個性化生物力學仿真建模研究.pdf

1、基于醫(yī)學圖像的個性化生物力學仿真，可以最大程度地忠實于病人的生理解剖結構，在治療決策、預測醫(yī)學和基于仿真的手術規(guī)劃與導航中具有重要的應用價值。有限元分析技術作為個性化生物力學仿真的主要手段，目前面臨的重要問題之一是需要花費大量的時間和精力來構建個性化的有限元模型。來自計算機斷層掃描術(CT)和磁共振成像(MRI)的醫(yī)學圖像包含了豐富的人體解剖結構的幾何和材質信息，應用生物醫(yī)學圖像處理技術、可視化和網(wǎng)格生成技術，使得基于醫(yī)學圖像的個性化建

2、模成為可能。目前，對個性化仿真建模以及用于生物力學數(shù)值分析的有限元模型的研究已經(jīng)取得了一定的進展，但是要完成從醫(yī)學圖像到直接可用于有限元分析的數(shù)值模型必須同時借助多種工具來實現(xiàn)，缺乏統(tǒng)一的建模工具平臺，并且在建模過程中涉及到的關鍵技術也需要進一步研究，包括自適應的圖像分割方法、六面體網(wǎng)格生成方法和多材質有限元建模等。
　　 具體來說，本文的研究內容包含以下幾方面：
　　 (1)從軟件設計的角度，利用若干開源工具包來設計和

3、實現(xiàn)個性化有限元建模軟件。通過整合醫(yī)學圖像處理、三維重建、三維可視化和有限元體網(wǎng)格生成等技術的數(shù)據(jù)流程，實現(xiàn)從醫(yī)學圖像快速構建人體器官組織的有限元模型。
　　 (2)從圖像處理角度，設計針對血管圖像的自適應三維分割算法。改進了基于鄰域相關性的掃描線算法，用于快速檢測圖像中目標的統(tǒng)計信息。提出了目標檢測與分割算法相結合的三維分割框架，該框架可根據(jù)目標的局部信息生成優(yōu)化閾值，并可自動處理切片中感興趣目標的分叉情況。
　　 (

4、3)從有限元建模的角度，整合基于表面、體素和實體模型的有限元建模路線。從圖像分割的結果出發(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，進而生成四面體有限元模型。實現(xiàn)了基于體素的六面體網(wǎng)格生成及其平滑方法。并進一步研究在分割階段考慮有限元建模需求的多材質有限元模型構建方法。
　　 (4)從生物力學仿真的角度，研究個性化有限元模型在生物力學仿真中的應用。構建胸主動脈瘤有限元模型，用于血流動力學數(shù)值仿真分析；構建包含脊椎、椎

5、間盤、脊髓和腫瘤的多材質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規(guī)劃。
　　 綜上所述，本文對個性化有限元建模及建模過程中的關鍵技術進行了研究。論文創(chuàng)新點在于：提出了一種自適應的三維圖像分割框架，利用改進的鄰域相關性掃描線算法自動檢測目標分叉，并且采用分層聚類算法適應性地確定優(yōu)化閾值，實現(xiàn)對目標圖像的三維自動快速分割，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，并構建了包含脊柱