结合有限元和非刚体运动估计的左心室应变分析

提出一种直观地分析左心室在心脏收缩期的应变情况的方法.首先利用心脏核磁共振图像数据对左心室进行三维实体建模,再进行有限元单元划分;然后,使用非刚体运动估计算法--单位法线及高斯曲率混合算法,在左心室收缩期相邻时刻的有限元模型表面上寻找最相似单元结点作为对应单元结点,计算各对应结点间的位移,并用α剪枝平均对位移过大的可疑结点进行处理;最后,利用弹塑性力学中应变与位移间的几何关系求解左心室表面各单元结点的应变,获得位移和应变的彩色云图.实验结果表明,该方法能直观、有效地反映左心室表面在整个心脏收缩期的形变情况和应变分布.     

基于有限元方法的心脏表面建模

利用有限元与生物力学原理构建心脏表面运动的有限元方程,快速建立四面体网格的有限元心脏模型,模拟心脏的动态形变,从心脏的三维表面恢复、应力应变分析和三维运动建模等方面着手,分析计算心脏在收缩期相邻时刻的应力分布及形变情况,有效地模拟了心脏的动态形变。实验结果表明了该方法的有效性和可行性。     

基于可形变模型的左心室形状恢复与运动跟踪

从心脏核磁共振图像恢复左心室的3D形状并跟踪其运动,是当前医学图像分析领域的重要研究课题之一。提出了一种基于可形变模型的左心室3D形状恢复与运动跟踪方法,该模型充分考虑了左心室的实际几何形状,将左心室描述为一个一端封闭、非轴对称、轴线弯曲的广义圆柱壳;模型的参数为函数,用全局参数即可捕捉左心室的局部形变;模型的求解纳入基于物理学的可形变模型框架之下,这样,左心室的形状恢复与运动跟踪变成一个动态的数据拟合过程。根据跟踪的结果可以观察左心室的容积、质量等在一个心动周期中的变化情况,计算每博容积、射血分数等心功能指标,为心脏疾病诊断提供直观的临床参考。     

心脏核磁共振图像标记线的网格跟踪

提出了基于可形变网格模型跟踪标记线的算法．通过网格模型的节点对标记线网格节点进行直接的跟踪,并将贪婪优化算法应用于模型能量极小化过程,提高了算法的速度．对多序列心脏收缩期核磁共振图像的实验表明,在保证标记线跟踪准确性的同时,文中算法大大提高了跟踪的速度．     

基于水平集的3D左心室表面重建

提出了基于分层2D MRI图像重建3D左心室表面的算法．分层2D MRI图像能够跟踪左心室边界在成像平面内的变形,但由于缺少层问数据,层间边界形变的信息难以获取．为了重建左心室的形状,使用基于形变模型的方法：首先建立变形曲面的动力学方程;再将成像坐标系中的图像平面映射到重建坐标系,根据图像数据构造外力,使用平均曲率构造变形曲面的弹性力,然后用水平集数值解法求解动力学方程以重建左心室的表面．实验结果证明了算法的有效性．     

动态躯干—左心室模型的初步研究

为研究心室变化对心脏磁场的影响,本文利用健康人彩色多普勒成像提取一个心动周期的左心室图像数据,建立了一个动态的磁场边界元模型。文中基于该模型研究了电流偶极子在左心室舒张期220 ms和320 ms时刻所产生的心脏磁场数据,结果显示当偶极子位于左心室腔内时,220 ms时刻的磁场强度大于320 ms时刻的磁场强度;当偶极子位于左心室腔外(心肌中)时,磁场强度相对前者的变化小,且320ms时刻的磁场强度略小于220ms时刻的磁场强度。此外文中仿真了健康人的整个心动周期的心脏磁场,并与实测的心脏磁场数据进行了对比,仿真结果显示仿真的心脏磁场的强度整体上小于实测磁场。这说明了利用彩色多普勒成像数据分别对左心室舒张初期和舒张末期的心脏磁场进行建模仿真能获得更多的特征信息。     

带标记线的心脏核磁共振图象分析综述

多年来,对心脏核磁共振(MR)图象的分析研究一直是医学图象领域的一个重要课题,上世纪80年代末期出现的标记技术引起了医学图象界的重视,因为标记线的引入改变了传统的心脏左心室的运动跟踪方式,所以也使得对带标记线的心脏核磁共振图象分析成为当前医学图象领域的一个研究热点.为了使人们对带标记线的心脏核磁共振图象分析技术的现状有一个概略了解,首先简要介绍了标记线的运动跟踪原理;接着,详细介绍了对带标记线的心脏MR图象的分割技术,其中包括左心室内外轮廓的分割和标记线的跟踪;而在左心室的形状恢复和运动重建方面,则详细介绍了几种主要的方法,包括可形变模型、随机模型、B样条模型、调和相方法和光流方法,由于应变分析可为临床提供直观的量化信息,为此也讨论了相关的理论方法和重要成果;最后指出了现存技术中的几个问题,这对进一步的研究工作是有益的.     

