基于计算流体力学方法进行不同个体的主动脉弓内血流模拟对比分析

目的:应用医学CT图像数据三维重构技术和计算流体力学方法进行人体主动脉内血流数值模拟分析,通过对不同个体正常主动脉弓内血流数值模拟获得的血流动力学参数进行比较,分析讨论血流动力学参数与血管结构形状的关系及对血液流动的影响,为阐明血管疾病的发病机理提供理论依据。方法:应用医学图像后处理软件对通过临床获得的增强CT二维医学图像数据进行处理重构而得到不同个体的主动脉弓三维立体模型并转化为可用于模拟计算的CAD模型。应用CFD软件模拟主动脉弓内的血流情况,获得相关血流动力学参数。结果:计算得到了不同个体主动脉弓在心动周期内不同时刻的血流动力学参数。结论:计算流体力学数值模拟方法为个体主动脉弓内进行仿真模拟血流动力学分析提供了可靠方法。在心动周期内主动脉弓弯曲处存压力变化明显,出现漩涡等复杂血液流动现象,为研究血流动力学及各种脉管疾病提供一定的理论依据。     

基于流固耦合计算机流体力学模拟分析人体主动脉弓内血液流动

目的比较分析应用弹性血管壁的流固耦合计算流体力学（CFD）方法和刚性血管壁的CFD方法模拟获得的正常主动脉弓内血流动力学参数,同时比较两种方法的优劣,为深入研究血液流动状态与动脉疾病的关系提供帮助。方法取46岁男性,胸主动脉正常CT图像,格式为Dicom,层间距为0.5mm,每片图像的平面分辨率为512×512,像素大小为0.5mm。应用医学图像后处理软件,对通过临床获得正常人体主动脉CT二维医学图像数据进行重构,得到主动脉血流及血管壁的三维立体模型并应用于模拟计算。结果在设定边界条件和初始条件的基础上,经多次迭代耦合计算,获得血管壁形变、等效应力、血流速度、壁面振荡切应力等相关血流动力学参数。结论在心动周期内弹性血管壁的主动脉内血流情况较刚性血管壁主动脉内血流情况更为复杂,管壁等效压力变化较大,血管壁的振荡切应力更高,表明弹性血管壁的流固耦合的CFD模拟更能体现真实主动脉内复杂血流情况,为深入研究血流动力学与心脑血管疾病的关系提供了一定的技术支持。     

Fontan术血流动力学非牛顿特性研究

目的 分析计算模拟中血液非牛顿特性对Fontan术后血流动力学的影响。方法 基于Fontan术后患者个体化三维血管模型,临床超声实测数据作为边界条件,分别选取常用的牛顿流体模型、非牛顿流体模型中的Casson模型与Carreau模型进行血流动力学模拟,计算血流分配比、能量损失、壁面切应力、非牛顿重要性系数等血流动力学参数,比较不同流体模型之间血流动力学参数差异。结果 流体模型对血流分配比影响小,非牛顿流体模型的能量损失较牛顿流体模型高,其中Casson模型最高。在下腔静脉中有明显回流、血流扰乱区域,并伴有低壁面切应力分布。在低流速时,牛顿流体模型下腔静脉血流扰乱更明显。非牛顿重要性系数显示在下腔静脉的非牛顿特性显著。结论 非牛顿特性在下腔静脉的低速回流区域影响显著,模拟患者个体化的Fontan血流动力学时应考虑血液的非牛顿特性。     

