Study on Forward Numerical Simulation and Instantaneous Seismic Attributes of Natural Gas Hydrate in Permafrost Area
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摘要:
天然气水合物是一种具有巨大潜能的新型能源，研究冻土区天然气水合物的地震响应特征，对我国陆域天然气水合物的勘探和开发具有重要意义。本文运用Kelvin粘弹性介质模型，基于祁连山冻土区的实际地质地层条件，建立理论地质-地球物理模型；采用交错网格有限差分法进行正演数值模拟，并对自激自收地震记录进行波场特征分析和提取瞬时地震属性。研究结果表明：地震波通过天然气水合物地层时，反射振幅能量较弱；在瞬时频率属性剖面可分辨层厚的范围内，瞬时频率随着层厚增加，频率在小幅度衰减；地震波通过含天然气地层时，反射波表现为强反射特征，瞬时频率能量明显增大；瞬时地震属性对波阻抗界面有更好的分辨能力，特别是瞬时相位属性剖面，作用明显。因此，综合分析波场特征与瞬时属性特征可以为陆域天然气水合物的识别、预测提供依据。
Abstract:Natural gas hydrate is a new energy source with great potential. Studying the seismic response characteristics of natural gas hydrate in permafrost area is crucial to the exploration and development of natural gas hydrate in China's land area. Based on the Kelvin viscoelastic media model, our work establishes a theoretical geological-geophysical model based on the actual geological and stratigraphic conditions of the Qilian Mountain permafrost, uses the staggered-grid finite difference method to perform forward numerical simulation, and performs wave field characteristic analysis and instantaneous seismic attribute extraction of self-excitation and self-receiving seismic records. The results show that the reflected amplitude energy is weaker when the seismic wave passes through the gas hydrate formation. In the range where the instantaneous frequency attribute profile can distinguish the layer thickness, the instantaneous frequency decreases marginally with the increase of the layer thickness. When seismic waves pass through natural gas-bearing formations, the reflected waves show strong reflection characteristics, and the instantaneous frequency energy increases. The instantaneous seismic attribute has better resolution for the wave-impedance interface, especially the instantaneous phase attribute profile. Therefore, the comprehensive analysis of the instantaneous attribute characteristics can provide a basis for the identification and prediction of terrestrial gas hydrates.
