腫瘤生長過程形態(tài)模擬及相關技術研究.pdf

1、隨著計算機科學的飛速發(fā)展和學科之間交叉研究頻頻出現，計算機應用技術已經滲透到各個學科的研究。虛擬手術、虛擬人等項目便是在計算機科學與醫(yī)學相結合的產物。用計算機模擬腫瘤生長也逐漸受到研究者們的關注和重視，它融合了計算機技術、計算幾何、科學計算可視化、計算機圖形學、生物力學、現代醫(yī)學等多學科知識。用計算機模擬腫瘤生長將有助于人們了解腫瘤發(fā)生和發(fā)展的機理以及理解人體腫瘤作為自組織系統和動態(tài)演化系統的特征，對提高我國的腫瘤診斷和防治水平具有一定

2、的意義。
　　 論文以模擬腫瘤在顱底(內耳附近)的有血管等組織的復雜環(huán)境生長為背景，綜述了模擬腫瘤生長的結構和構成模塊，并對模擬系統的關鍵技術進行了深入研究和探索：
　　 1)論文在深入研究基于方向包圍盒的碰撞檢測算法基礎上，提出了基于近似凸包的方向包圍盒(OBB：Oriented Bounding Box)構造算法和基于1-范數預判的包圍盒相交測試算法?；诮仆拱陌鼑袠嬙焖惴ɑ舅枷胧歉鶕仆拱乃枷胩崛〕霾糠?/p>

3、模型表面頂點集，然后對提取出的點集構造OBB包圍盒?；诤唵螠y度的包圍盒相交測試算法的基本思想是在構造包圍盒層次結構時，對每個包圍盒，增加兩條記錄分別記錄包圍盒中心點到包圍盒頂點距離的最大值和最小值，這里的距離是1-范數意義下的距離。在包圍盒相交測試時，首先判斷當前兩個待判斷包圍盒的中心之間的距離是否比兩個包圍盒的最小記錄之和小，如果條件成立，則判定兩個包圍盒相交，否則進一步判斷包圍盒中心之間的距離是否比兩個包圍盒的最大記錄大，如果條件

4、滿足，則可判定兩個包圍盒不相交，如果前面兩個條件都不滿足，則按分離軸的方法分別在15個軸上進行投影判斷。為了避免乘方和開方以提高預判速度，包圍盒的最大值、最小值記錄和包圍盒中心的距離采用每個1-范數計算。
　　 2)提出了基于隱式曲面和懲罰力的碰撞響應算法。首先通過A、B兩模型的碰撞檢測得到B模型相交基本幾何元素集，將B模型的這些基本幾何元素中的代表模型表面的頂點構造隱式曲面。根據A模型頂點的隱函數值將A模型的頂點分為兩類，碰撞

5、點集和非碰撞點集。對每一個碰撞點集的點，計算其梯度向量并單位化，然后乘以該點的隱函數值得到點的深度向量。根據深度向量計算力向量，最后通過相應的力學模型計算A物體頂點的位移，從而得到物體形變結果。
　　 3)為了給腫瘤模型建立以四面體為基本單元的元胞有限元力學模型，以便腫瘤模型在生長過程中腫瘤模型和組織器官模型能表現出真實的行為，提出了如何將以六面體為基本單元的細胞自動機空間的腫瘤模型網格轉化為以四面體為單元的網格。由于以四面體為

6、單元的有限元力學分析比以六面體為單元的有限元力學分析更為準確，所以要將元胞自動機空間(CA：Cellular Automata)腫瘤模型進一步劃分為以四面體為基本單元的網格。對于每一個六面體，首先標志出8個頂點中不屬于腫瘤模型的頂點和屬于腫瘤模型的頂點。然后把屬于腫瘤模型的頂點根據頂點到最近非腫瘤模型頂點的最短路徑的大小進行分類，最后根據本文第5章5.4部分的劃分策略將屬于腫瘤模型的頂點劃分為互不交叉四面體。對腫瘤模型所占的每個細胞進行

7、同樣的處理，得到以四面體為基本單元網格模型。另一方面，針對用細胞自動機得到的腫瘤模型的特殊性，論文提出一種提取腫瘤模型表面頂點和提取表面三角形面片集的方法，計算頂點的法向量，并用隱式曲面對腫瘤體模型進行渲染。
　　 4)針對從人體切片重建模型中提取的血管模型形態(tài)的不準確性，及其對血管力學性質的影響造成力學分析的不準確的情況，論文提出了一種血管模型形態(tài)糾正算法?；舅枷胧牵豪檬叭〖夹g對一段血管拾取兩個點，從而計算一條近似的血管中