正常体位下人体椎动脉内血流动力学数值模拟分析

目的:保证研究对象的椎动脉在正常体位下,即保证研究对象没有向前或向后发生椎动脉过度拉伸或弯曲的情况下,采集临床CTA图像,应用三维重构方法构建体外人体真实椎动脉并应用计算流体力学方法进行血流动力学数值模拟,比较不同研究对象椎动脉的血流动力学参数,分析椎动脉狭窄与血流动力学的关系。方法:研究对象A椎动脉在基底动脉之前部分出现狭窄;研究对象B椎动脉正常。采集的临床CTA图像均为Dicom格式,层间距为0.5 mm,每片图像的平面分辨率为512×512,像素大小为0.5 mm。应用医学图像后处理软件Simpleware对CTA二维医学图像据进行处理得到人体椎动脉三维立体模型。将椎动脉三维立体模型导入到CFD软件中进行前处理、网格划分和数值模拟。结果:通过瞬态模拟计算,得到了椎动脉在心动周期内不同时刻的血流动力学参数。结论:通过对比两个不同个体的血流动力学参数来分析椎动脉内血流动力学参数与椎动脉狭窄的关系,发现椎动脉狭窄血流动力学因素(如低流速、低壁面切应力、高振荡壁面切应力)可以诱发和加速与动脉粥样硬化及血栓的形成,为进一步研究椎动脉狭窄等疾病的发病机理提供理论支持。     

基于CT图像胸主动脉夹层与正常胸主动脉内血流动力学模拟对比分析

目的通过对基于CT图像的血流动力学数值模拟获得的患有降主动脉夹层与正常胸主动脉内的血流动力学参数的比较,分析主动脉夹层内血液流动状态与动脉夹层疾病的关系,为阐明主动脉夹层疾病的发病机制提供理论依据。方法患者A为46岁男性,胸主动脉正常;患者B为33岁女性,患有通腔型降主动脉夹层,即通腔形式的DeBakeyⅢ型主动脉夹层。CT图像为DICOM格式,层间距为0.5mm,每片图像的平面分辨率为512×512,像素大小为0.5mm。应用医学图像后处理软件对通过临床获得的CT二维医学图像数据进行处理重构,得到正常和患有降主动脉夹层的胸主动脉三维立体模型并转化为可用于模拟计算的计算机辅助设计（CAD）模型。应用计算流体力学（CFD）软件模拟胸主动脉内血流情况,获得相关血流动力学参数。结果计算出胸主动脉在心动周期内不同时刻的血流动力学参数。结论在心动周期内患有动脉夹层胸主动脉内血流情况较正常胸主动脉内血流情况更为复杂,表现为管壁压力变化较大、夹层开口处出现多个漩涡等现象,表明主动脉夹层内复杂血流情况与主动脉夹层疾病的发病机制存在一定的关系。     

人体主动脉弓内三维血流动力学数值分析

目的阐明基于核磁共振数据进行数值建模的关键技术,利用计算流体动力学方法对人体主动脉弓内的血液流场进行了三维数值模拟。方法通过对临床核磁共振成像进行图像处理完成主动脉弓及分支血管的三维数字化重构,结合相关脉动血流量,模拟主动脉弓在心动周期不同时刻的血液流动细节。结果计算得到了人体主动脉弓内的血液流动在心动周期不同时刻的速度场、压力、壁面剪切应力的分布特征。结论基于核磁共振数据进行数值建模的关键技术有利于生物流体力学研究的深入开展,对主动脉弓进行血液流场的数值模拟有利于临床动脉粥样硬化、主动脉夹层的诊断和治疗。     

锥形血管内血液脉动流的数值模拟

将锥形血管与人体血液的脉动流动联系起来研究发展中的血液流动问题 ,给出了锥形血管的几何模型、血液流动的理论模型、生理边界条件以及计算条件 ;根据人体生理脉动流条件 ,建立了血流平均速度函数 ,并就此对三维锥形血管内的血液脉动流动进行了数值模拟 ,获得心动周期不同时刻的轴向速度、径向速度、断面压力和轴向压力分布曲线。将数值模拟计算结果与实验和分析计算结果进行对照 ,讨论了锥形血管内血液脉动流的特点。     