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房间隔缺损（atrial septal defect，ASD）是临床最常见的成人先天性心脏病（congenital heart disease，CHD），占所有CHD的6％～10％[1]。ASD患者因体-肺分流的存在，右心室（right ventricle，RV）前负荷过载，引起右心结构重塑、功能减退，肺血管阻力（pulmonary vascular resistance，PVR）、肺动脉压力（pulmonary artery pressure，PAP）进行性升高，若进展至肺动脉高压（pulmonary arterial hypertension，PAH）、右心衰竭将大大减小临床干预缺损闭合的适用性[2-3]，患者远期生存率明显降低[4]。因此，对ASD患者的PAH进行长期监测与评估管理具有重要意义。
目前超声心动图检查作为临床常用检查手段，仍有受声窗限制、对操作者依赖等不可避免的缺陷。心脏双源CT（dual source CT，DSCT）检查具有良好的时间分辨率和图像质量，使用放射线剂量减低，较心脏超声可重复性高，测量更精准[5]，如合并其他先天畸形能提供更丰富的信息，其用于术前评价心脏相关疾病的价值越来越受到临床重视。既往研究显示CT二维心血管测量能有效反应PAP。由于ASD具有特殊的血流动力学和疾病发展过程[6]，其发生PAH与多种因素相关，包括缺损大小、类型，患者年龄、遗传及免疫等[7]，CT测量指标是否同样适用有待验证。
本研究旨在通过DSCT测量成人ASD患者治疗前的心血管相关参数，分析其与右心导管检查（right cardiac catheterization，RHC）指标相关性，探讨其在成人ASD合并PAH中的诊断价值。
1. 资料与方法
1.1 研究对象
本文选取自2019年1月至2022年3月在徐州医科大学附属医院确诊的75例ASD患者，其中男性21例，女性54例；年龄18～69（42.72±14.71）岁。根据肺动脉高压诊断金标准[8]，即患者在海平面、静息状态下，经RHC测定患者的肺动脉平均压（mean pulmonary arterial pressure，mPAP）是否≥25 mmHg，将所有纳入对象分为PAH组40例、无PAH组35例。
纳入标准：①临床首次确诊或从未进行过临床治疗，包括药物和手术治疗的ASD成年患者；②所有患者均进行 RHC检查并于前一周内行DSCT先天性心脏病检查。
排除标准：①双向分流 ASD患者或已发展为艾森曼格综合征、合并其他心脏大血管畸形、严重心脏瓣膜病、其他可能导致左心衰竭/肺循环充血性疾病、严重心律失常及心肌病/心肌炎等；②合并糖尿病、结缔组织病、呼吸系统疾病、胸廓畸形、胸膜病变等可能影响肺血管的疾病；③有胸部手术史；④CT图像质量不佳无法满足测量标准。
1.2 临床基线资料收集
通过查阅住院电子病历收集纳入对象的临床基线资料，包括年龄、性别、身高、体重等。
1.3 RHC方法
在患者平卧位、局部麻醉状态下，术者选择右侧股静脉穿刺成功后，采用6F MPA2导管在透视状态下进行操作，测量并收集血流动力学指标包括肺动脉收缩压（pulmonary artery systolic pressure，PASP）、肺动脉舒张压（pulmonary artery diastolic pressure，PADP）、mPAP、PVR。
1.4 DSCT先天性心脏病检查方法
所有患者采用Siemens Somatom Force型双源CT机，按照标准位置连接心电导连线，取仰卧位，双臂上举，经右肘前静脉注射非离子型碘佛醇（I Oversol，350 mgI/mL江苏恒瑞）。根据体质量，对比剂注射流率3.0～5.0 mL/s。
采用对比剂跟踪技术触发，感兴趣区置于升主动脉处，当感兴趣区CT值达到100 HU时，延迟6 s扫描，于25％～40％ R-R间期进行数据采集。扫描范围从胸廓入口至膈下2 cm，扫描野包括整个心脏及胸部大血管。扫描参数：管电压80～120 kV，管电流380～420 mA，层厚1 mm，准直1.25 mm。
1.5 DSCT心血管参数测量
