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研究生:楊博程
研究生(外文):Bo-Chang Yang
論文名稱:開發三維立體工具模擬左心室運動
論文名稱(外文):Development of 3D Tool for Simulating LV Motion
指導教授:胡威志胡威志引用關係
指導教授(外文):Wei-chih Hu
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:醫學工程研究所
學門:工程學門
學類:綜合工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:129
中文關鍵詞:阿基米德螺線圓柱螺旋B-Spline區域成長
外文關鍵詞:Seed Region GrowB-SplineCyline Elical-CoilArchimedan Spiral
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摘要
本研究利用電腦斷層影像分析左心室功能參數探討左心室在心動週期時的運動變化。將左心室內膜建構成一3D立體模型,以實際左心室立體影像當作基礎,模擬左心室運動週期變化,觀察其容積變化與室壁運動,建立左心室運動數學模型以評估分析左心室實際運動效能。
本研究以手動方式在3D立體影像中尋找左心室的中心軸,以中心軸為基準在短軸切面影像從二尖辦到心尖所有內膜總和為實際左心室內膜範圍,以區域成長和B-Spline的方式圈選該影像之左心室內膜重新對左心室邊緣取樣,將圈選過的內膜計算出總容積並建立三角立體網格模型。本研究利用圓柱螺旋和阿基米德螺線兩種運動來模擬左心室在各個時序下的運動週期,實際以左心室長軸高度與短軸切面旋轉角度模擬左心室運動,短軸切面旋轉角度是依據實際左心室容積在各個時序下變化差異所設定,收縮末期為20度而舒張末期為0度,並計算出容積與室壁變化。
本研究以模擬的結果與實際之影像比較其相關性,以評估本研究之左心室運動模擬模型之效能,分析二十二組非心房顫動之心臟電腦斷層影像,其平均射血分率為70.96±5.76%,本論文所設計之三角立體網格左心室運動模型所得其容積變化量與實際左心室做比較,結果顯示出在各個時序下其平均容積差為2.92±3.09(ml),且在模擬容積變化方面相關度為 (r=0.93)。在室壁運動方面,模擬與實際運動在各時序下之平均差異為1.55±0.47(mm),評估數據顯示模擬左心室運動及體積變化所推算出的容積與實際左心室容積有非常好的相關性,且在室壁運動模擬也有良好的相似度,這個結果顯示利用左心室長軸變化量與心肌旋轉角度為基礎的螺旋運動模型可模擬左心室運動。
Abstract
This study modeled the Left Ventricular (LV) motion using parameters of myocardial twisting angle and shortening of LV long axis. The modeling will enlighten the complexity of LV motion, and, provide clinical applications. The function of the myocardial twisting angle was derived from the LV time-volume curve. The function of the shortening of long axis was derived from actual continuous 3D cardio-images.
The LV 3D contours were extraced from mitral valve to the apex. The the LV endocardial contour was delineated using seed region growth method and B-Spline. The information of the delineated endocardial contours was used to reconstruct 3D cardiac model using Triangular mesh method. The cylindroid helical-coil and Archimedean spiral model which were using the function of myocardial twisting angle and the function of shortening of LV long axis to simulate the LV motion.
Twenty two sets of the heart’s volume-time curve (VTC) were analyzed. The ejection fraction (EF) of each data set was evaluated. The average of EF was 70.96±5.76%. The accuracy of model simulation was evaluated in each time frame. The average difference of volume between simulated LV and real continuous 3D cardio images was 2.92±3.09(ml). The correlation of simulated LV volumes to the real continuous 3D cardio images was 0.93. The average difference short axis radius of each time frame in the cardio cycle was 1.55±0.47(mm). This result has shown that the LV motion could be modeled using the function of shorten LV long axis and the function of the myocardial twisting angle.
目錄
摘要 I
ABSTRACT III
謝誌 IV
目錄 V
圖目錄 VIII
表目錄 X
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究背景及文獻回顧 2
