用三维重建和有限元方法对人体心脏进行力学分析

目的　建立人体心脏的三维几何模型和有限元网格模型，进行有限元仿真计算。方法　利用可视化人体心脏数据集，通过3D-DOCTOR软件和SOLIDWORKS软件重建心脏外形和内腔的三维结构数据，以STEP格式导入ABAQUS有限元软件形成网格模型。在有限元网格模型的基础上进行心脏自振频率、内腔血压等载荷情况下的力学性能分析。结果　建立了一个数字化心脏可视模型。能够反映心脏三维形状和内腔结构；得到了心脏内腔的大致容积；反映了心脏心肌不同区域的不同性质；得到了心脏3个方向的自振频率和振型，以及内腔血压下的应力分布。结论　建立了可视化三维心脏的几何和网格模型，反映了心脏的外形和内腔。利用有限元分析方法，能够为心脏的生物力学分析提供可视化的数值仿真平台。     

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STL格式三维医学模型的可视化研究

目的把STL文件格式应用到医学模型的存储,通过设定三维医学模型的不同部分的颜色以提升模型的三维可视化效果。方法针对STL文件格式表示人体解剖模型色彩单一的问题,对STL文件内容进行了修改:在三角形几何位置信息中加入了颜色信息,通过颜色信息来区分人体解剖模型不同组成部分之间的关系。在三维医学模型不同组成部分边界划分过程中,通过建立二维屏幕坐标与三维模型坐标之间的关系,把屏幕上划分的边界映射到三维模型上,并应用连接算法保证三维边界的封闭性,最后采用类种子填充算法,实现边界内区域的颜色填充。结果通过颜色区分后的医学模型能够更准确地描述模型的不同组成部分,有更好的三维可视化效果。结论边界划分与区域填充算法能够很好地实现三维模型的区域着色,经过改进后的STL文件能够有效地存储彩色的三维医学模型。     

构建基于正常人心脏解剖及影像数据的动态心脏模型

目的　构建基于正常心脏数据的三维动态心脏模型。 方法　采集正常成人心脏数据,通过Microsoft Visual C++和3DMax软件重建生成心脏三维模型,并将正常心电图与之整合,同步显示心脏运动。 结果　建立了数字化心脏可视动态模型,能够反映心脏三维形状和内腔结构,并可与心电图同步运动。 结论　动态心脏模型能够为心脏结构与运动的教学及疾病分析提供可视化的数值仿真平台。     

心电图心肌缺血可视化显示与输出

目的:研究常规12导联心电图心肌缺血的三维可视化显示和输出。方法:利用美国可视人体心脏切面解剖数据,用Rhino建立三维心脏表面模型,把模型输出为XGL格式的文档,并从此文档中提取三维模型顶点信息,用VC 和Direct3D编写三维显示子程序读取这些顶点信息,显示心脏三维模型并实现对三维模型运动的控制,根据缺血ST段偏移方向和幅值,在心脏三维模型上用颜色深浅来表示缺血区面积大小及心肌缺血的程度。结果:经临床应用,常规心电图心肌缺血的部位、范围和程度可以通过三维动态心脏模型准确、形象的显示出来,显示结果可以动画和图片两种格式保存和输出。结论:将可视人技术和心电图有机结合起来,可拓展心电图的应用空间。     

虚拟心脏搭桥手术模型雕塑系统的研究

目的利用力反馈装置在虚拟三维环境中实现抓取和变形等操作,模拟心血管手术中的血管搭桥术式。方法利用医院中真实病人的CT扫描数字图片重建出心脏可视化模型并进行显示,建立搭桥血管,然后利用力反馈装置对血管模型进行雕塑,以模拟Fontan手术中从肺动脉到右心室的血管搭桥手术。结果在虚拟三维环境中显示心脏的空间结构,选择任意长度和直径的血管进行虚拟搭桥仿真,或选择自定义大小的补片对模型进行修补,最终得到术后模型和测量参数。结论力反馈装置在虚拟心脏搭桥手术中的应用为今后模拟各种手术术式、建立包含力学特性的手术规划系统奠定了基础。     

人体空腔结构可视化技术

利用非侵入性的医学影像数据对人体空腔结构进行三维可视化重建,对于空腔内表面疾病的诊断、医学教学及手术计划等方面都有着重要意义.然而,由于空腔的特殊结构和特征,如何准确而直观地将空腔内壁的三维结构与形态可视化地展现出来仍然是医学可视化领域中的一个难点.综述了人体空腔结构可视化技术的近期研究进展,对虚拟内窥镜、虚拟展平、虚拟切开、颜色映射等各种技术进行了评述与比较,指出了各种技术各自的优缺点,并展望了空腔结构可视化技术今后的发展方向.     