将原始图像导入后处理工作站进行心血管参数测量，所有测量数值取3次测量结果的平均值，血管测量参数包括升主动脉直径（ascending aortic diameter，AAD）、主肺动脉直径（main pulmonary artery diameter，MPAD）、左肺动脉干直径（left pulmonary artery diameter，LPAD）、右肺动脉干直径（right pulmonary artery diameter，RPAD）、右下肺动脉干直径（right lower pulmonary artery diameter，RLPAD）。
测量方法：在CT轴位图像上选取肺动脉最大层面，由升主动脉中心点发出垂直于主肺动脉长轴所得的主肺动脉径长即为MPAD（图1（a）和图2（a）），同一层面的升主动脉最短径即为AAD（图1（a）和图2（a））；在CT轴位图像上选取右肺动脉干最大层面，做升主动脉中心点和升主动脉缘与右肺动脉右侧缘相切点之间的连线，其延长线所得右肺动脉干管径即为RPAD取值（图1（b）和图2（b））；在CT轴位图像上选取左肺动脉干最大层面，做左上肺静脉中心点和左上肺静脉与左肺动脉左侧缘相切点之间的连线，其延长线所得左肺动脉干管径即为LPAD（图1（c）和图2（c））；在右肺中下叶支气管分叉层面，测量右下肺动脉的短径，记为RLPAD（图1（d）和图2（d））。计算主肺动脉直径与升主动脉直径的比值（rPA）。
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图 1 女，57岁，ASD合并PAH，mPAP=41.0 mmHgFigure 1. Female, 57 years old, atrial septal defect with pulmonary hypertension, mPAP=41.0 mmHg![]()
图 2 女，57岁，ASD不合并PAH，mPAP=16.0 mmHgFigure 2. Female, 57 years old, atrial septal defect without pulmonary hypertension, mPAP=16.0 mmHg心脏测量参数包括右心室短轴最大内径（RVD）、左心室短轴最大内径（LVD）和脊柱室间隔夹角、ASD直径。测量方法：在CT轴位图像上测量RV、LV游离壁心腔面与室间隔的最大垂直距离，即RVD、LVD（图1（e）和图2（e））；在同一层面取胸骨中点与胸椎棘突的连线，测量此线与室间隔中心线向前所成夹角的度数，即脊柱室间隔夹角（图1（f）和图2（f））。计算右心室腔短轴最大内径与左心室腔短轴最大内径的比值，即RVD/LVD。选取CT轴位像上房间隔缺损最大层面测量ASD直径。
1.6 统计学分析
使用SPSS 26.0统计软件进行数据分析。计量资料以均数±标准差
$(\bar x\pm s)$ 表示，计数资料以例数（构成比）表示；两组间RHC指标、CT心血管参数差异比较采用独立样本t检验。使用ROC曲线评价DSCT对成人ASD合并PAH的诊断效能，计算和比较ROC曲线下面积（AUC），确定其截断值、敏感度、特异度；使用Pearson等级相关系数分析mPAP与CT心血管参数之间的相关性。P<0.05为差异具有统计学意义。
2. 结果
2.1 临床基线资料与RHC指标结果
本研究共纳入75例成人ASD患者，分为PAH组40例和无PAH组35例。两组间年龄、性别、体表面积（body surface area，BSA）比较差异均无统计学意义（表1）；PAH组患者NYHA心功能分级比无PAH组患者差，差异有统计学意义；PAH组RHC指标PASP、PADP、mPAP、PVR较无PAH组升高，差异有统计学意义（表1）。
表 1 两组间临床基线资料及RHC指标比较Table 1. Comparison of clinical baseline data and right heart catheterization indexes between the two groups项目 组别 P 无PAH组（n=35） PAH组（n=40） 年龄/岁 40.49±16.99 44.68±12.28 0.22 男性/（n，％） 11.00（31.43） 10.00（25.00） 0.54 BSA/m2 1.65±0.11 1.67±0.14 0.59 NYHA分级 <0.05 Ⅰ～Ⅱ级（n，％） 35.00（100.00） 31.00（77.50） Ⅲ～Ⅳ级（n，％） 0.00（0.00） 9.00（22.50） PASP/mmHg 38.03±12.78 50.85±20.76 <0.05 PADP/mmHg 16.12±6.80 20.98±8.80 <0.05 mPAP/mmHg 17.97±2.75 34.00±11.08 <0.05 PVR（Wood） 1.38±0.67 5.70（3.24～15.12） <0.05 2.2 DSCT心血管参数结果
