可视化人心脏生理运动三维可视化

一、国内外心脏的生理运动三维可视化现状和未来趋势

（1）20世纪末美国科学家提出“数字化虚拟人”计划，并先于其他国家进行研究。“数字化虚拟人”包括“虚拟可视人”、“虚拟物理人”和“虚拟生物人”三个阶段 。1994年美国完成了世界第一个“可视人体计划（Visible Human Project，VHP）”数据库 。
但是“可视人体计划”数据库，是在已经停止呼吸的人体上进行切片处理的，与正常人体的组织有很大差别，组织不完全，无循环流动的血液，该数据库缺少物理与生理活动信息，使用该数据库只能重建人体的几何结构和解剖信息，不能直接重构出正常人体心脏生理运动。
（2） 英国《每日邮报》于2008年10月15日3：49点更新的名为《World's first cyber heart hailed as revolution for surgeons 》报道，全球首颗电脑“三维心脏”将于当天在英国揭开面纱，该三维心脏软件是由伦敦心脏医学专家与动画制作公司合作历时两年研发出来[3]。通过它，人们可以对心脏进行全方位考察。
（3） 中国首例可视化人体心脏三维重建是将人体心脏部分的薄层断面进行三维显示，重构出心脏结构，能清晰地显示心脏内部和整体的结构，为心脏疾病的影像学诊断和外科手术提供三维解剖学依据[4]。重构出的心脏结构是静态的，只能提供心脏内部结构，并不能实时模拟心脏运动状态。
由上可知，虚拟心脏在医学上有很强的实用价值，给医学教学和医师手术提供非常宝贵的资源，有效指导临床教学和实践。

二、心脏的生理运动三维可视化的基本内容

（1）心脏组织力学属性建模
对心脏组织进行物理模型建模，包括心脏的密度、质量、刚度等物理属性参数值得确定、心脏房室壁的弹性力学方程的建立。
（2）血液运动建模
根据心脏内部静脉动脉的运动以及大血管等的血液流动建立流体力学方程以及心脏房室充血与射血的控制方程的建立，模拟心脏内部血液流动过程以及心脏房室壁的收缩与扩张运动。
（3） 运动可视化
对心脏进行三维图形建模，基于所建立的心脏与血液的动力学模型，计算出心脏三维图形中个点的运动变化，通过重新绘制，再现心脏起搏过程，模拟出心房心室的准确收缩舒展与充血射血过程的生理机械运动，模拟出人体心脏生理运动。

三、研究思路和方法

根据研究的国内外现状和基本内容，主要思路和方法是：
（1） 通过调研生物物理学实验资料获取物理参数值。对心脏左右心室两个体进行适当划分，基于薄壳的弹性力学原理，建立弹性力学方程。由于心脏扩张收缩弹性范围比较大并且是相对小位移扩张，因此建立的方程属于线性模型。
（2） 人体心脏内部血液流动分为两个部分：血管血液的流动和房室腔体内部血液的流动。血管血液的流动主要针对管的流体力学模型建立的，是一种特殊结构的流动，据此建立血液在血管中流动的流体力学方程；房室腔体中血液的流动属于一般流体，直接建立动力学模型即可。
（3） 控制模型的建立。心脏中充血射血控制模型的建立主要基于生理学原理，用压力作为控制参数，用阈值方法建立控制方程。
（4） 实时性的控制。对心脏腔壁和房室划分有限单元，用有限元法进行求解，根据腔室形状、网格数目划界，用GPU的机制设计多处理器将有限元方法进行并行化，实现对动力学方程实时求解，并用OpenGL实现运动三维图的绘制和可视化。

四、心脏的生理运动三维可视化研究的意义

（1）用于病理分析。人体心脏的运动带动肺肝等的运动，在治疗肺病肝病时为了能精确判断病灶的位置，必须了解心脏的运动机理，进而为放射治疗起规划作用。本课题研究的心脏生理运动三维可视化模型需要能够客观描述心脏生理功能，如：心脏的规律跳动；心房中血液与心肌的运动与相应心室中血液与心肌的运动，以及心

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肌的收缩与舒张；心房与心室，心室与血管间闭合反馈式的周期性运动等。与CT、MRI、超声心动图等图像对应，动态呈现人体心脏起搏，进而与病人心脏对照，发现病理，帮助医师分析判断，找出最佳治疗方案。
（2）用于医学教育。传统的医学教学方法为老师对照心脏图片为学生讲解，或者老师带教，在患者身上操作，医师的手法和对切面图像的辨认以及分析延长了检查时间，以致延误患者的治疗和带来并发症的危险。用三维可视化心型来指导教学有效避免了这些风险，又能清晰地显示出心脏的结构。
（3）为人体心脏复杂系统建立具有物理学基础和生理学基础的心脏运动动力学与控制通用模型，支持对不同人以及在各种状态下心脏系统运动的三维可视化，所研究的模型将成为数字生理人的重要组成部分。

五、预计突破的难题

（1） 心脏系统动力学模型的建立和运动激励模型的建立
心脏系统是一个涉及多柔性体与流体相互作用的复杂系统，心房心室的准确收缩舒展与充血射血过程还是一个闭环控制过程，通过研究，将从系统动力学原理出发，建立起心脏系统的多体动力学方程与控制方程。心脏系统的运动从某种意义上说是由人体内部电磁场作用导致的，是人体生理作用的结果；心脏运动也由呼吸系统等外部因素左右着。这些激励是决定心脏生理运动的另一重要方面，对它们的准确建模，完备心脏系统的动力学模型，实现心脏生理运动的真实模拟与三维可视化。
解决的方法：主要借鉴在生物物理学当中已经解决的成果，并与之相结合，在心脏生理过程中建立激励模型。
（2） 心脏运动可视化的实时性
心脏系统动力学方程是一组复杂的关于时间和空间的偏微分方程组，数值计算复杂，如何有效的提高计算效率是影响三维可视化效果的关键因素，通过研究，提出数值求解心脏动力学方程的实时算法，实现三维可视化的实时性。
解决的方法：使用图形工作站GPU的机制设计并行算法。
参考文献：
美国可视人体计划[J].科学之友，2003 ，4：15.
郭燕丽，张绍祥，刘正津，谭立文，李锐.心脏三维可视化模型在超声心[J].临床超声医学杂志，2008.12，10（21）：862—864.
[3]Sophie Goodchild.World's first cyber heart hailed as revolution for surgeons[N].dailymail，15th October 2008.
[4]郭燕丽，张绍祥，刘正津等.首例中国可视化人体心脏三维重建及临床意义[J].第三军医大学学报，2003.04，25（7）：569—571