数字虚拟中国人男性一号循环系统的三维建模

目的建立虚拟中国人男性一号血管灌注循环系统的三维模型,为解剖教学以及临床虚拟手术研究提供三维数据模型。方法对数字虚拟中国人男性一号样本进行血管灌注,对获取的彩色断层图片进行空间配准和半自动交互分割,对分割后的数据通过并行算法进行快速三维重建处理。结果对灌注后的动静脉血管和心脏建立了三维模型;通过组合动脉和静脉以及心脏模型获得了全身循环系统的三维模型,弥补了数字化虚拟人体血管模型的空白。结论经过样本的动脉灌注处理之后,在获取高分辨率的切片数据的基础上,建立了精确、完整的血管模型。     

新型心脏外科手术模拟训练系统的设计与评估

手术训练系统可以模拟手术环境,提高受训人员的操作技能。本文设计了一种新型的心脏外科手术模拟训练系统,并选择离体猪心脏作为心脏外科手术模拟训练系统的心脏模型,通过设计机械运动装置来实现心脏模型的跳动,同时可调整机械结构运动的频率来改变心脏模型的跳动频率。为验证该系统的合理性,将12名非医学专业学生与12名医学专业学生分为两组,使用心脏外科手术模拟训练系统进行为期7 d的不停跳冠脉搭桥手术训练,记录受训人员训练前后完成搭桥的时间,并由3名外科医生采用对象结构评价技能(OSATS)评估标准对每名学员的冠脉搭桥手术训练结果进行评分。通过训练,两组受训人员完成搭桥缝合的时间均显著缩短,训练前后的OSATS评分均得到提高。结果表明,心脏外科手术模拟训练系统在提高受训人员手术技巧、操作技能、掌握手术器械的使用等方面具有较好的训练效果。     

中央分流术中血管弹性壁和刚性壁对血管中血流动力学的影响

目的 通过数值模拟仿真研究中央分流手术（central shunt, CS）的血流动力学环境,并分别研究弹性与刚性血管壁条件对其血管内血流动力学参数分布的影响。方法 建立两个理想化的CS搭桥模型,其中一个假设为刚性血管壁,另一个为弹性血管壁。利用有限元方法进行数值计算,其中弹性血管壁模型采用流固耦合方法。结果 两个模型中的流速和压力分布总体大致相同。刚性血管壁模型中大约有68.9%血液从主动脉分流进入肺动脉中,弹性血管壁模型中该值增加到了70%。弹性模型和刚性模型中搭桥血管两端的压降分别为7.668 8 kPa和7.222 3 kPa。弹性模型中搭桥管各处的横截面积有一定变化,最大变化率约为2.2%,出现在近心端吻合口处。提取两个模型中的5个关键区域进行壁面切应力比较,其数值差别最多约为16.1%。结论 总体来说两个模型的血液流动形态没有大的改变;血管的弹性因素轻微影响了流量的分布和搭桥管两端的压降;搭桥管上血管的弹性对近心段吻合口处的影响高于对远心端吻合口处的影响。在CS术治疗法洛四联症的数值模拟仿真中血管壁为刚性这一假设是可以接受的,而流固耦合的数值模拟将得到更为可信的仿真结果。     

胎肺血管的三维重建及临床意义

目的建立胎肺血管的三维可视化解剖模型,为临床科研和基础医学教学奠定形态学基础。方法制作和观察1例38周胎肺血管铸型标本,利用128层螺旋CT对铸型标本进行扫描和CT自带Mxview工作站进行重建胎肺三维数字化模型。结果胎肺血管铸型标本清晰地显示肺部血管分布及走向情况,重建的胎肺血管三维模型可在普通计算机的三维空间内沿任意轴旋转任意角度、缩放,且可进行任意角度的虚拟切割解剖。结论采用血管铸型和螺旋CT扫描能多角度、多层面显示胎儿肺部的血管走向和分布,为构建宫内手术虚拟平台奠定形态学基础。     