数字化喉标本模型的建立与虚拟现实仿真

目的:为喉的解剖学教学提供丰富多样的教学模型,模拟喉区解剖结构的虚拟仿真解剖学教学,拓展解剖学的教学模式和教学手段.方法:利用人工识别的方法对第2例中国数字化可视人体喉区段的图像进行图像分割,建立高精度的彩色分割数据集,利用自主开发的图像格式转换软件将彩色分割数据自动转换为灰度分割数据.利用Amira可视化软件对灰度分割数据进行阈值分割.经三维重建,建立喉区主要器官结构的数字解剖模型.在立体显示环境中,并利用交互式设备实现了数字模型的显示与隐藏、旋转与切割等虚拟仿真解剖,模拟喉区主要解剖结构的虚拟仿真解剖学教学.结果:建立了喉的精细数字解剖标本模型,该模型真实地反映了实际的解剖标本,具有形象直观的特点,可无限次使用,在虚拟现实环境中真实仿真了喉区标本的解剖学展示.结论:利用中国数字化可视人体可建立喉区细小结构的数字解剖标本,对模型可实时交互式地进行仿真解剖教学.     

基于红外定位系统三维超声的研究

目的通过引入全数字的实时红外定位系统,同时采集二维B超图像,重建三维超声系统,来实时跟踪由于呼吸运动和组织变形导致的靶区的运动。方法实验主要通过在二维B超探头上安装3个红外定位小球(非等边),实时跟踪探头的位置,将二维超声图像映射到三维空间,然后通过三棱锥模型多次采集图像测量其几何位置关系,结合B超图像的性质,建立三维超声膜体数据,实验以立方体模型作为实验膜体,同时以水槽作为实验环境。结果实验证明二维超声及红外定位系统可以快速重建三维超声,重建膜体的三条棱锥形状及方向与实际的膜体相符合,重建精度准确,快速便捷。结论实验提出的三维超声重建技术,采集二维超声图像同时结合实时跟踪的红外定位设备,可以快速方便地实现定标及三维超声的建立,并且具有较高的重建准确性。     

数字化人体肝脏可视化与虚拟肝段切除

目的建立人体肝脏及肝内管道系统数字化可视模型,为肝脏虚拟外科手术切除提供形态学依据。方法应用可视化人体肝脏数据集进行三维重建,建立数字化肝脏可视模型,实现肝脏虚拟切除。结果数字化肝脏可视模型,能清晰显示肝内管道系统的空间结构与三维关系,可选择任意径线和角度的切割平面进行虚拟切除,完成切割段体积、表面积和中心坐标的三维测量。结论建立人体肝脏可视化模型,为肝脏数字化解剖学和计算机辅助肝脏虚拟切除手术提供可视化平台与立体形态学基础。     

Quantitative Panoramic Imaging of Epicardial Electrical Activity

Fluorescent imaging with voltage- and/or calcium-sensitive dyes has revolutionized cardiac physiology research. Here we present improved panoramic imaging for optically mapping electrical activity from the entire epicardium of the Langendorff-perfused rabbit heart. Combined with reconstruction of the 3D heart surface, the functional data can be conveniently visualized on the realistic heart geometry. Methods to quantify the panoramic data set are introduced by first describing a simple approach to mesh the heart in regular grid form. The regular grid mesh provides substrate for easy translation of previously available non-linear dynamics methods for 2D array data. It also simplifies the unwrapping of curved three-dimensional surface to 2D surface for global epicardial visualization of the functional data. The translated quantification methods include activation maps (isochrones), phase maps, phase singularity, and electric stimulus-induced virtual electrode polarization (VEP) maps. We also adapt a method to calculate the conduction velocities on the global epicardial surface by taking the curvature of the heart surface into account.     

Static state hemodynamic variables estimation model for the moving-actuator type total artificial heart. Part. I--cardiac output estimation

Cardiac output estimation is a very important study for the artificial heart. In this paper, we developed a cardiac output estimation model for the moving-actuator type total artificial heart (MA-TAH) that was developed at Seoul National University Hospital. The proposed model is simple and provides beat-by-beat mean cardiac output estimation. Moreover, it uses non-invasively acquired signals. Model parameters were adjusted with in vitro data by least mean square (LMS) algorithm. Results showed that the proposed scheme gives a mean estimation error of about 0.1 (l/min) for the given data. This ensures the suitability of the proposed model.     

