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中国组织工程研究 2014年第2期18卷 218-224页

作者：吕绍茂钟华陈丽君段少银厦门大学附属中山医院福建省厦门市361004

背景:动脉瘤血液动力学变化为动脉瘤的治疗与其破裂的预防研究提供了前提与条件,有限元分析是一种很好的技术手段。目的:构建颈内动脉瘤的双向流固耦合模型,并进行相关血流模拟。方法:利用GE Lightspeed 64排螺旋CT扫描获得颈内动脉瘤C... 详细信息

背景:动脉瘤血液动力学变化为动脉瘤的治疗与其破裂的预防研究提供了前提与条件,有限元分析是一种很好的技术手段。目的:构建颈内动脉瘤的双向流固耦合模型,并进行相关血流模拟。方法:利用GE Lightspeed 64排螺旋CT扫描获得颈内动脉瘤CT血管造影数据,分别在mimics10.01软件上进行三维模型的实体构建,ansys+fluent软件进行流固耦合及血流模拟与仿真。结果与结论:构建了颈内动脉瘤瘤壁和流场的有限元模型,模型具有良好的解剖形态,并与实体模型一致。模拟展示整个心动周期的血流变化:瘤体血流呈漩涡样,瘤体部流速较瘤颈部慢;血流引起动脉瘤壁的形变、壁面剪切力、压力及应力以瘤颈部最大,瘤顶部最小。模拟值以0.16 s(快速射血期)时刻为最高值,0.74 s(舒张期)为最低值。结果显示基于CT血管造影扫描数据进行颈内动脉瘤的双向流固耦合建模,其方法简单、实用。模拟动脉瘤血流接近人体的生理状态,结果为研究动脉瘤发生、发展提供新的理论依据。

关键词：组织构建组织工程颈内动脉后交通动脉瘤有限元建模血流模拟国家自然科学基金

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细胞尺度下血流的粒子法建模与GPU并行模拟

细胞尺度下血流的粒子法建模与GPU并行模拟

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作者：夏泽红吉林大学

学位级别：硕士

血液在人体中发挥着重要的作用,例如,输送物质、调节体温以及维持体液的酸碱平衡,因此其流变学行为吸引了众多学者的研究兴趣.从早期的宏观血液流变学,扩充到后面的细胞血液流变学以及现在的分子血液流变学,人们更加全面地认识了血液的... 详细信息

血液在人体中发挥着重要的作用,例如,输送物质、调节体温以及维持体液的酸碱平衡,因此其流变学行为吸引了众多学者的研究兴趣.从早期的宏观血液流变学,扩充到后面的细胞血液流变学以及现在的分子血液流变学,人们更加全面地认识了血液的流动特性.在研究过程中,进行细胞尺度血流的计算建模和模拟对于理解血液微循环和血液相关疾病的机制是至关重要的,因此,本文利用粒子法以及GPU(graphics processing unit)并行技术,在细胞尺度下使用数值方式模拟了血液的流变学行为.在细胞尺度下进行血液的数值模拟存在诸多挑战.首先,需要考虑血液与细胞复杂的行为以及模拟区域的复杂几何特性,这使得我们采用处理此问题更加灵活的粒子法进行求解;其次,在计算过程中带来了高昂的计算代价,这需要我们采用先进的并行技术.因此,我们采用两流体模型来描述血流,其中包含了细胞的变形和聚集两种基本行为,光滑耗散粒子动力学(smoothed dissipative particle dynamics,SDPD)方法以及一种离散的微观结构模型和莫尔斯势模型分别被用来求解两流体模型、细胞变形与聚集.此外,我们搭建了 CPU-GPU异构环境来解决离散模型时产生的大量粒子带来的高计算代价问题,其中CPU主要负责数据的加载与传输,GPU则负责所有计算密集型的任务.在实现过程中我们令一个GPU线程计算一个流体粒子和分别由两个、三个或四个细胞粒子构成的一根键、一个三角形或一个二面体以期望达到最大程度的并行化.基于上述方法,我们通过对比理论解、实验数据或以往的数值结果依次设计了纯流体、细胞变形、细胞聚集、细胞悬浮液以及复杂血管网络中的细胞流动这5个测试算例.结果表明,该方法与参照结果具有较好的一致性,可以准确预测细胞的各种行为,并显著提高了模拟的效率.当与96核的CPU并行算法计算纯流体进行比较时,加速比为3.5倍,而在存在细胞的情况下,加速比可达10倍以上.当考虑细胞变形和聚集力的计算时,与串行算法相比,加速比分别高达120倍和840倍.因此该方法有效地整合了细胞的各种行为,显现出GPU卓越的并行能力,具有在器官水平上模拟非常大的微血管网络的潜力.