改良B-T手术与中央分流术的血流动力学比较

目的对比分析改良B-T手术(modified B-T shunt,MBTS)和中央分流术(central shunt,CS)两种手术方式的血流动力学特征。方法采集法洛氏四联症(tetralogy of fallot,TOF)病人的医学图像,三维重建真实的解剖模型;对模型进行虚拟血管搭桥等操作,模拟手术过程;采集病人的生理数据,建立集中参数模型(lumped parameter mod-el,LPM);通过LPM计算提供计算流体力学仿真模型的边界条件;利用ANSYS软件对模型的血流动力学进行数值模拟。结果无论是快速射血期还是舒张期,MBTS和CS模型中搭桥管内的血液始终流向肺循环,但是两个模型中的血液最高流速明显不同。CS模型中分流管两端的压差相比MBTS模型较大。MBTS模型中分流管的壁面切应力分布不均匀,在0.025～340 Pa。而CS模型中分流管上的壁面切应力分布相对较均匀,约在32.2～72.6 Pa。结论两种手术方式都提供了足够的肺动脉血流量;MBTS方式对右上肢的血液供应有较大影响;CS方式分流率偏高;两个模型前端吻合口部位压力梯度很大,应引起临床重视。本研究为临床治疗TOF的手术术式决策提供了重要的理论依据。     

胎儿颌面部血管铸型标本的三维重建

目的建立胎儿颌面部血管铸型标本的三维可视化解剖模型。方法制作和观察21～32周胎儿头颈部血管铸型标本,利用16排多层螺旋CT对铸型标本进行扫描,获得数据建立胎儿颌面部血管的三维模型。结果铸型标本清晰地显示胎儿颌面部血管的主要动脉来源及分布特点,其三维重建模型立体地显示颌面部各骨形态与血管的空间位置关系。结论采用血管铸型技术和螺旋CT扫描技术相结合方式,多角度、多层面显示胎儿颌面部血管的主要动脉走行及分布情况,旨在为宫内虚拟手术奠定解剖学基础。     

美用遗传工程改造心脏搭桥用的静脉血管

美国哈佛大学医学院的研究人员利用遗传工程方法对静脉血管进行改造,使之变得像动脉血管一样坚韧,克服了目前心脏病搭桥手术后血管再度阻塞的难题,使搭桥手术的治疗效果持续时间更长,降低了心脏病的复发率。心脏病搭桥手术目前遇到的一个大问题是接受手术的患者中,有３０％的人在术后一年内心脏动脉血管就再度严重阻塞,很少有接受这种治疗的病人不再施行手术而能活够１０年。心脏病搭桥手术通常是医生从患者腿部取下一段静脉血管,然后再移植到已被阻塞的心脏动脉附近。问题是静脉血管比动脉血管薄,不能适应动脉血管所承爱的那种强大…     

基于格子Boltzmann方法的体肺分流术血流动力学几何多维度数值研究

目的 利用基于时间步耦合的几何多维度方法,模拟单心室疾病体肺分流术后的血流动力学,得到搭桥管局部三维流场和手术前后整体血流动力学信息。方法 首先,通过术前的心血管集中参数模型（0D）和手术搭桥管三维模型（3D）建立0D-3D耦合的多维度血流动力学模型,并讨论模型0D-3D交界面耦合条件及时间步耦合算法;其次,实现了基于格子Boltzmann方法的3D 计算流体动力学（computational fluid dynamics, CFD）和0D集中参数模型耦合求解的多维度仿真;最后,通过多维度模型与术前集中参数模型的结果对比手术前后血流动力学变化。结果 多维度仿真得到了术后心血管整体血流动力学改变和手术局部的三维流场信息,模拟结果显示肺循环分流比由术前32.21%提高至57.8%。结论 体肺分流术中植入连接体循环和肺循环的搭桥管能够有效增加单心室病人肺循环的供血;几何多维度仿真能够有效模拟心血管整体血流动力学改变和所关心部位的三维流场信息,对心血管临床术前规划有重要意义。     

