解剖真实几何模型构建系统开发

摘要

有限元方法在生物力学数值仿真中日益广泛的应用不仅深化了对人体生理和病理行为的认识，而且还可以为手术规划与模拟、精确放化疗、体内植入物的设计与优化等临床实践服务。要将仿真分析的结果应用在临床实际中，其基础是建立解剖真实的模拟仿真对象的几何模型，即必须构造反映患者个性化生理差异的解剖真实的几何模型，同时模型中所用的参数、边界条件等必须尽可能地符合患者真实的生物特性。目前，构建解剖真实几何模型的研究已经取得了一定的成果，但是这些成果大多是针对一些具体的组织器官展开的深入研究，并未形成一个方便、有效的集成化系统来简化几何模型的构建过程并将其用于临床实际中。 本文基于可视化工具VTK及分割配准工具ITK开发了一套集医学图像处理、三维重建、有限元网格生成功能于一体的软件系统Slice2Grid(S2G)，实现了既能满足数值仿真要求又能满足解剖真实条件的几何模型构建系统，简化了构建解剖真实几何模型的过程。系统通过读取医学切片图像，在图像预处理、分割、表面重建、平滑与简化等处理后生成解剖真实的几何模型，并能够以有限元网格或快速成型与快速制造文件的形式输出最终结果。 在系统的分析与设计过程中，广泛使用了面向对象的分析与设计技术，并在对可视化工具VTK及分割与配准工具ITK进行分析的基础上提出了基于VTK、ITK与MFC的系统体系结构。基于该结构，实现了解剖真实几何建模系统，并应用VTK及ANSYS的命令流语言等不同方法生成了可供快速成型与快速制造所用的表面模型以及可供有限元仿真分析所使用的体网格模型，实现了建模系统的数据后处理功能。本文对人体颈动脉分支及大脑的三维重建与有限元网格划分进行了实例计算，验证了系统的正确性和可靠性。 本文所开发的建模系统可为基于患者个性化几何信息的仿真计算、基于数值模拟的外科手术规划及快速成型快速制造服务。利用该系统，研究人员可以进行符合解剖真实条件的数值仿真，协助医生提高诊断治疗与手术规划的准确性与成功率；制造人员可以进行符合患者个性化几何条件的快速加工与快速制造，提高人体内可植入物的设计与制造质量。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第一章绪论

1.1有限元法与生物力学仿真工程

1.2构建解剖真实几何模型的意义

1.3解剖真实几何建模的研究现状

1.4本文主要研究内容

1.5本章小结

第二章系统分析与系统设计

2.1面向对象的分析与设计技术

2.1.1概念

2.1.2过程

2.1.3表示方法与UML

2.2 S2G系统分析

2.2.1系统功能分析

2.2.2系统体系结构分析

2.2.3系统非功能性分析

2.3 VTK体系结构

2.4 S2G系统设计

2.4.1系统体系结构设计

2.4.2系统流程设计

2.5本章小结

第三章系统实现

3.1解剖真实几何建模系统的开发环境

3.1.1硬件配置

3.1.2软件配置

3.2 VTK对象模型

3.2.1基本数据表示方法

3.2.2图形学模型

3.2.3数据流程

3.3用VTK表示的几何建模系统的数据流程

3.4系统功能实现

3.4.1数据管理

3.4.2预处理与分割

3.4.3表面重建

3.4.4平滑

3.4.5简化

3.4.6结果后处理及输出

3.5本章小结

第四章数据后处理技术研究

4.1引言

4.2基于ANSYS命令流语言的后处理技术

4.3有限元体网格生成技术

4.4 B样条曲面造型技术

4.4.1插值与逼近

4.4.2 B样条曲线曲面的定义与性质

4.4.3 B样条曲面的构造方法

4.5本章小结

第五章解剖真实几何模型构建实例

5.1数据来源

5.1.1颈动脉分支

5.1.2大脑

5.2预处理与分割

5.3表面重建

5.4平滑

5.5简化

5.6数据后处理

5.7本章小结

第六章未来展望

6.1处理策略的研究与实现

6.2通用数据管理功能的实现

6.3系统架构向分布式体系结构的升级

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