关键词：细胞模拟血流模拟红细胞粒子法建模 GPU并行

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慢性阻塞性肺疾病肺动脉高压分支形态的影像学及流态功能改变

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浙江大学学报（医学版） 2010年第6期39卷 594-601,633页

作者：王丽华张文普姜卫香钱玉娥浙江大学医学院附属邵逸夫医院放射科浙江大学邵逸夫临床医学研究所浙江杭州310016 浙江大学航空航天学院流体力学研究所浙江杭州310027

目的:利用MDCT的CTPA图像和超声肺动脉测压数据,模拟分析慢性阻塞性肺疾病(COPD)肺动脉高压状态下的主肺动脉及左右肺动脉分支内流动状态;了解肺动脉分支直径随压力变化的情况和敏感度。方法:选择符合临床诊断标准的COPD患者,进行胸部... 详细信息

目的:利用MDCT的CTPA图像和超声肺动脉测压数据,模拟分析慢性阻塞性肺疾病(COPD)肺动脉高压状态下的主肺动脉及左右肺动脉分支内流动状态;了解肺动脉分支直径随压力变化的情况和敏感度。方法:选择符合临床诊断标准的COPD患者,进行胸部心电门控CTPA检查,同时收集超声心动图测量主肺动脉及左右肺动脉近端双期血流参数。对CTPA原始图像分别进行心脏收缩期及舒张期薄层MPR重建,测量肺动脉分支的直径和长度;利用坐标网格,生成二维网格,导入Fluent软件进行数值计算和二维流态模拟。结果:共进行13例COPD患者研究,CTPA显示,主肺动脉分叉前和左、右肺动脉近端直径在收缩期均较舒张期小。右上叶前段动脉舒张期直径较收缩期增大,主肺动脉/左、右肺动脉的长度在收缩期和舒张期都无显著性差异,而主肺动脉右肺动脉的弯曲度和跨度间距在舒张期均较收缩期增大。COPD比较正常对照组的右肺动脉近端、远端及左肺动脉近端,在收缩期和舒张期直径均增大,且存在显著性差异,舒张期仅主肺动脉分叉前出现直径增大;收缩期后基底段动脉,左后基底段动脉COPD组较正常变细;两组间长度未见显著性差异。流态分析显示,COPD舒张期高压场较正常组扩散的趋势更明显,影响范围更大。右下叶动脉出口压力收缩期最高,舒张期也较左下叶动脉高,是所有动脉出口中承受压力最高且波动最大者,出口流速变化差异最大。结论:利用CTPA重建MPR图像和相关模拟软件结合,是研究肺动脉分支内血流变化的可行方法。CTPA测量右肺动脉远端直径可能成为肺动脉高压诊断的新指标。

关键词：体层摄影术,螺旋计算机肺疾病,慢性阻塞性/放射摄影术肺动脉/放射摄影术高血压,肺性/病理生理学肺动脉血流模拟慢性阻塞性肺疾病肺动脉高压

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虚拟手术几何建模和血流可视化仿真的研究

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作者：徐德华南昌大学

学位级别：硕士

虚拟手术是以医学图像数据为基础,通过三维重建技术构建出虚拟器官组织模型,同时通过触觉交互系统模拟出真实手术过程中手术器械与虚拟组织器官的交互场景,提供给用户真实体验和沉浸感的一类虚拟现实系统。在虚拟手术系统中需要建立高... 详细信息