结合形变优化与三角剖分的CT图像肝脏分割

针对传统形变模型在形变过程中易陷入局部最优,导致难以实现肝脏凹陷区域准确分割的问题,提出一种形变模型,并将其应用于CT图像的肝脏分割.首先建立一种单纯型的表面模型,并利用此模型表示肝脏的初始边界;然后利用模型中顶点与其3个邻域顶点的关系构建一组新的内力及其约束模型;再引入气球力模型,将其与图像的Gabor特征结合构建形变模型的外力及其约束方法,促使模型在内力和外力的作用下更快速地逼近肝脏边界;为了使模型能够进入肝脏的凹陷区域,构建一种三角剖分优化算法,使模型在形变过程中可以插入新的顶点.将文中方法应用于医学图像计算和计算机辅助介入国际会议提供的肝脏数据中进行实验的结果表明,该模型对肝脏分割具有较好的适用性和鲁棒性,并获得了较高的分割精度.     

基于BPNN局部位移场拟合的心脏形变计算模型

加标记的心脏核磁共振图像（tagged MRI）提供了一种非介入性的方法来跟踪心肌组织的运动,通过对MRI中tag线的分割可以获得在心动周期不同时刻的多帧稀疏的tag线位移信息．如何借助这些信息近似恢复整个心脏的运动是一个具有挑战性的课题．提出了一种新颖的心脏形变计算模型：由tag线交点信息通过BE神经网建立描述连续位移场的局部拟合函数;再通过对位移场函数的迭代求解心肌质点的运动,实现心脏形变计算．实验表明模型具有物理意义明确、算法简单和计算精度高的特点．     

基于四维图像的心室应力应变分析

为了克服传统有限元搜索方法中单元间位移不连续的缺点,提高位移计算的准确性,将空间信息与位移场对应起来,提出一种基于四维医学图像的心室应力应变计算方法.首先为心室的一个心动周期建立多个相位的内外壁B样条曲面模型;其次计算各个相位标记点的位移,利用所建模型进行拟合得到连续的位移场,并以模型的规范化转换坐标为中介将空间模型与位移场中的点一一对应;最后通过位移变化的物理力学关系计算应变和应力.实验结果表明,采用文中方法能够有效地计算分析心室的应力应变分布情况.     

外力作用下番茄植株形变的动态模拟

提出一种模拟番茄植株形变过程的计算机方法.该方法针对番茄的虚拟模型,结合材料力学中弹性杆的变形计算原理,给出计算番茄主茎和叶轴变形的数学公式,并基于阻尼振动原理,模拟了枝茎变形后的形态恢复过程.该方法已经使用OpenGL在NVIDIA GeForce3图形硬件上实现.实验结果显示,利用这种方法可以实现不同拉力和触动力作用下番茄植株形变过程的可视化模拟.     

应用于网上虚拟手术的自适应变形模型

提出并开发了一种适用于网上虚拟手术的自适应变形模型.在这个模型里,外力逐层地传播到软组织里,从而导致变形.通过控制外力的渗透深度,变形只局限在某些区域内发生,而模拟的计算量和准确性亦得以优化.该方法避免了在传统的质点弹簧模型中建立刚度矩阵的繁复程序.实验结果表明,这个模型可以用来模拟不同机械特性的材料,亦可用于在虚拟环境里模拟多用户的协同工作,或与多自由度的触觉式设备结合使用.     

Blood flow dynamics and arterial wall interaction in a saccular aneurysm model of the basilar artery

Blood flow dynamics under physiologically realistic pulsatile conditions plays an important role in the growth, rupture and surgical treatment of intracranial aneurysms. This paper describes the flow dynamics and arterial wall interaction in a representative model of a terminal aneurysm of the basilar artery, and compares its wall shear stress, pressure, effective stress and wall deformation with those of a healthy basilar artery. The arterial wall was assumed to be elastic or hyperelastic, isotropic, incompressible and homogeneous. The flow was assumed to be laminar, Newtonian, and incompressible. The fully coupled fluid and structure models were solved with the finite elements package ADINA. The intra-aneurysmal pulsatile flow shows single recirculation region during both systole and diastole. The pressure and shear stress on the aneurysm wall exhibit large temporal and spatial variations. The wall thickness, the Young’s modulus in the elastic wall model and the hyperelastic Mooney-Rivlin wall model affect the aneurysm deformation and effective stress in the wall especially at systole.     

