心内导管三维定位导航软件系统设计及关键技术研究

论文摘要

心律失常作为临床上最为常见的心血管病之一,严重的影响着人们的健康。目前,采用经导管射频消融技术来治疗心律失常,尤其是一些复杂心律失常(如房颤),已经成为了各大医院的常规治疗方法。采用传统的二维X线图像引导的导管定位技术来指导射频消融手术具有很难掌握复杂心律失常的机制、心脏解剖结构信息不够直观、手术安全性及手术成功率较低等缺陷,因此,近些年发展起来的以心内导管三维定位技术为基础的心脏电生理标测系统在各方面均取得了长足的进步,成为了国内外医学界和生物工程学界研究的热点。本文首先在基于三维经胸电场定位原理的心内导管三维定位导航硬件系统基础上,对软件系统的功能需求进行了分析,采用IDEF建模分析方法建立了软件功能模型,设计了软件的层次结构,并对软件系统各功能模块进行了划分,以Microsoft Visual studio 2008为平台,结合可视化类库VTK,构建了软件基本框架。其次,本文研究了心内导管三维定位导航软件系统的主要功能实现的理论基础与方法。利用心内导管三维定位导航硬件系统采集的心内膜点云数据来构建心脏解剖结构三维几何模型,将其作为心内导管定位和手术导航的参照。本文采用计算几何中的凸包算法对心内膜点云数据进行处理,获得其表面极值点,构建心脏解剖结构的多面体虚拟三维模型；对于房室等解剖结构较为复杂模型的构建,将凸包运算生成的局部微小多面体作为基本体素,采用基于集合成员分类法的正则集合运算来进行三维几何模型的构建。仿真实验结果表明,通过该方法重建的心脏解剖结构三维几何模型能够较为理想的满足导管定位与手术导航的要求；将CT/MR切片图像序列重建的心脏解剖结构三维模型与由采集的心内膜点云数据构建的虚拟模型进行信息融合可使用于指导手术的三维模型更加精确和易懂,进而提高建模和标测效率。本文还对CT/MR医学图像的预处理、图像分割及三维重建等相关技术展开了初步研究,并使用VTK封装的类对人体胸部CT切片序列进行了三维可视化。最后,针对现有心内导管三维定位导航软件系统存在的心脏解剖结构三维建模时间较长,模型粗糙难懂等缺陷,本文提出了以先验知识为指导,结合配准技术来构建心脏三维参数化几何模型的设想,为探索更加高效、精确的建模方法提供了新的思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 心内导管定位技术的发展历史与现状
• 1.2 论文涉及的相关技术研究综述
• 1.3 论文的研究基础与意义
• 1.3.1 论文的研究基础
• 1.3.2 论文的研究意义
• 1.4 论文的主要工作与创新
• 1.5 本章小结
• 2 软件系统设计的开发工具及理论基础
• 2.1 VTK简介
• 2.1.1 图形模型
• 2.1.2 可视化模型
• 2.2 凸包算法
• 2.2.1 凸包的概念
• 2.2.2 计算凸包的算法
• 2.3 基于分类法的三维造型技术
• 2.3.1 边界表示（B-rep）的多面体基本体素
• 2.3.2 正则集与正则集合运算
• 2.4 CT/MR医学图像处理及三维重建技术
• 2.4.1 CT/MR图像数据的获取及预处理技术
• 2.4.2 CT/MR图像分割技术
• 2.4.3 CT/MR图像三维重建技术
• 2.5 本章小结
• 3 心内导管三维定位导航软件系统设计
• 3.1 心内导管三维定位导航软件系统的需求分析
• 3.2 心内导管三维定位导航软件系统的功能模型
• 3.3 心内导管三维定位导航软件系统的层次结构
• 3.4 心内导管三维定位导航软件系统的模块划分
• 3.4.1 基本信息填写和参数设置模块
• 3.4.2 数据采集与格式转换模块
• 3.4.3 三维定位及导航模块
• 3.4.4 电生理标测模块
• 3.4.5 数据管理模块
• 3.5 心内导管三维定位导航软件系统的基本框架
• 3.6 本章小结
• 4 心内导管三维定位导航软件系统主要功能的实现
• 4.1 软件系统导航界面的实现
• 4.2 凸包算法的实现
• 4.2.1 凸包算法在本系统中的应用
• 4.2.2 凸包算法的实现
• 4.3 基于分类法的三维建模的实现
• 4.4 CT/MR图像三维重建的算法实现
• 4.4.1 面绘制技术的实现
• 4.4.2 体绘制技术的实现
• 4.5 本章小结
• 5 全文总结与展望
• 5.1 本文工作总结
• 5.2 后续研究工作展望
• 5.2.1 软件系统功能的进一步完善
• 5.2.2 基于先验知识的心脏参数化建模研究
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 致谢
• 附图 动物实验及工程样机
• 个人简历
• 在学期间发表的学术论文及研究成果