1.2.1 心臟影像與立體成像相關文獻 2
1.2.2影像分割與圈選相關文獻 3
1.2.3立體網格重建相關文獻 4
1.2.4心臟心肌運動模擬分析相關文獻 5
1.2.5參數分析相關文獻 6
1.3 研究目的 7
1.4論文架構 7
第二章 基本理論 8
2.1 簡述左心室 8
2.1.1 左心室生理構造 8
2.1.2 心動週期 10
2.1.3 射血分率 (Ejection Fraction, EF) 11
2.2 DICOM影像之簡述與解碼 12
2.2.1 DICOM檔案格式 13
2.2.2 DICOM檔案內容 14
2.3中心軸效正 16
2.4 邊緣內差 17
2.4.1 B-splines 18
2.4.2 Cubic spline 21
2.5 封閉曲線區域之中心點搜尋 25
2.6 區域成長面積計算 26
2.7 面積與容積運算 27
2.7.1面積計算 28
2.7.2 容積運算 28
2.8 三維立體重組 29
2.8.1 OpenGL基礎知識 30
2.8.2 材質貼圖 31
2.8.3 曲面和表面 33
2.8.4 三維物件與平面的旋轉和位移 34
2.8.5 三角網格 35
2.9 模擬運動 38
2.9.1 圓柱螺旋 38
2.9.2 阿基米德螺線 39
2.10 參數分析 39
2.10.1 Bull’s eye 40
2.11 本章總結 41
第三章 系統設備與流程架構 42
3.1 系統流程 42
3.2 DICOM原始影像解碼 44
3.3三維影像重組 48
3.3.1三維空間的切面 48
3.4 左心室重新取樣 49
3.4.1 手動尋找中心軸 49
3.4.2重新取樣 52
3.5 邊緣搜尋 53
3.5.1 手動分割左心室 53
3.5.2區域成長圈選心內膜 54
3.6 模擬左心室運動 56
3.6.1 三角網格的建立 57
3.6.2 長軸長度與角度資訊 57
3.6.3模擬運用 58
3.7 系統檔案架構 60
3.7.1標頭檔(*hdr) 61
3.8 本章總結 62
第四章 結果與討論 63
4.1系統操作介面之介紹 63
4.1.1 影像讀取介面 63
4.1.2 三維立體空間介面 64
4.1.3 中心軸重新取樣介面 66
4.1.4 心內膜圈選介面 68
4.1.5 模擬左心室運動介面 70
4.1.6 參數分析顯示介面 72
4.2 系統結果分析 73
4.2.1 實際左心室功能 73
4.2.2 模擬左心室運動功能 84
4.3 左心室室壁運動 109
4.4 本章總結 111
第五章 結論及未來發展 112
5.1結論 112
5.2未來發展 113
參考文獻 114

圖目錄
圖 1 心臟生理構造 9
圖 2 四個腔室的長軸和短軸影像 9
圖 3 心動週期體積及壓力之間的變化 11
圖 4 CT影像時序依ECG標定的示意圖 12
圖 5 DICOM檔案格式圖 14
圖 6 DICOM資料元件結構圖 14
圖 7 DICOM檔案內容 16
圖 8 中心軸不論切平面角度都不改變 17
圖 9 由四個點所定義之B-SPLINES曲線圖 19
圖 10 B-SPLINES示意圖 20
圖 11 B-SPLINES圖 21
圖 12 CUBIC SPLINE 22
圖 13 區域性參數的半徑位置 25
圖 14 邊緣收斂以求圓心的方法示意圖 26
圖 15 區域成長搜尋 27
圖 16 區域成長特殊情況 27
圖 17 運算面積示意圖 28
圖 18 容積運算誤差 29
圖 19 OPENGL程式控制流程圖 31
圖 20 邊緣重新采樣 37
圖 21 三角網格建構 37
圖 22 圓柱螺線 38
圖 23 阿基米德螺旋 39
圖 24 BULL’S EYE分析 40
圖 25 研究整體架構 43
圖 26 單層內膜外膜各別等分的30點 44
圖 27 資料元件基本結構 45
圖 28原始影像儲存序列圖 46
圖 29 讀DICOM流程圖 47
圖 30 開啟DICOM秀於電視牆 47
圖 31 三維空間正方形平面上的四個頂點與各向量關係示意圖 49
圖 32 左心室重新取樣流程圖 50
圖 33 3D選取平面 50
圖 34 3D切平面並尋找中心點 51
圖 35 垂直中軸的平面 51
圖 36 (A)為上切平面(B)為下切平面 51
圖 37 利用切平面找尋中心軸位置,紅色垂直於左心室的為中心軸 52
圖 38 重新取樣校正 52
圖 39 手動分割線 53
圖 40內插種子點 55
圖 41 區域成長流程圖 55
圖 42 顯示內膜資訊 56
圖 43 實際左心室容積與角度的變化週期 58
圖 44 左心室模擬運動 59
圖 45螺旋運動 59
圖 46模擬運動時點的變化 60
圖 47 RESAMPLE頭檔儲存格式 60
圖 48 標頭檔(*.HDR)儲存格式 61
圖 49 讀邊緣資訊流程 61
圖 50 以電視牆方式顯示64 X64 PIXELS影像序列 64
圖 51 以電視牆方式顯示64 X64 PIXELS圈選後的影像序列 64
圖 52 三維立體操作介面 65
圖 53 左心室位置效正 65
圖 54 三維空間切平面 66
圖 55 切平面影像 67
圖 56 切平面上下平行位移影像 67
圖 57 可移動之校正平面 67
圖 58 利用切平面找尋中心軸位置,紅色垂直於左心室的為中心軸 68
圖 59 種子點設定 69
圖 60 心內膜區的圈選介面 69
圖 61 錯誤的內膜圈選 70
圖 62 三維立體運動模擬介面 71
圖 63 模擬左心室各種變化 71
圖 64 模擬心臟的運動週期 72
圖 65 實際心臟的運動週期 72
圖 66 參數分析顯示介面 73
圖 67 VOLUME-TIME CURVE 83
圖 68 模擬22人資料統計 106
圖 69 模擬與實際左心室22人容積百分比 107
圖 70 模擬與實際左心室22人BLAND ALMAN 108
圖 71 模擬22人容積平均差 108
圖 72 實際與模擬左心室22人平均室壁變化 110

表目錄
表 1 影像像素模組屬性影像像素模組其中一部份 46
表 2容積變化的角度分配 58
表 3 二十二個受測者EDV與ESV 74
表 4二十二個受測者的整體左心室功能參數 75
表 5 模擬二十二個受測者的整體左心室功能參數 84
表 6 22人平均在各時序下室壁變化1MM與容積的關係 110
表 7 22人平均在各時序下角度變化1度與容積的關係 110
參考文獻
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