個(gè)性化生物力學(xué)仿真建模研究.pdf

1、基于醫(yī)學(xué)圖像的個(gè)性化生物力學(xué)仿真，可以最大程度地忠實(shí)于病人的生理解剖結(jié)構(gòu)，在治療決策、預(yù)測醫(yī)學(xué)和基于仿真的手術(shù)規(guī)劃與導(dǎo)航中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。有限元分析技術(shù)作為個(gè)性化生物力學(xué)仿真的主要手段，目前面臨的重要問題之一是需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力來構(gòu)建個(gè)性化的有限元模型。來自計(jì)算機(jī)斷層掃描術(shù)(CT)和磁共振成像(MRI)的醫(yī)學(xué)圖像包含了豐富的人體解剖結(jié)構(gòu)的幾何和材質(zhì)信息，應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)、可視化和網(wǎng)格生成技術(shù)，使得基于醫(yī)學(xué)圖像的個(gè)性化建

2、模成為可能。目前，對(duì)個(gè)性化仿真建模以及用于生物力學(xué)數(shù)值分析的有限元模型的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但是要完成從醫(yī)學(xué)圖像到直接可用于有限元分析的數(shù)值模型必須同時(shí)借助多種工具來實(shí)現(xiàn)，缺乏統(tǒng)一的建模工具平臺(tái)，并且在建模過程中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)也需要進(jìn)一步研究，包括自適應(yīng)的圖像分割方法、六面體網(wǎng)格生成方法和多材質(zhì)有限元建模等。
　　 具體來說，本文的研究內(nèi)容包含以下幾方面：
　　 (1)從軟件設(shè)計(jì)的角度，利用若干開源工具包來設(shè)計(jì)和

3、實(shí)現(xiàn)個(gè)性化有限元建模軟件。通過整合醫(yī)學(xué)圖像處理、三維重建、三維可視化和有限元體網(wǎng)格生成等技術(shù)的數(shù)據(jù)流程，實(shí)現(xiàn)從醫(yī)學(xué)圖像快速構(gòu)建人體器官組織的有限元模型。
　　 (2)從圖像處理角度，設(shè)計(jì)針對(duì)血管圖像的自適應(yīng)三維分割算法。改進(jìn)了基于鄰域相關(guān)性的掃描線算法，用于快速檢測圖像中目標(biāo)的統(tǒng)計(jì)信息。提出了目標(biāo)檢測與分割算法相結(jié)合的三維分割框架，該框架可根據(jù)目標(biāo)的局部信息生成優(yōu)化閾值，并可自動(dòng)處理切片中感興趣目標(biāo)的分叉情況。
　　 (

4、3)從有限元建模的角度，整合基于表面、體素和實(shí)體模型的有限元建模路線。從圖像分割的結(jié)果出發(fā)，采用三維重建、表面優(yōu)化和網(wǎng)格生成算法，建立表面模型，進(jìn)而生成四面體有限元模型。實(shí)現(xiàn)了基于體素的六面體網(wǎng)格生成及其平滑方法。并進(jìn)一步研究在分割階段考慮有限元建模需求的多材質(zhì)有限元模型構(gòu)建方法。
　　 (4)從生物力學(xué)仿真的角度，研究個(gè)性化有限元模型在生物力學(xué)仿真中的應(yīng)用。構(gòu)建胸主動(dòng)脈瘤有限元模型，用于血流動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真分析；構(gòu)建包含脊椎、椎

5、間盤、脊髓和腫瘤的多材質(zhì)脊柱腫瘤有限元模型，并用于脊柱腫瘤的微波熱療溫度場的手術(shù)規(guī)劃。
　　 綜上所述，本文對(duì)個(gè)性化有限元建模及建模過程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。論文創(chuàng)新點(diǎn)在于：提出了一種自適應(yīng)的三維圖像分割框架，利用改進(jìn)的鄰域相關(guān)性掃描線算法自動(dòng)檢測目標(biāo)分叉，并且采用分層聚類算法適應(yīng)性地確定優(yōu)化閾值，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)圖像的三維自動(dòng)快速分割，該框架尤其適合于血管系統(tǒng)的三維分割；提出了基于體素的六面體網(wǎng)格生成及其平滑方法，并構(gòu)建了包含脊柱