虚拟现实技术在颅底肿瘤手术计划中的应用

目的：探讨虚拟现实技术在颅底肿瘤诊断和手术计划中的应用价值。方法：通过虚拟影像手术计划系统对15例颅底肿瘤患者的影像检查资料进行三维重建，获得颅骨、脑、血管等的三维立体虚拟图像，对相应解剖结构进行多角度观察和测量，运用系统工具进行多入路模拟手术操作。结果：15例患者均成功进行了手术计划和模拟手术操作。该系统形成的三维立体虚拟影像清晰、逼真，可非常直观地显示肿瘤的位置、大小及其与血管、神经、颅骨的解剖关系。全部病例按照最佳模拟手术方案进行手术，均取得了良好的手术效果。结论：虚拟影像手术计划系统的使用，能使术者获得更多的立体的解剖信息，借助模拟手术工具可选择颅底肿瘤的最佳手术入路。     

搭桥术治疗DeBakey Ⅲ型主动脉夹层的流固耦合数值模拟

目的研究旁路搭桥转流术治疗DeBakey Ⅲ型主动脉夹层的力学机理,并探讨该术式的有效手术方案。方法构建升-腹搭桥和锁-腹搭桥前后通腔型式和盲腔型式的DeBakey Ⅲ型主动脉夹层个性化模型,利用计算流体力学的方法,在生理流动条件下进行流固耦合数值模拟。结果搭桥后假腔的血液流动速度、压力和血管壁位移分别平均下降38.86%、15.347 kPa和39.46%。结论搭桥手术是一种在特定情况下治疗DeBakey Ⅲ型主动脉夹层的有效手术方式,具有很好的临床应用前景。     

一种具有触觉再现功能的人体心脏组织虚拟内镜系统

目的传统的虚拟内镜检查过程中,操作者不能感知器官或病变组织与虚拟内镜探头的相互作用力,存在误判的可能。为在一定程度上解决该问题,本文研究并实现了一种具有触觉再现功能的虚拟内镜系统。方法首先,构建了由传动绞轮、触觉手柄与基座组成的人机物理接口,采用Arduino作为主控制器接收虚拟环境中虚拟探头与组织的作用力,控制直流电机输出不同的扭矩,驱动人机物理接口实现力的传输和再现;然后,设计以磁阻传感器KMA210为核心的位置编码器,检测装置中触觉手柄的位移信息,控制虚拟环境中内镜探头的移动;最后,设计通信接口,采用CHAI3D开发人体心脏组织的虚拟内镜仿真环境,并对虚拟环境和触觉再现装置进行集成,并进行测试和验证。结果该触觉再现装置能够在单自由度方向上控制虚拟环境中的探头,再现虚拟环境下内镜与心脏内部组织或血管的相互作用力(0~3 N)。结论通过对虚拟内镜环境下触觉再现技术的研究,初步实现了具有触觉感知力学反馈功能的人体心脏组织虚拟内镜系统。     

支持力反馈的个性化膝关节置换虚拟手术仿真系统的研究与构建

应用传统外科手术培训模式发展的医师队伍无法满足当前日益激增的膝关节病患就医需求,研究构建一套基于虚拟现实和力反馈技术的个性化膝关节置换手术仿真系统。采用医学影像三维重构技术创建膝关节解剖组织几何模型,应用正向CAD参数化建模技术建立手术器械的几何模型,研究三角网格体素化算法,并基于此生成组织和器械的物理体素模型;通过设备接口和虚拟代理点的坐标匹配映射建立手术器械的力触觉模型,AABB包围盒层次树作为碰撞检测模型,空间重叠相交模拟组织的切割变形,基于单点约束的力触觉渲染方法建立组织和器械的虚拟操作过程;以力反馈设备Phantom Omni和计算机为硬件平台,基于触觉引擎CHAI 3D和OpenGL等软件接口,开发构建虚拟膝关节置换手术仿真系统;将专业医学人员体验系统后实际手术操作训练时间与对照组的作比较,并采用问卷调查的形式对系统作出等级评估。结果表明,仿真系统可实现个性化膝关节置换手术沿规划路径钻孔和截骨操作的组织形变和力触觉反馈的仿真模拟,并且系统仿真的实时性能良好,视触觉刷新频率维持在60~1 000 Hz左右;统计结果显示,两组成员的实际手术操作时间存在显著性统计学差异(P< 0.04),问卷结果皆在平均优良水平(8分)之上(P＜0.05)。仿真系统为个性化膝关节置换手术提供一种安全、可靠、有效的医学培训和术前演练方式。     