与无PAH组比较，PAH组MPAD、RPAD、LPAD、RLPAD、RVD、脊柱室间隔夹角、rPA、RVD/LVD、ASD直径均升高，存在显著性差异（表2）；两组间AAD、LVD差异无统计学意义（表2）。
表 2 两组间CT心血管参数测量值比较Table 2. Comparison of CT cardiovascular parameters between the two groups心血管参数 组别 P 无PAH组（n=35） PAH组（n=40） AAD 28.91±4.74 28.41±4.81 0.652 MPAD/mm 31.14±6.27 36.34±8.52 <0.05 RPAD/mm 23.66±5.28 27.91±6.23 <0.05 LPAD/mm 23.05±5.24 27.30±5.84 <0.05 RLPAD/mm 14.24±2.78 16.49±3.75 <0.05 RVD/mm 43.22±9.72 48.43±8.75 <0.05 LVD/mm 35.97±5.77 34.87±7.89 0.499 脊柱室间隔夹角/° 51.93±12.83 61.87±11.68 <0.05 rPA 1.08±0.18 1.31±0.38 <0.05 RVD/LVD 1.21±0.24 1.43±0.29 <0.05 ASD直径/mm 17.28±4.43 24.95±5.32 <0.05 2.3 以RHC指标mPAP为PAH金标准，分析DSCT心血管参数对PAH的诊断效能
DSCT测量所得MPAD、RPAD、LPAD、RLPAD、脊柱室间隔夹角、rPA、RVD/LVD、ASD直径对PAH具有诊断价值（AUC均>0.5，P均<0.05），其中RPAD、LPAD、脊柱室间隔夹角、rPA、RVD/LVD、ASD直径对PAH具有中等强度的诊断效能（AUC>0.7）（表3）。
表 3 CT心血管参数预测PAH的ROC曲线分析Table 3. ROC curve analysis of CT cardiovascular parameters predicting PAH心血管参数 AUC值（95％CI） P 截断值 敏感度/％ 特异度/％ 约登指数 MPAD/mm 0.68（0.55～0.80） <0.05 35.00 0.58 0.74 0.32 RPAD/mm 0.71（0.59～0.83） <0.05 21.95 0.88 0.51 0.39 LPAD/mm 0.72（0.60～0.83） <0.05 23.50 0.80 0.60 0.40 RLPAD/mm 0.68（0.56～0.81） <0.05 16.95 0.45 0.91 0.36 脊柱室间隔夹角/° 0.72（0.61～0.84） <0.05 63.35 0.53 0.86 0.38 rPA 0.70（0.58～0.82） <0.05 1.20 0.63 0.83 0.45 RVD/LVD 0.71（0.59～0.82） <0.05 1.22 0.83 0.51 0.34 ASD直径/mm 0.85（0.77～0.93） <0.05 22.32 0.68 0.89 0.56 2.4 相关性分析
MPAD、RPAD、LPAD、RLPAD、脊柱室间隔夹角、rPA、RVD/LVD、ASD直径与mPAP均呈正相关，其中MPAD、rPA、ASD直径与mPAP呈中度正相关（表4）。MPAD、rPA、RVD/LVD与PVR呈中度正相关，ASD直径与PVR呈高度正相关（表5）。DSCT测量的心脏参数脊柱室间隔夹角、RVD和RVD/LVD三者间互为正相关，LVD与RVD呈正相关，LVD与脊柱室间隔夹角呈负相关，LVD与RVD/LVD无显著相关性（表6）。
