝靜脈-門靜脈系統進行選擇性填充、剔除噪點像素，從而重建內腔封
閉的肝靜脈-門靜脈系統實心三維模型；
E.利用MIMICS軟件的Smoothing(光滑)操作，將三維模型進行表面光滑處
理；將光滑處理后的實心三維模型的幾何模型數據選擇Ansysareaelement(Ansys
軟件面文件)格式(.inp)導出；
F.在ANSYS經典模式下，導入所述面文件(格式為.inp)，將長度單位統一為
國際單位m；以面為基礎建立肝靜脈-門靜脈系統模型的實心模型體；
G.通過布爾操作對肝靜脈-門靜脈系統模型的血流入口及出口作垂直切面，得到
模擬肝靜脈自由壓(vFHVP)的開放的幾何模型；完成上述操作后，將文件以后
綴為.IGS格式導出備用(IGS是一種三維數值模型文件格式，ANSYSWorkbench

\t模塊可讀取)；
H.建立ANSYSWorkbench有限元計算平臺，包括Geometry幾何模型模塊、

【專利技術屬性】
技術研發人員：祁小龍，李國新，黃家樂，朱炎杰，趙永昭，劉燕娜，
申請(專利權)人：南方醫科大學南方醫院，
類型：發明
國別省市：廣東;44