腫瘤生長(zhǎng)過程形態(tài)模擬及相關(guān)技術(shù)研究.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的飛速發(fā)展和學(xué)科之間交叉研究頻頻出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)滲透到各個(gè)學(xué)科的研究。虛擬手術(shù)、虛擬人等項(xiàng)目便是在計(jì)算機(jī)科學(xué)與醫(yī)學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。用計(jì)算機(jī)模擬腫瘤生長(zhǎng)也逐漸受到研究者們的關(guān)注和重視，它融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算幾何、科學(xué)計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、生物力學(xué)、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)等多學(xué)科知識(shí)。用計(jì)算機(jī)模擬腫瘤生長(zhǎng)將有助于人們了解腫瘤發(fā)生和發(fā)展的機(jī)理以及理解人體腫瘤作為自組織系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)演化系統(tǒng)的特征，對(duì)提高我國的腫瘤診斷和防治水平具有一定

2、的意義。
　　 論文以模擬腫瘤在顱底(內(nèi)耳附近)的有血管等組織的復(fù)雜環(huán)境生長(zhǎng)為背景，綜述了模擬腫瘤生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)和構(gòu)成模塊，并對(duì)模擬系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究和探索：
　　 1)論文在深入研究基于方向包圍盒的碰撞檢測(cè)算法基礎(chǔ)上，提出了基于近似凸包的方向包圍盒(OBB：Oriented Bounding Box)構(gòu)造算法和基于1-范數(shù)預(yù)判的包圍盒相交測(cè)試算法?；诮仆拱陌鼑袠?gòu)造算法基本思想是根據(jù)近似凸包的思想提取出部分

3、模型表面頂點(diǎn)集，然后對(duì)提取出的點(diǎn)集構(gòu)造OBB包圍盒。基于簡(jiǎn)單測(cè)度的包圍盒相交測(cè)試算法的基本思想是在構(gòu)造包圍盒層次結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)每個(gè)包圍盒，增加兩條記錄分別記錄包圍盒中心點(diǎn)到包圍盒頂點(diǎn)距離的最大值和最小值，這里的距離是1-范數(shù)意義下的距離。在包圍盒相交測(cè)試時(shí)，首先判斷當(dāng)前兩個(gè)待判斷包圍盒的中心之間的距離是否比兩個(gè)包圍盒的最小記錄之和小，如果條件成立，則判定兩個(gè)包圍盒相交，否則進(jìn)一步判斷包圍盒中心之間的距離是否比兩個(gè)包圍盒的最大記錄大，如果條件

4、滿足，則可判定兩個(gè)包圍盒不相交，如果前面兩個(gè)條件都不滿足，則按分離軸的方法分別在15個(gè)軸上進(jìn)行投影判斷。為了避免乘方和開方以提高預(yù)判速度，包圍盒的最大值、最小值記錄和包圍盒中心的距離采用每個(gè)1-范數(shù)計(jì)算。
　　 2)提出了基于隱式曲面和懲罰力的碰撞響應(yīng)算法。首先通過A、B兩模型的碰撞檢測(cè)得到B模型相交基本幾何元素集，將B模型的這些基本幾何元素中的代表模型表面的頂點(diǎn)構(gòu)造隱式曲面。根據(jù)A模型頂點(diǎn)的隱函數(shù)值將A模型的頂點(diǎn)分為兩類，碰撞

5、點(diǎn)集和非碰撞點(diǎn)集。對(duì)每一個(gè)碰撞點(diǎn)集的點(diǎn)，計(jì)算其梯度向量并單位化，然后乘以該點(diǎn)的隱函數(shù)值得到點(diǎn)的深度向量。根據(jù)深度向量計(jì)算力向量，最后通過相應(yīng)的力學(xué)模型計(jì)算A物體頂點(diǎn)的位移，從而得到物體形變結(jié)果。
　　 3)為了給腫瘤模型建立以四面體為基本單元的元胞有限元力學(xué)模型，以便腫瘤模型在生長(zhǎng)過程中腫瘤模型和組織器官模型能表現(xiàn)出真實(shí)的行為，提出了如何將以六面體為基本單元的細(xì)胞自動(dòng)機(jī)空間的腫瘤模型網(wǎng)格轉(zhuǎn)化為以四面體為單元的網(wǎng)格。由于以四面體為

6、單元的有限元力學(xué)分析比以六面體為單元的有限元力學(xué)分析更為準(zhǔn)確，所以要將元胞自動(dòng)機(jī)空間(CA：Cellular Automata)腫瘤模型進(jìn)一步劃分為以四面體為基本單元的網(wǎng)格。對(duì)于每一個(gè)六面體，首先標(biāo)志出8個(gè)頂點(diǎn)中不屬于腫瘤模型的頂點(diǎn)和屬于腫瘤模型的頂點(diǎn)。然后把屬于腫瘤模型的頂點(diǎn)根據(jù)頂點(diǎn)到最近非腫瘤模型頂點(diǎn)的最短路徑的大小進(jìn)行分類，最后根據(jù)本文第5章5.4部分的劃分策略將屬于腫瘤模型的頂點(diǎn)劃分為互不交叉四面體。對(duì)腫瘤模型所占的每個(gè)細(xì)胞進(jìn)行

7、同樣的處理，得到以四面體為基本單元網(wǎng)格模型。另一方面，針對(duì)用細(xì)胞自動(dòng)機(jī)得到的腫瘤模型的特殊性，論文提出一種提取腫瘤模型表面頂點(diǎn)和提取表面三角形面片集的方法，計(jì)算頂點(diǎn)的法向量，并用隱式曲面對(duì)腫瘤體模型進(jìn)行渲染。
　　 4)針對(duì)從人體切片重建模型中提取的血管模型形態(tài)的不準(zhǔn)確性，及其對(duì)血管力學(xué)性質(zhì)的影響造成力學(xué)分析的不準(zhǔn)確的情況，論文提出了一種血管模型形態(tài)糾正算法?；舅枷胧牵豪檬叭〖夹g(shù)對(duì)一段血管拾取兩個(gè)點(diǎn)，從而計(jì)算一條近似的血管中