螺旋弯曲管中血液两相流动分析

目的 经典的单相牛顿血液流动模型忽略了红细胞与血浆之间的相互作用以及血液剪切变稀性质。为了解决这些问题,采用多相的非牛顿模型研究冠状动脉模型的血流动力学参数。方法 把血液考虑为血浆和红细胞的混合体,并用螺旋弯曲血管模型模拟冠状动脉,分析冠状动脉内红细胞的运动以及红细胞体积分数的分布情况,并与单相非牛顿血液模型的模拟结果进行对比。结果 单相和多相血液模型模拟下的截面壁面剪切力平均值差别不明显,但是在两相流模拟中,螺旋弯曲管下底壁面处存在明显的红细胞聚集现象,同时还分布着较低的壁面剪切力。结论 引用多相流数值模拟得到了螺旋弯曲管中的血流动力学参数,同时发现红细胞在螺旋弯曲管下底面处聚集的现象,这很容易诱发血栓形成,与临床上所观察到的粥样硬化斑块经常出现在冠状动脉弯曲内侧是相符合的,可进一步说明动脉粥样硬化病变的发生机制。     

基于ABAQUS的升主动脉置换术术后血流数值模拟

目的:为研究人工升主动脉置换术治疗Stanford A型主动脉夹层后的血流动力学规律,采集临床CT图像,构建术后个性化主动脉流场几何模型。基于计算流体动力学对其进行数值模拟,得到术后流域壁面压力分布和流速分布两个力学指标,从而分析术后流域规律。方法:采集术后CT图像DICOM文件并应用影像后处理软件MIMICS进行三维重构及优化获得几何模型,再将该流域模型导入网格划分软件进行CFD网格划分,最后将网格文件导入ABAQUS/CFD模块进行多周期瞬态模拟。结果:通过模拟计算,得到术后主动脉在心动周期不同时刻的血流动力学参数。结论:血流动力学参数与边界条件密切相关。主动脉内复杂流场环境与心血管疾病存在一定联系。数值模拟可为人工血管置换术后病情发展提供参考。     

支架治疗动脉瘤流固耦合数值模拟的周期重复性研究

目的探讨瘤用支架血流动力学流固耦合数值模拟过程中不同计算周期的相对误差大小,以给出获得收敛结果的最小周期推荐值.方法利用有限元分析软件 ANSYS对植入不同截面形状支架治疗梭形动脉瘤模型进行流固耦合数值模拟.每个模型进行3个周期的迭代计算,计算出各模型的动脉瘤腔内血液流速、压力、壁面切应力等血流动力学参数.最后比较相邻周期的相对误差绝对值,根据数据后处理结果得到计算的最佳周期数.结果各模型的动脉瘤腔内血流动力学参数计算1周期与计算2周期的相对误差绝对值远高于5%,重复计算3个周期与计算2个周期的相对误差绝对值均小于5%.结论有限元分析软件 ANSYS进行支架非定常血流动力学流固耦合数值模拟计算时,计算2个周期可达一定精确度,避免不必要的时间消耗,为支架治疗梭形动脉瘤的流固耦合数值模拟研究提供参考依据.     

眼底图像的三维重建

根据简化眼模型和眼底照相机光学系统简化模型建立了眼底图像三维重建的数学模型,分析了正常眼和屈光异常眼眼底图像与真实眼底视网膜形状的关系,导出了眼底二维平面图像到三维曲面图像的映射关系,最后给出了对眼底图像进行三维重建的实例.眼底三维重建图像的最大视场取决于眼底照相机的最大视场角,该最大视场角限制了重建图像的视场大小和三维重建时z轴的取值范围.根据给出的三维重建映射公式对眼底图像的二维数据进行三维映射后,再进行纹理映射,即可绘出重建后的三维眼底图像.该方法利用现有二维成像设备提供患者眼底三维重建图像,可为眼科医生在临床诊断和治疗时提供有益的参考和帮助.     

基于医学图像的人体组织有限元模型的建立方法

在医学图像处理、分析和一些成像算法重构中,建立准确的人体组织轮廓外形和有限元模型对于图像分析和改善重构算法的性能、提高分析和重构结果的准确性具有重要作用。本文使用图像处理与曲线拟合的办法,提取CT图像中的真实人体边界,进行分层的有限元剖分与相关参数设置,获得基于真实人体的有限元重构模型。该方法构建的有限元重构模型已在医学图像处理实际工作中得到了初步的应用。     

Optical tomographic reconstruction in a complex head model using a priori region boundary information

