粒子系统左心室容积建模技术研究

论文摘要

左心室容积是衡量心脏功能的重要指标之一,其精确性和可重复性对评价心脏功能具有极为重要的意义。迄今为止,国内外学者对基于医学图像的心脏建模方法进行了大量研究,但在左心室动态变形容积建模方面还未找到一种同时满足精确、稳定、高效的方法。本文将以左心室动态容积测量为目标,针对基于粒子系统的左心室变形容积建模方法进行研究,其目的是为左心室可视化直接临床诊断奠定一个良好的基础。论文深入分析了粒子系统的基本原理和应用,重点研究了粒子系统对整体物体的模拟,尤其是对动态可变形物体模拟的相关理论原理。本文提出了粒子系统左心室静态容积建模方法,研究并设计了球面增长粒子容积填充算法,以及基于三维断层数据点和三角网格表面碰撞检测的物体表面形态保持策略,建立了左心室的三维静态容积模型;本文在分析粒子系统动力学原理的基础上,提出了左心室三维变形容积建模方法,通过利用伦纳德-琼斯势能原理设计了粒子系统的内力与外力,结合粒子系统平衡策略既保持了变形物体整体性,又较好地跟踪了变形物体外部形态,同时还利用粒子的邻居搜索策略完成了算法设计与实现,建立了左心室的三维动态容积模型。仿真实验结果表明,基于粒子系统动力学原理是一种适合动态变形物体容积建模的方法,把它应用于左心室的动态模拟以及容积测算是一次新的有益尝试。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 医学图像三维重建概述
• 1.1.1 三维重建技术
• 1.1.2 基于医学图像的三维重建
• 1.1.3 医学图像重建的一般过程
• 1.1.4 医学图像建模的应用领域
• 1.2 左心室容积测算
• 1.3 粒子系统建模的应用
• 1.3.1 粒子系统对非整体物体模拟
• 1.3.2 粒子系统对整体物体的表面建模
• 1.3.3 粒子系统对人体器官的模拟
• 1.4 课题来源及研究意义
• 1.5 本文的内容组织安排
• 第二章 粒子系统概述
• 2.1 引言
• 2.2 粒子系统基本原理
• 2.3 粒子系统的形式化描述
• 2.4 粒子系统的基本模型
• 2.4.1 粒子的产生
• 2.4.2 粒子的属性及其初始化
• 2.4.3 粒子的运动与变化
• 2.4.4 粒子的消亡
• 2.4.5 粒子的绘制
• 2.4.6 粒子的层次
• 2.5 粒子系统的模拟
• 2.5.1 粒子系统对喷泉的模拟
• 2.5.2 粒子系统对烟花的模拟
• 2.6 小结
• 第三章 粒子系统左心室静态容积建模
• 3.1 粒子容积填充与填充密度
• 3.2 基于球面增长的粒子填充
• 3.2.1 粒子的空间位置
• 3.2.2 粒子重叠检测
• 3.2.3 算法设计
• 3.3 物体表面形态保持策略
• 3.3.1 基于三维数据点的表面碰壁检测
• 3.3.2 面向三角网格的表面碰壁检测
• 3.4 建模仿真实验
• 3.5 小结
• 第四章 基于粒子系统动力学原理的左心室变形容积建模
• 4.1 粒子系统动力学模型
• 4.1.1 势能与动能
• 4.1.2 势能函数的权重
• 4.2 保持变形物体整体性的动力学描述
• 4.2.1 粒子内力设计
• 4.2.2 粒子系统平衡策略
• 4.3 变形物体外部形态的跟踪
• 4.3.1 碰撞力
• 4.3.2 重力
• 4.4 算法设计与实现
• 4.4.1 粒子内力计算
• 4.4.2 粒子的邻居搜索
• 4.4.3 算法设计
• 4.5 左心室变形容积建模实验与分析
• 4.6 小结
• 第五章 结束语
• 5.1 本文研究工作总结
• 5.2 后续的研究工作
• 5.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果