基于生物力学信息数字化机器人辅助手术系统

目的 建立一套数字化机器人辅助手术系统再现真实手术过程,并通过仿真系统与外部力反馈设备的结合实现对虚拟环境中机器人的控制和力觉反馈。方法 系统的设计包括：基于生物力学理论的人体组织建模、基于有限元方法人体组织生物力学模型的计算、外部力反馈设备的设计、控制算法设计等。通过多层次模型、系统集成等方法,实现基于生物力学信息并具有交互特性的虚拟机器人辅助骨折牵引复位手术平台。结果 当主手控制系统和虚拟环境生成机通过局域网连接成功后,该系统完成了闭环信息传递过程。结论 该系统可以实现对虚拟环境中手术机器人的主从控制、视觉反馈和力觉反馈。该项研究为数字化模拟外科手术相关技术的发展起到推进作用,模拟手术在提高手术成功率、新医生的培训方面具有很强的优势。     

A procedure to simulate coronary artery bypass graft surgery

In coronary artery bypass graft (CABG) surgery the involved tissues are overstretched, which may lead to intimal hyperplasia and graft failure. We propose a computational methodology for the simulation of traditional CABG surgery, and analyze the effect of two clinically relevant parameters on the artery and graft responses, i.e., incision length and insertion angle for a given graft diameter. The computational structural analyses are based on actual three-dimensional vessel dimensions of a human coronary artery and a human saphenous vein. The analyses consider the structure of the end-to-side anastomosis, the residual stresses and the typical anisotropic and nonlinear vessel behaviors. The coronary artery is modeled as a three-layer thick-walled tube. The finite element method is employed to predict deformation and stress distribution at various stages of CABG surgery. Small variations of the arterial incision have relatively big effects on the size of the arterial opening, which depends solely on the residual stress state. The incision length has a critical influence on the graft shape and the stress in the graft wall. Stresses at the heel region are higher than those at the toe region. The changes in the mechanical environment are severe along all transitions between the venous tissue and the host artery. Particular stress concentrations occur at the incision ends. The proposed computational methodology may be useful in designing a coronary anastomotic device for reducing surgical trauma. It may improve the quantitative knowledge of vessel diseases and serve as a tool for virtual planning of vascular surgery.     

Haptic reproduction and interactive visualization of a beating heart for cardiovascular surgery simulation

This paper aims to achieve haptic reproduction and real-time visualization of a beating heart for cardiac surgery simulation. Unlike most forgoing approaches, the authors focus on time series datasets and propose a new framework for interactive simulation of active tissues. The framework handles both detection and response of collisions between a manipulator and a beating virtual heart. Physics-based force feedback of autonomous cardiac motion is also produced based on a stress-pressure model, which is adapted to elastic objects filled with fluid. Time series datasets of an adult man were applied to an integrated simulation system with a force feedback device. The system displays multi-dimensional representation of a beating heart and provides a basic training environment for surgical palpation. Finally, results of measurement and medical assessment confirm the achieved quality and performance of the presented framework.     

肾俞穴针刺的力反馈研究

背景：采用以计算机为核心的各种技术,将针灸专家正确有效的针刺方法,生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的计算机虚拟环境进行模拟针刺,能够极大增强操作者的真实感,减少临床针刺意外的发生。 目的：构建虚拟肾俞穴针刺力反馈仿真系统。 方法：通过力反馈设备,录取针灸名师的肾俞穴针刺手法,融入数字化虚拟人体。运用虚拟现实技术,在融合了肾俞穴信息的三维数字人体上,根据肾俞穴下各组织的物理特性,分析针刺过程中针体与组织的相互作用力,建立力学模型模拟针体受力,并通过力反馈设备真实地传递给操作者。 结果与结论：初步实现了肾俞穴虚拟针刺力反馈仿真,使可视化的针灸虚拟人具有可现场模拟肾俞穴进针的触觉再现。肾俞穴针刺力反馈研究,为融合视觉、触觉和力反馈信息一体化的虚拟针刺作了初步探索,为针刺教学提供了一种动态的一对一仿真手段。     