虚拟手术是以医学图像数据为基础,通过三维重建技术构建出虚拟器官组织模型,同时通过触觉交互系统模拟出真实手术过程中手术器械与虚拟组织器官的交互场景,提供给用户真实体验和沉浸感的一类虚拟现实系统。在虚拟手术系统中需要建立高度逼真的软组织器官几何模型,同时在手术中常见切割、缝合、抽吸等操作后常常伴随着出血场景,这也是虚拟手术仿真中的难点。针对虚拟手术中几何模型真实性不高和虚拟手术中血流可视化仿真不真实的问题,本文从提高虚拟手术系统的真实临场感和实时性出发,以提供逼真的手术操作仿真和出血效果为目标,研究了胃抽吸操作的虚拟手术仿真系统。首先,在医学图像数据的基础上采用改进的移动立方体算法重建了胃的三维几何模型。传统移动立方体算法存在二义性问题,并由此导致等值面存在空洞,生成的器官模型不够逼真。针对上述问题,论文提出了改进移动的立方体算法,在不改变算法框架的情况下,避免了因为二义性导致的空洞问题。手术器械建模采用代理点方式建模,提高了碰撞检测的效率。实验结果证明了改进的移动立方体算法在保证重建时间的前提下,有效的解决了空洞问题,大幅度优化了重建器官的外观的效果,保证了虚拟手术过程中的逼真度。其次,论文完成了血流可视化仿真设计。基于N-S（Navier-Stokes）方程建立SPH形式的流体动力学模型,采用邻近粒子搜索算法,并选用了三维网格立方体搜索法提高了査找邻近粒子的性能,构建了基于SPH算法的血流模型。为了提高血流渲染的逼真度,针对传统移动立方体算法在流体中应用会出现渲染血流信息不全的问题,同时引入各向异性核算法,并针对各向异性核算法存在的耗时问题,对各向异性核函数进行优化,该算法能够渲染出光滑平整的流体表面,较好的保留了血液表面的信息,同时虚拟手术的实时性也能得保障。最后,本文搭建了胃抽吸操作的虚拟手术仿真系统,能够实现胃的抽吸手术操作并呈现出真实出血的效果。用户通过力反馈设备PHANTOM Omni控制虚拟手术器械,模拟抽吸手术操作。实验结果表明本文开发的具有胃抽吸操作功能的虚拟手术仿真系统沉浸性和实时性较好。

关键词：虚拟手术系统改进的移动立方体算法光滑粒子流体动力学血流模拟

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虚拟手术系统中血流场景渲染方法研究与程序实现

虚拟手术系统中血流场景渲染方法研究与程序实现

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作者：顾恩祖哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

虚拟手术系统中对真实感,沉浸感的需求使得在虚拟手术中实时的血流渲染成为实现整个虚拟手术系统中真实感不可或缺的一个重要组成部分。随着计算机图形硬件性能的提升,实现实时的血流渲染成为可能。在医学应用上,实时的血流渲染不仅能... 详细信息

虚拟手术系统中对真实感,沉浸感的需求使得在虚拟手术中实时的血流渲染成为实现整个虚拟手术系统中真实感不可或缺的一个重要组成部分。随着计算机图形硬件性能的提升,实现实时的血流渲染成为可能。在医学应用上,实时的血流渲染不仅能提高整个虚拟手术系统的真实感,还可以为医护人员及时提供虚拟手术系统人机交互操作中血流变化信息。首先,比较了拉格朗日方法与欧拉方法模拟流体运动的优缺点。因为拉格朗日方法更符合在虚拟手术中血流在组织表面自由流动的特点,因此使用拉格朗日方法中的光滑粒子流体动力学方法离散化求解纳维叶-斯托克斯方程,基于光滑粒子流体动力学方法模拟流体并对此过程中存在的问题进行分析。对绘制流体表面使用的图形管线渲染技术说明。然后,对光滑粒子流体动力学方法模拟流体运动过程中压力计算误差导致在显示结果中出现粒子聚簇现象,在密度约束的基础上对模拟过程中的粒子位置进行矫正实现流体模拟中的不可压缩特性,并针对在邻域粒子数量较少的情况导致密度约束不满足的问题,提出加入附加斥力降低密度约束所需要的邻域粒子数量的方法,通过降低在邻域粒子搜索中的粒子数量降低了计算带来的时间消耗,消除在流体模拟中的卡顿现象最后,利用可编程图形管线技术在渲染管线的顶点着色器阶段和片段着色器阶段,在本文血流运动模拟的基础上直接对当前可见的流体表面进行绘制。在屏幕空间流体绘制过程中,根据流体在真实环境中光照下的特性考虑折射、散射以及入射偏移现象改进光照效果高效的绘制出血流表面。应用C++语言和OpenGL图形库,实现虚拟手术中实时的血流场景渲染。

关键词：虚拟手术渲染血流模拟 GPU算法

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