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血管微创介入手术视觉临场感技术研究

作　者: 赵建敏
导　师: 王树国
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 血管微创介入手术 视觉临场感 动态血管 血液流场可视化
分类号: R654.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


血管微创介入手术是经血管介入医用导管到达病灶部位完成诊疗的一种新型手术方法。与传统开放式的手术相比，该手术具有创伤小、恢复快、安全可靠等优点。目前，医生主要在X射线图像引导下完成该手术，由于X射线图像为二维投影图像，血管影像会发生重叠，医生需要根据解剖知识在头脑中想象导管在血管中的移动。为了解决以上问题，课题组研制了一套手术图像导航系统，其中的三维静态血管模型由核磁共振图像重建生成，可直观显示血管的结构，导管端部的位姿数据由电磁定位系统实时获得。由于在实施血管微创介入手术过程中，不仅导管在血管中移动，血管和血液也处于运动状态，而现有图像导航系统不能模拟这些情况，因此本文基于心血管生物力学建立实时动态血管模型，同时研究血管内血液流速场的可视化，建立描述血液流动的血液动态矢量模型和动态粒子模型，为图像导航系统增加视觉临场感功能。介绍了血管的结构、血管的力学特性、脉搏波、脉搏波与心电信号之间的同步关系以及三种血管血液运动分析模型，为建立动态血管模型和血液流动模型奠定理论基础。建立了基于脉搏信号运动的动态血管模型。基于心电信号和脉搏信号之间的同步关系，设计了以心动周期为单位的脉搏信号采集和传输方案，并仿真验证了这种方案的可行性。以脉搏信号为运动参数，基于三维静态血管表面模型建立了动态血管模型。通过对比实验中输出信号与给定输入信号在时间和幅值上的偏差，分析了动态血管模型的同步性和准确性。建立了基于脉搏信号运动的动态血液模型。提出一种基于Womersley理论和脉搏信号建立动态血液速度矢量场的算法，并通过有限元分析验证了这种算法的可行性。基于该动态速度矢量场，建立了动态血液矢量模型和动态血液粒子模型。将动态血管模型、血液矢量模型、粒子模型及实时脉搏函数曲线集成到血管微创介入手术图像导航系统中，为图像导航系统增加了视觉临场感功能，不仅能同时显示导管、血管、血液的运动效果，还能将血压、血液流速等数据以图形图像的方式呈现在导航图像上，从而使得医生能更好地感知血管内的环境信息，为医生的手术决策提供重要的参考。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-17
  1.1 课题研究背景和意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-15
    1.2.1 动态心血管研究现状  10-13
    1.2.2 血液流动可视化研究现状  13-15
  1.3 课题主要研究内容  15-17
第2章 血管血液生物力学  17-30
  2.1 血管的力学特性  17-22
    2.1.1 血管的构造和力学特性  17-18
    2.1.2 血管的应力应变  18-20
    2.1.3 脉搏波  20
    2.1.4 脉搏波与心电信号的关系  20-22
  2.2 血管血液力学分析模型  22-29
    2.2.1 阻力模型  22-23
    2.2.2 弹性腔模型  23-25
    2.2.3 Womersley 模型  25-29
  2.3 本章小结  29-30
第3章 动态血管模型构建  30-43
  3.1 动态血管的几何建模  30-32
    3.1.1 血管模型的三维表面重建  30-31
    3.1.2 动态血管几何建模原理  31-32
  3.2 血管运动参数采集  32-37
    3.2.1 参数采集原理  32-33
    3.2.2 参数采集方案  33-35
    3.2.3 参数采集方案仿真实验  35-37
  3.3 基于参数建立动态血管模型  37-41
    3.3.1 动态血管模型的建模方案  37-39
    3.3.2 动态血管模型的实现及其性能分析  39-41
  3.4 本章小结  41-43
第4章 动态血液流速可视化模型构建  43-61
  4.1 数据可视化理论  43-45
  4.2 动态血液流场及动态血液可视化模型建立  45-53
    4.2.1 建立动态血液流速矢量场  45-50
    4.2.2 建立动态血流矢量可视化模型  50-51
    4.2.3 建立动态血流粒子可视化模型  51-53
  4.3 验证建立动态血液流速矢量场算法的可行性  53-60
    4.3.1 建立血液流体平面有限元模型  53-58
    4.3.2 有限元分析的边界条件及结果  58-60
  4.4 本章小结  60-61
第5章 视觉临场感功能实现及验证  61-68
  5.1 视觉临场感功能实现  61-64
  5.2 视觉临场感功能验证  64-67
    5.2.1 血压跟随性能试验  64-65
    5.2.2 心率跟随性能试验  65-67
  5.3 本章小结  67-68
结论  68-69
参考文献  69-73
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  73-75
致谢  75

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