Motion compensated coronary interventional navigation by means of diaphragm tracking and elastic motion models

Current catheter tracking in the x-ray catheter laboratory during coronary interventions is performed using 2D fluoroscopy. Although this features real-time navigation on high-resolution images, drawbacks such as overlap and foreshortening exist and hamper the diagnosis and treatment process. An alternative to fluoroscopy-based tracking is device tracking by means of a magnetic tracking system (MTS). Having measured the 3D location of the interventional device, its position can be reconstructed on 3D images or virtual roadmaps of the organ or vessel structure under examination. In this paper, a method is presented which compensates the interventional device location measured by the MTS for organ motion and thus registers it dynamically to a 3D virtual roadmap. The motion compensation is accomplished by using an elastic motion model which is driven by the ECG signal and a respiratory sensor signal derived from ultrasonic diaphragm tracking. The model is updated during the intervention itself, thus allowing for a local refinement in regions which bear a complex geometric structure, such as stenoses and bifurcations. The evaluation is done by means of a phantom-based study using a dynamic heart-phantom. The mean displacement caused by the overall motion of the heart is improved from 10.4+/-4.8 mm in the uncompensated case to 2.1+/-1.2 mm in the motion compensated case.     

基于网络的心脏和冠状动脉计算机三维重建

目的：研究基于网络重建心脏和冠状动脉的三维图像,并探讨其准确性。方法：2例新鲜心脏标本冠状动脉注入造影剂后,超高速CT（UFCT）增强容积扫描;另取1例冠状脉造影病人的UFCT增强容积扫描的图像。分别对原始图像格式转换,噪声消除,兴趣区选择,利用Java编制基于网络运行的三维重建软件,并对心脏和冠状动脉进行重建。结果：重建出的心肘和冠状动脉图像逼真,动脉主干和分支与相应的UFCT平片显示的结构相近,心脏可任意角度旋转与切割,结论：基本实现心脏和冠状动脉在Internet网上的重建,为人体器官和组织的三维重建提供一条新的途径。     

Thin sectional anatomy, three-dimensional reconstruction and visualization of the heart from the Chinese Visible Human

The research aimed to provide sectional anatomic and three-dimensional (3D) virtual anatomic bases for imaging diagnosis and surgical operation by the use of data from the heart of the first Chinese digitized Visible Human. Data from the series of thin sections of the heart were analyzed and input into an SGI workstation, and 3D reconstruction and virtualization of the heart were performed. Each image of sectional anatomy was clear and the 3D structures of the heart were reconstructed in their entirety. All reconstructed structures can be displayed by multiple structural and color modes, individually or jointly, and can be rotated continuously in any plane. The model of the virtual heart clearly showed fine structures of the heart in random orientation. The dataset of the sectional anatomy provides a fine and integrated morphologic base for imaging diagnosis. The 3D reconstructed images clearly show the internal and entire structures of the heart.This research was supported by the National Science Fund of China (NSFC) nos. 39925022 and 30720698     

Pathology of coronary artery bypass graft surgery.

Coronary artery bypass graft surgery has been available and widely successful for the symptomatic treatment of ischemic heart disease. Despite its widespread use, there is little information available on the pathological consequences of this procedure on the human heart. In this article, morphological consequences of coronary artery bypass graft surgery is reviewed. Intimal changes occurring within the vein graft itself consist predominately of fibrous initimal proliferation, which in some patients may progress to from an occlusive plaque. Most occlusions, however, occur at the coronary artery bypass graft anastomosis site and the mechanisms of occlusion include compression of the vascular lumen, thrombosis, and dissection of the coronary artery. Most graft failure occurs in the setting of too small a native coronary artery lumen. The myocardium is also at risk for alterations as a result of the bypass operation. Contraction band or reperfusion necrosis is the type of injury most commonly seen, and it appears to occur most often in the distribution of patent grafts. Accelerated atherosclerosis in vein grafts and the myocardial injury associated with revascularization require further detailed morphological studies, but these are important areas for pathological exploration since they bear on important and yet unanswered questions about coronary bypass surgery: can it in the long run perserve myocardium and prolong life?