In vivo MRI-based 3D FSI RV/LV models for human right ventricle and patch design for potential computer-aided surgery optimization

Right ventricular dysfunction is one of the more common causes of heart failure in patients with congenital heart defects. Use of computer-assisted procedures is becoming more popular in clinical decision making process and computer-aided surgeries. A 3D in vivo MRI-based RV/LV combination model with fluid–structure interaction (FSI), RV–LV interaction, and RV–patch interaction was introduced to perform mechanical analysis for human right ventricle with potential clinical applications. Patient-specific RV/LV morphologies were acquired by using planar tagged MRI. The 3D RV/LV FSI model was solved using a commercial finite element package ADINA. Our results indicated that flow and stress/strain distributions in the right ventricle are closely related to RV morphology, material properties and blood pressure conditions. Patches with material properties better matching RV tissue properties and smaller size lead to better RV function recoveries. Computational RV volumes showed very good agreement with MRI data (error <3%). More patient studies are needed to establish baseline database so that computational simulations can be used to replace empirical and often risky clinical experimentation to examine the efficiency and suitability of various reconstructive procedures in diseased hearts and optimal design can be found.     

基于云计算的层次粗糙集模型约简算法研究

传统的并行属性约简算法通过利用抽样技术获取小数据样本进行知识约简,但对于大数据集来说,样本数据不具有一般性且无法代表整个数据集.为了弥补传统并行属性约简算法只能用来计算最小属性约简、处理小数据集的缺陷,论文通过分析了先验知识在粒计算中的重要性,结合云计算技术处理海量数据的优势,以粗糙集理论为背景,从不同角度、层次出发建立层次粗糙集模型,提出基于云计算的层次粗糙集模型约简算法,讨论并实现了知识约简算法中的可并行化操作,利用Hadoop在普通计算机集群上进行试验,从运行时间、加速比、可扩展性三个方面对所提出基于正区域、信息熵、边界域算法的重要性进行评价.实验证明：基于云计算的层次粗糙集模型约简算法可以有效处理大数据集.     

基于不确定性理论的降水天气分类研究

首先介绍了云模型这种新兴的处理不确定性问题的工具,提出了一种基于云模型的层次聚类方法.该方法将原始数据集划分为许多小簇,然后分别用云模型来表示这些簇,再通过云综合的方法对这些小簇进行逐层合并,实现对数据集的聚类.将该方法应用于2006-2007年中国及周边亚太地区FY-2C卫星云图的聚类分析,得出不同降水类型的云图特征.最后以2006年7月6日FY-2C中国分区图所示地区对应的FY-2C卫星云图进行降水类型分类为实例,得到不同降水天气对应的云图辐射亮度值特征,并利用分类结果对实况云图进行降水天气的判别,结果表明该方法对大暴雨天气的判别效果良好.     

一种适应数据与计算密集型任务的私有云系统实现研究*

与公有云计算相比,针对数据与计算双重密集型任务的私有云计算系统对计算效率和系统管理效率提出了更高的要求,目前的公有云计算系统显得过于复杂和繁琐,因此需要一种简便易用的能够适应数据与计算密集型任务的私有云计算系统实现。借鉴公有云计算的相关理论和实现方法,提出了一种针对数据与计算双重密集型任务的私有云计算系统实现方案。该方案通过作业文件描述用户的计算任务,确定计算任务的计算模型和计算的输入输出文件;针对私有云的特点,简化Google云计算系统的MapReduce并行处理框架,得到更加直观的数据计算模型;自动连     

A Level Set Model for Image Classification

We present a supervised classification model based on a variational approach. This model is devoted to find an optimal partition composed of homogeneous classes with regular interfaces. The originality of the proposed approach concerns the definition of a partition by the use of level sets. Each set of regions and boundaries associated to a class is defined by a unique level set function. We use as many level sets as different classes and all these level sets are moving together thanks to forces which interact in order to get an optimal partition. We show how these forces can be defined through the minimization of a unique fonctional. The coupled Partial Differential Equations (PDE) related to the minimization of the functional are considered through a dynamical scheme. Given an initial interface set (zero level set), the different terms of the PDE's are governing the motion of interfaces such that, at convergence, we get an optimal partition as defined above. Each interface is guided by internal forces (regularity of the interface), and external ones (data term, no vacuum, no regions overlapping). Several experiments were conducted on both synthetic and real images.     

Study on demolding temperature in thermal imprint lithography via finite element analysis

Demolding in thermal imprint lithography is a process to overcome chemical and mechanical interactions of all levels between stamp and substrate formed by the process history, stamp geometries, and materials used, accounting for most of imprint failure. Undesired deformation in resist may occur depending on the stress generated in the resist with respect to the yield stress. In thermal imprint lithography, temperature is one of the most important parameters not only for the flow of resist during the molding process, but also for the demolding because the thermal stress, the friction and adhesion forces, and the mechanical strength of resist are all dependent on temperature even at below the glass transition temperature of the resist. In this paper, we have developed a method via a numerical simulation of the demolding process to determine an optimal demolding temperature that leads to the least resist deformation. Considering the viscoelasticity of the resist and the temperature dependence of friction coefficients at the resist/stamp interface, an optimal temperature was extracted via normalization of the local Von Mises stress in the resist by its yield stress. For a simple two-dimensional model system with Si stamp and PMMA as a resist layer, the optimal demolding temperature was found to be ～70°C.