表 4 mPAP与CT心血管测量参数相关性分析Table 4. Correlation analysis of mPAP and CT cardiovascular measurement parameters心血管参数 r P MPAD/mm 0.51 <0.05 RPAD/mm 0.45 <0.05 LPAD/mm 0.44 <0.05 RLPAD/mm 0.47 <0.05 脊柱室间隔夹角/° 0.36 <0.05 rPA 0.61 <0.05 RVD/LVD 0.47 <0.05 ASD直径/mm 0.62 <0.05 表 5 PVR与CT心血管测量参数相关性分析Table 5. Correlation analysis of PVR and CT cardiovascular measurement parameters心血管参数 r P MPAD/mm 0.56 <0.05 RPAD/mm 0.48 <0.05 LPAD/mm 0.47 <0.05 RLPAD/mm 0.44 <0.05 脊柱室间隔夹角/° 0.39 <0.05 rPA 0.63 <0.05 RVD/LVD 0.52 <0.05 ASD直径/mm 0.81 <0.05 表 6 CT心脏参数测量值相关性分析Table 6. Correlation analysis of CT cardiac parameter measurements相关系数 RVD LVD RVD/LVD 脊柱室间隔夹角 RVD 1.00 LVD 0.49** 1.00 RVD/LVD 0.45** -0.06 1.00 脊柱室间隔夹角 0.52** -0.47** 0.50** 1.00 注：**-在0.01级别（双尾），相关性显著。 3. 讨论
ASD患者肺血管流量和压力持续性增加，肺血管内皮细胞受损、代谢功能紊乱，右心后负荷增加并加剧前负荷，产生恶性循环，心肺血管形态重塑、功能障碍，PVR、PAP进行性升高，当超过右心、肺血管代偿能力时出现不可逆性PAH、右心衰竭，治疗预后极差。Engelfriet等[4]对欧洲心脏病多中心数据库关于成人心脏间隔缺损患者的研究中提到即使关闭心脏间隔缺损，PAH仍可发生或继续进展。因此，维持ASD患者终身血流动力学稳定是重要的治疗目标[9-10]。RHC是目前评价PAH的金标准，但属于有创性操作，有发生严重并发症可能性，患者依从性较差，且对PAH的病因及心脏形态等信息提供有限[11]。DSCT作为一种无创、有效、成像速度快、可重复性高的检查手段，已成为先天性心脏病诊疗中不可或缺的部分。
RVD/LVD作为比值参数，影像观察直观，并一定程度消除扫描时处于不同心动周期时相所造成的个体差异，是评估PAH简便、可靠的方式。张伟等[12]用CTPA评估急性肺栓塞患者发生PAH的研究中发现，随着PAP升高，RVD明显增大（轻度PAH组（38.46±5.43）mm，中重度PAH组（44.95±6.86）mm）而LVD呈减小趋势，相应RVD/LVD显著增加。梁妍等[13]用磁共振测得在分流型先心病患者中PAH组（38.55±6.63）mm，RVD较无PAH组（32.36±4.82）mm增大，双心室内径比值随PAP升高而不断扩大（PAH组（1.55±0.55）mm，无PAH组（1.13±0.26）mm）。
本研究显示PAH组RVD/LVD较无PAH组明显增大，RVD/LVD与mPAP、PVR均呈正相关，对mPAP截断值为1.22，敏感度为82.50％。本研究还发现两组患者RVD普遍增大，LVD与RVD呈正相关，但LVD与RVD/LVD无显著相关，两组间LVD亦无显著性差异。考虑ASD患者早期心脏形态改变集中于右心，包括RV壁代偿性增厚、心腔内径扩大等，本研究纳入PAH组中重度PAH患者占比较少，左心系统尚未发生严重形变，如扩大样本量进一步研究可能会有不同结果。
刘敏等[14]研究发现脊柱室间隔夹角在慢性血栓栓塞性PAH组为（63±11）°，较无PAH组（40±7）° 明显增大，与超声测得右室横径呈正相关，与右心功能参数呈负相关，提出右心功能超负荷状态是决定该角度变化的直接因素。与上述研究相似，本研究中ASD-PAH组中脊柱室间隔夹角显著高于无PAH组，与mPAP、PVR均呈正相关，该角对mPAP的截断值为63.35°，特异度为85.70％。目前在脊柱室间隔夹角评价PAH方面的研究较少，但ASD患者RV包括室间隔发生代偿性肥厚等形态改变，出现心脏在水平面上顺时针偏转的现象，且脊柱与室间隔在整个心动周期中位置相对固定，因此该角可以作为反应PAH病情进展较理想的指标。