In this paper we investigate the application of anatomical prior information to image reconstruction in optical tomography. We propose a two-stage reconstruction scheme. The first stage is a reconstruction into a low-dimensional region basis, obtained by segmentation of an image obtained by an independent imaging modality, into areas of distinct tissue types. The reconstruction into this basis recovers global averages of the optical tissue parameters of each region. The recovered distribution of region values provides the starting point for the second stage of the reconstruction into the spatially resolved final image basis. This second step recovers localized perturbations within the regions. The benefit of this method is the improved stability and faster convergence of the imaging process compared with a direct reconstruction into a spatially resolved basis. This is particularly important for the simultaneous reconstruction of absorption and scattering images, where ambiguities between the two parameters and the resulting problems of crosstalk require a good initial parameter distribution to ensure convergence of the reconstruction. We use a segmented brain model obtained from a magnetic resonance image as a test case to compare the performance of the two-stage reconstruction and the direct reconstruction from a flat prior, and show that the former achieves superior results in the recovery of localized absorption and scattering hot spots embedded in the background tissue.     

膝关节关节软骨的三维构建

目的:构建膝关节关节软骨的三维模型,为开展膝关节数字医学研究进行模型构建的探索。方法:人体成年新鲜膝关节标本1例,行CT、MRI扫描,利用三维重建软件Mimics及逆向工程软件Geomagic对图像进行三维重建及图像配准,构建膝关节骨、关节软骨结构。结果:利用Mimics 10.01软件构建关节软骨的三维模型,并形成骨-关节软骨复合模型,导入Geomagic软件中与CT构建的骨三维模型相配准,再次导入CT影像中进行逐层微修饰,验证关节软骨分割效果。最终建立具有骨、关节软骨的三维膝关节模型。结论:三维图像重建技术与图像配准技术可将CT、MRI图像两者结合起来,发挥其各自优势,构建出形态较好的膝关节三维模型。     

基于C型臂2D投影的3D模型重建

背景：基于C型臂2D投影的3D模型重建是一种以XRII图像作为基础,经过校正后的运用一定数值函数进行3D模型重建的技术,可在手术过程中提供给手术者丰富的图像信息,方便手术的进行。 目的：探讨基于C型臂2D投影的3D模型重建技术诸多方面的问题。 方法：由第一作者检索1990/2010 PubMed数据库、CNKI系列数据库及万方数据库有关图像引导手术技术、C型臂2D投影图像校正与重建、基于2D图像的3D模型重建以及医学图像配准等方面的文献。 结果与结论：基于C型臂2D投影图像的3D模型重建是指以C型臂获取的2D投影图像为基础,实现骨骼3D模型的术中重建。3D重建模型不仅含有更为丰富的骨骼外部形状等解剖结构信息,而且还可包含骨密度及强度等骨骼内部多元有用信息。该技术可分为两条主线：有限角度锥形束X射线摄影合成方法;基于统计可变模型的非刚性配准方法。未来的研究可将该技术与手术导航相关技术进行结合从而建立手术导航系统。 关键词：数字化医学;C型臂;2D投影;工作原理;关键技术;重建 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2012.13.036      

基于全变分模型的CT不完全角度重建算法研究进展

在计算机断层扫描成像领域,不完全角度重建算法可以在不完备的投影数据中重建出质量较好的图像,而其中比较突出的一类算法是基于全变分模型的重建算法。研究者们在此模型的基础上提出了许多相关的算法,重建出了质量更好的图像。本文首先简要介绍了全变分模型重建算法,然后在模型改进和求解算法两个方面对此模型的重建算法进行研究。在模型改进方面主要介绍了根据全变分模型的局限性以及图像的内涵信息引入相关的先验（方向信息、非局部信息、高阶梯度信息等）来改善图像的重建性能。在求解算法方面主要介绍了经典的梯度下降算法以及基于稀疏优化理论的交替方向最小化算法。最后分析总结了目前存在的问题以及提出模型改进和求解算法两方面相结合依旧是未来发展的趋势。     