消融导管三维定位导航系统中心脏多腔模型的构建

背景：目前,心内膜三维标测系统的研制是国内外医学工程学界的一个热点。国外已经推出了适用于临床的系统,但是其价格极其昂贵;国内还只是处于研究阶段,因此,在心内膜三维标测系统的国产化方面任重道远。 目的：采集分析消融导管三维定位导航系统的建模数据,并重构心内膜三维几何模型。 方法：心内膜三维建模数据的采集直接关系到建模质量的高低。以离散点的形式将数据采集过程进行可视化,可获得全面和有效的建模数据点集;通过对所得的点云数据进行凸包运算,获取数据集的表面极值点,构造用边界表示的多面体模型;最后以生成的多面体为基本体素,采用离散法造型完成建模过程。并使用可视化类库VTK,成功的重构了心内膜三维模型。 结果与结论：仿真实验表明,实验提出的方法可以较全面、高效地采集建模数据,重构心内膜三维模型。提示重构的心内膜三维几何模型可以为消融导管三维定位导航系统提供技术支持。     

心外膜电位仿真研究

以往的心电理论研究，一方面强调从体表电位分布到心外膜电位分布的求逆；另一方面利用计算机心脏仿真模型只侧重于体表电位的仿真，而忽视了对心外膜电位的仿真，不利于心电逆问题研究的发展。本文阐明了心外膜电位对临床诊断和心电逆问题研究的重要性，并在ＬＦＸ计算机心脏仿真模型［１～３］的基础上建立了心外膜电位仿真的数学描述和心外膜模型。文中对正常心脏和左束支传导阻滞的心外膜电位进行了仿真研究，获得了一些有价值的结论     

DICOM数据的三维重建与协同可视化系统的开发

复杂手术常需多科医生协商制定综合性治疗方案,网络协同三维可视化软件可使方案制定直观而精确。我们采用VTK工具包对DICOM格式CT图像数据进行三维重建并作网格简化,将结果所得多边形网格模型无缝集成到用HOOPS/3DAF所开发的图形系统进行显示,并用HOOPS/Stream工具包转成适合网络传输的HSF无损压缩流文件,再用HOOPS/NET工具包实现基于Client/Server架构的协同三维交互可视化系统。所得三维重建结果清晰,协同三维可视化操作实时度高。本研究实现了一个协同手术仿真开发平台,该架构易于进一步添加模拟手术操作与修复体设计功能。     

Data representation for joint kinematics simulation of the lower limb within an educational context

Three-dimensional (3D) visualization is becoming increasingly frequent in both qualitative and quantitative biomechanical studies of anatomical structures involving multiple data sources (e.g. morphological data and kinematics data). For many years, this kind of experiment was limited to the use of bi-dimensional images due to a lack of accurate 3D data. However, recent progress in medical imaging and computer graphics has forged new perspectives. Indeed, new techniques allow the development of an interactive interface for the simulation of human motions combining data from both medical imaging (i.e., morphology) and biomechanical studies (i.e., kinematics). Fields of application include medical education, biomechanical research and clinical research. This paper presents an experimental protocol for the development of anatomically realistic joint simulation within a pedagogical context. Results are shown for the lower limb. Extension to other joints is straightforward. This work is part of the Virtual Animation of the Kinematics of the Human project (VAKHUM) (http://www.ulb.ac.be/project/vakhum).     

Effect of cardiac motion on body surface electrocardiographic potentials: an MRI-based simulation study

This paper describes an electrical model of cardiac ventricles incorporating real geometry and motion. The heart anatomy and its motion through the cardiac cycle are obtained from segmentations of multiple-slice MRI time sequences; the special conduction system is constructed using an automated mapping procedure from an existing static heart model. The heart model is mounted in an anatomically realistic voxel model of the human body. The cardiac electrical source and surface potentials are determined numerically using both a finite-difference scheme and a boundary-element method with the incorporation of the motion of the heart. The electrocardiograms (ECG) and body surface potential maps are calculated and compared to the static simulation in the resting heart. The simulations demonstrate that introducing motion into the cardiac model modifies the ECG signals, with the most obvious change occurring during the T-wave at peak contraction of the ventricles. Body surface potential maps differ in some local positions during the T-wave, which may be of importance to a number of cardiac models, including those incorporating inverse methods.     

How sleep problems contribute to simulator sickness: Preliminary results from a realistic driving scenario

Virtual reality and simulation tools enable us to assess daytime functioning in environments that simulate real life as close as possible. Simulator sickness, however, poses a problem in the application of these tools, and has been related to pre‐existing health problems. How sleep problems contribute to simulator sickness has not yet been investigated. In the current study, 20 female chronic insomnia patients and 32 female age‐matched controls drove in a driving simulator covering realistic city, country and highway scenes. Fifty percent of the insomnia patients as opposed to 12.5% of controls reported excessive simulator sickness leading to experiment withdrawal. In the remaining participants, patients with insomnia showed overall increased levels of oculomotor symptoms even before driving, while nausea symptoms further increased after driving. These results, as well as the realistic simulation paradigm developed, give more insight on how vestibular and oculomotor functions as well as interoceptive functions are affected in insomnia. Importantly, our results have direct implications for both the actual driving experience and the wider context of deploying simulation techniques to mimic real life functioning, in particular in those professions often exposed to sleep problems.