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基于四维医学图像的心室壁力学分析

作　者: 杜雅慧
导　师: 管秋；陈胜勇
学　校: 浙江工业大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 左心室 B样条曲面应力应变
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

由于左心室是心脏最重要的动力来源,很多对心脏的研究进而可转化为对左心室的研究分析。传统的静态分析存在的局限性又使基于四维图像的左心室运动分析成为了研究热点,尤其是对心室壁的力学分析。目前,力学分析中的主流方法是基于有限元的分析方法,但其中柔性体的连续位移场的求解、心肌纤维方向的定性估算等问题始终未能得到很好地解决。本文针对以上两个主要问题,提出了一种以非均匀B样条表面迭代模型为基础的柔性体连续位移场的计算方法,并运用PCA分析实现了心室壁肌纤维方向的估算,最后对左心室应力应变的力学参数进行了计算和分析。本文主要的工作和取得的成果如下:(1)对各种形体模型进行了研究分析,结果表明表面模型能更准确地描述对象的形体,同时具有更低的复杂度,故本文构建了基于左心室点分布模型的非均匀B样条表面模型,作为后续的力学分析模型。(2)大多数学者通常采用有限单元匹配和局部插值法来获取位移场,但获得的结果在单元之间的连续性差,也不符合柔性体运动的实际规律。针对这一点本文提出了一种基于非均匀B样条模型的整体插值方法,拟合出了整个柔性体连续的、光顺的位移场,为后续的高精度的力学分析奠定了基础。(3)心室壁组织各项异性的材料特点使得心肌壁纤维束方向成为心肌应力应变分析的重要约束,传统的方法只能根据经验估算、不具有个体适应性,而本文提出了基于PCA的心肌壁纤维方向估计法,能根据个体实际情况进行较准确的计算。(4)本文还以计算得到的位移场和纤维方向为基础,对左心室壁的应力应变参数进行了估计和弹性力学分析,结果表明整个心动周期内的参数变化规律与临床诊断结论一致。本文还将计算得到的应力应变参数与运动幅度、运动速度、加速度等其它运动参数进行了对比,实验数据表明,它们在心室壁上的分布基本一致,符合物理学规律。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-16
  1.1 研究目的与意义  10-11
  1.2 心脏力学分析研究现状  11-14
    1.2.1 心室运动参数研究现状  11-13
    1.2.2 左心室应力应变研究现状  13-14
  1.3 论文的贡献  14-15
  1.4 本文的内容与组织  15-16
第2章四维心脏成像与动力学分析方法  16-29
  2.1 四维医学成像技术  16-20
    2.1.1 超声医学图像  16-17
    2.1.2 SPECT医学图像  17-18
    2.1.3 CT医学图像  18-19
    2.1.4 MRI医学图像  19-20
  2.2 心脏功能参数  20-23
    2.2.1 静态参数  20-22
    2.2.2 动态参数  22-23
  2.3 心脏动力学分析方法  23-28
    2.3.1 可变模型法  23-24
    2.3.2 有限元法  24-25
    2.3.3 基于功能医学图像获得法  25-27
    2.3.4 表面模型匹配法  27-28
  2.4 本章小结  28-29
第3章心脏B样条表面模型表示法及改进  29-46
  3.1 B样条方法  29-34
    3.1.1 B样条曲线  29-32
    3.1.2 非均匀B样条曲面  32-34
  3.2 球坐标系下的B样条拟合  34-38
    3.2.1 B样条方法的拟合  34-35
    3.2.2 极坐标系下的B样条曲线拟合  35-37
    3.2.3 球面坐标系下的B样条曲面拟合  37-38
  3.3 迭代B样条方法  38-42
    3.3.1 节点序列的弧长参数化法  38-40
    3.3.2 迭代B样条方法  40-42
  3.4 实验分析  42-45
    3.4.1 基于PDM和ASM的数据提取  42-44
    3.4.2 B样条表面拟合  44-45
  3.5 本章小结  45-46
第4章心室壁力学参数计算  46-64
  4.1 柔性体力学特性  46-50
    4.1.1 弹性力学基本理论  46-48
    4.1.2 生物柔性材料特点  48-49
    4.1.3 左心室壁弹性特征  49-50
  4.2 心室壁位移场拟合  50-53
    4.2.1 B样条曲面反向运算  50-51
    4.2.2 拟合左心室位移场  51-53
  4.3 心室壁应变计算  53-59
    4.3.1 基于PCA的心室壁纤维方向确定  54-56
    4.3.2 应变计算  56-58
    4.3.3 应变插值  58-59
  4.4 心室壁应力计算  59-60
    4.4.1 弹性模量确定  59
    4.4.2 弹性矩阵计算  59-60
  4.5 实验与结果分析  60-63
  4.6 本章小结  63-64
第5章应力应变参数分析  64-75
  5.1 心功能压力-容积分析  64-69
    5.1.1 最大弹性模量  64-66
    5.1.2 左心室容积计算  66-67
    5.1.3 实验分析  67-69
  5.2 应力应变与其它运动参数  69-74
    5.2.1 心肌运动轨迹  69-70
    5.2.2 心肌运动幅度  70-71
    5.2.3 心肌运动速度与加速度  71-74
  5.3 小结  74-75
第6章总结与展望  75-77
  6.1 总结  75-76
  6.2 展望  76-77
参考文献  77-84
致谢  84-85
攻读学位期间参加的科研项目和成果  85

基于四维医学图像的心室壁力学分析

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