人工椎间盘置换腰椎节段有限元模型的建立

目的：建立UL节段正常及人工腰椎间盘置换的三维有限元模型，用于进一步的腰椎生物力学研究。方法：取新鲜成人腰椎标本，通过螺旋CT扫描、图像数字化处理、三维图像重建技术及自由造型系统进行图像表面光滑处理，再对表面图像矢量化，转入有限元软件，建立L4／L5腰椎节段和SMH人工腰椎间盘的有限元模型，模仿腰椎前路椎间盘除术，建立人工腰椎间盘置换的三维有限元模型，用不同的材料参数仿真腰椎和人工椎间盘各结构特性。结果：建立了L4/L5节段人工腰椎间盘置换的有限元模型，模型由皮质骨、松质骨、椎间盘、韧带和人工椎间盘等结构组成。模型分为53452个单元，86329个结点，其中包括53408个固体单元，44个缆绳单元。结论：通过CT扫描可以获得准确的腰椎几何构型数据，并可在此基础上建立高仿真脊柱节段有限元模型。     

A singular K-space model for fast reconstruction of magnetic resonance images from undersampled data

Reconstructing magnetic resonance images from undersampled k-space data is a challenging problem. This paper introduces a novel method of image reconstruction from undersampled k-space data based on the concept of singularizing operators and a novel singular k-space model. Exploring the sparsity of an image in the k-space, the singular k-space model (SKM) is proposed in terms of the k-space functions of a singularizing operator. The singularizing operator is constructed by combining basic difference operators. An algorithm is developed to reliably estimate the model parameters from undersampled k-space data. The estimated parameters are then used to recover the missing k-space data through the model, subsequently achieving high-quality reconstruction of the image using inverse Fourier transform. Experiments on physical phantom and real brain MR images have shown that the proposed SKM method constantly outperforms the popular total variation (TV) and the classical zero-filling (ZF) methods regardless of the undersampling rates, the noise levels, and the image structures. For the same objective quality of the reconstructed images, the proposed method requires much less k-space data than the TV method. The SKM method is an effective method for fast MRI reconstruction from the undersampled k-space data.

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Graphical abstract Two Real Images and their sparsified images by singularizing operator

     

胰腺及其周围血管的三维重建和显示及临床意义

目的：利用腹部胰腺的CT数据进行三维重建和显示，研究胰腺正常和病变组织及其与周围血管的形态和位置关系。方法：20例临床病人腹部Light—speed CT增强扫描的原始数据，利用“医学三维图像工作室”软件系统对其进行读取、三维重建和显示。结果：重建出的胰腺及其周同血管图像真实，能实时旋转、任意厚度多次重建、切割，能观察出胰腺病变情况和周围血管受累程度。结论：本研究实现了胰腺及其周围血管的三维重建和显示，探讨出一种内脏器官和血管的重建方式，对断层影像解剖学教学、临床影像学诊断和治疔方案的设计具有明确的辅助作用。     

Validation of statistical shape model based reconstruction of the proximal femur—A morphology study

Seventeen bones (sixteen cadaveric bones and one plastic bone) were used to validate a method for reconstructing a surface model of the proximal femur from 2D X-ray radiographs and a statistical shape model that was constructed from thirty training surface models. Unlike previously introduced validation studies, where surface-based distance errors were used to evaluate the reconstruction accuracy, here we propose to use errors measured based on clinically relevant morphometric parameters. For this purpose, a program was developed to robustly extract those morphometric parameters from the thirty training surface models (training population), from the seventeen surface models reconstructed from X-ray radiographs, and from the seventeen ground truth surface models obtained either by a CT-scan reconstruction method or by a laser-scan reconstruction method. A statistical analysis was then performed to classify the seventeen test bones into two categories: normal cases and outliers. This classification step depends on the measured parameters of the particular test bone. In case all parameters of a test bone were covered by the training population's parameter ranges, this bone is classified as normal bone, otherwise as outlier bone.Our experimental results showed that statistically there was no significant difference between the morphometric parameters extracted from the reconstructed surface models of the normal cases and those extracted from the reconstructed surface models of the outliers. Therefore, our statistical shape model based reconstruction technique can be used to reconstruct not only the surface model of a normal bone but also that of an outlier bone.