Kayawake等[15]对COPD相关PAH研究显示CT测量MPAD、RPAD、LPAD等结构指标与mPAP有较好的相关性；Corson等[16]研究发现通过CT测量MPAD＞29 mm对诊断PAH的敏感性为89％，提示MPAD对PAH有较高的诊断能力；另有研究指出通过CTPA测量MPAD检测重度PAH患者的敏感度和准确度更高[17]。本研究显示成人ASD PAH组MPAD较无PAH组明显升高，与mPAP、PVR均呈中度正相关；与上述研究相比，本研究中两组患者MPAD增大，诊断mPAP的界值为35.00 mm，与本研究中RVD增大类似，可能因为ASD患者先天的体-肺分流伴长期代偿，分流程度与肺血管舒张期充盈压力、顺应性改变以及ASD大小有关。本研究结果显示ASD直径在PAH组中较无PAH组明显更大，与PVR呈高度正相关，与mPAP呈中度正相关，对mPAP具有中等强度诊断效能。此外，本研究入选人群年龄、PAH程度可能会影响上述结果。
Wu等[18]研究显示 rPA ≥ 1对诊断COPD合并PAH具有较高的特异性和准确率。Caro-Domínguez等[19]对儿童PAH的研究显示PAH和无PAH患者rPA分别为1.05和0.87，rPA可作为PAH患者死亡的预测因子。Truong等[20]研究指出rPA与RHC测量的mPAP有很强的相关性（95％CI：0.55～0.78）。
与上述研究结果相似，本研究显示rPA与mPAP、PVR均呈中度正相关，rPA≥1.20时诊断PAH敏感度为62.50％，特异度为82.90％。与无PAH组相比，PAH组RPAD、LPAD、RLPAD明显升高，与mPAP、PVR均呈正相关，RPAD、LPAD对mPAP具有中等强度诊断效能，敏感度均较高（87.50％、80.00％），提示DSCT检查发现rPA、RPAD、LPAD异常，可以作为ASD发生PAH的诊疗依据，并对PAH进行长期监测。
本研究亦有一定局限性。这是一项样本量有限的单中心回顾性研究，研究对象单一，结论适用性可能存在一定局限，需要更大规模的研究验证。本研究使用的DSCT参数均为结构性参数，近年来有研究应用心电门控CTA测量心功能，包括心室容积、心肌质量等能提供心脏功能受损程度的变化[21]，可更好地预测PAH[22]。此外，CT扫描野内包含冠状动脉、心外膜脂肪、肺组织等组织，其异常改变是否与ASD患者PAH相关及对患者预后意义也有待深入研究。
综上，DSCT检查具有快速、可靠、无创、可重复性观察等优点，除了诊断ASD的先天畸形，其测量的心血管结构性参数与评价PAH“金标准”RHC检查指标有较好的相关性，单独或与其他检查技术结合使用，可以用于ASD患者的PAP术前评估，为PAH的无创监测与长期随访提供重要依据。
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表 1 祁连山DK-1、DK-3和DK-4三个井孔含水合物和不含水合物层段速度和密度[18]
Table 1 Velocities and densities of the hydrate segments and segments without hydrate in the holes of DK-1, DK-3, and DK-4
井孔 深度h/m 岩性 平均纵波速度VP/（m/s） 平均密度ρ/（g/cm3） 含水合物段 不含水合物段 含水合物 不含水合物 含水合物 不含水合物 DK-1 133.90～134.86 92.05～94.75 细砂岩 4728 4204 2.34 2.53 143.35～144.30 49.20～69.70 细砂岩 4676 4171 2.38 2.57 DK-3 139.05～154.45 195.05～196.95 泥岩 2996 2867 2.32 2.43 DK-4 134.40～131.70 151.50～152.45 泥岩 4071 2822 2.25 2.31 165.75～167.25 112.45～115.35 粉砂岩 3823 3356 2.22 2.36 
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表 2 楔状地质-地球物理模型参数表
Table 2 The parameters of wedge-shaped geological-geophysical model
模型编号 VP/（m/s） VS/（m/s） ρ/（g/cm3） QP QS 层厚/m 冻土层① 3250 1950 2.31 187.2 139.5 54 稳定沉积物② 4000 2000 2.37 295.6 153.0 100 稳定沉积物③ 4450 2130 2.55 373.7 214.8 - 天然气水合物④ 4750 2330 2.29 431.4 373.7 0～40
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