人的心臟的生理運動三維可視化

一、國內外心臟的生理運動三維可視化現狀和未來趨勢

（1）20世紀末美國科學家提出“數字化虛擬人”計劃，并先于其他國家進行研究。“數字化虛擬人”包括“虛擬可視人”、“虛擬物理人”和“虛擬生物人”三個階段 [1]。1994年美國完成了世界第一個“可視人體計劃（Visible Human Project，VHP）”數據庫 [2]。

但是“可視人體計劃”數據庫，是在已經停止呼吸的人體上進行切片處理的，與正常人體的組織有很大差別，組織不完全，無循環流動的血液，該數據庫缺少物理與生理活動信息，使用該數據庫只能重建人體的幾何結構和解剖信息，不能直接重構出正常人體心臟生理運動。

（2） 英國《每日郵報》于2008年10月15日3：49點更新的名為《World's first cyber heart hailed as revolution for surgeons 》報道，全球首顆電腦“三維心臟”將于當天在英國揭開面紗，該三維心臟軟件是由倫敦心臟醫學專家與動畫制作公司合作歷時兩年研發出來[3]。通過它，人們可以對心臟進行全方位考察。

（3） 中國首例可視化人體心臟三維重建是將人體心臟部分的薄層斷面進行三維顯示，重構出心臟結構，能清晰地顯示心臟內部和整體的結構，為心臟疾病的影像學診斷和外科手術提供三維解剖學依據[4]。重構出的心臟結構是靜態的，只能提供心臟內部結構，并不能實時模擬心臟運動狀態。

由上可知，虛擬心臟在醫學上有很強的實用價值，給醫學教學和醫師手術提供非常寶貴的資源，有效指導臨床教學和實踐。

二、心臟的生理運動三維可視化的基本內容

（1）心臟組織力學屬性建模

對心臟組織進行物理模型建模，包括心臟的密度、質量、剛度等物理屬性參數值得確定、心臟房室壁的彈性力學方程的建立。

（2）血液運動建模

根據心臟內部靜脈動脈的運動以及大血管等的血液流動建立流體力學方程以及心臟房室充血與射血的控制方程的建立，模擬心臟內部血液流動過程以及心臟房室壁的收縮與擴張運動。

（3） 運動可視化

對心臟進行三維圖形建模，基于所建立的心臟與血液的動力學模型，計算出心臟三維圖形中個點的運動變化，通過重新繪制，再現心臟起搏過程，模擬出心房心室的準確收縮舒展與充血射血過程的生理機械運動，模擬出人體心臟生理運動。

三、研究思路和方法

根據研究的國內外現狀和基本內容，主要思路和方法是：

（1） 通過調研生物物理學實驗資料獲取物理參數值。對心臟左右心室兩個體進行適當劃分，基于薄殼的彈性力學原理，建立彈性力學方程。由于心臟擴張收縮彈性范圍比較大并且是相對小位移擴張，因此建立的方程屬于線性模型。

（2） 人體心臟內部血液流動分為兩個部分：血管血液的流動和房室腔體內部血液的流動。血管血液的流動主要針對管的流體力學模型建立的，是一種特殊結構的流動，據此建立血液在血管中流動的流體力學方程；房室腔體中血液的流動屬于一般流體，直接建立動力學模型即可。

（3） 控制模型的建立。心臟中充血射血控制模型的建立主要基于生理學原理，用壓力作為控制參數，用閾值方法建立控制方程。

（4） 實時性的控制。對心臟腔壁和房室劃分有限單元，用有限元法進行求解，根據腔室形狀、網格數目劃界，用GPU的機制設計多處理器將有限元方法進行并行化，實現對動力學方程實時求解，并用OpenGL實現運動三維圖的繪制和可視化。

四、心臟的生理運動三維可視化研究的意義

（1）用于病理分析。人體心臟的運動帶動肺肝等的運動，在治療肺病肝病時為了能精確判斷病灶的位置，必須了解心臟的運動機理，進而為放射治療起規劃作用。本課題研究的心臟生理運動三維可視化模型需要能夠客觀描述心臟生理功能，如：心臟的規律跳動；心房中血液與心肌的運動與相應心室中血液與心肌的運動，以及心肌的收縮與舒張；心房與心室，心室與血管間閉合反饋式的周期性運動等。與CT、MRI、超聲心動圖等圖像對應，動態呈現人體心臟起搏，進而與病人心臟對照，發現病理，幫助醫師分析判斷，找出最佳治療方案。

（2）用于醫學教育。傳統的醫學教學方法為老師對照心臟圖片為學生講解，或者老師帶教，在患者身上操作，醫師的手法和對切面圖像的辨認以及分析延長了檢查時間，以致延誤患者的治療和帶來并發癥的危險。用三維可視化心臟模型來指導教學有效避免了這些風險，又能清晰地顯示出心臟的結構。

（3）為人體心臟復雜系統建立具有物理學基礎和生理學基礎的心臟運動動力學與控制通用模型，支持對不同人以及在各種狀態下心臟系統運動的三維可視化，所研究的模型將成為數字生理人的重要組成部分。

五、預計突破的難題

（1） 心臟系統動力學模型的建立和運動激勵模型的建立

心臟系統是一個涉及多柔性體與流體相互作用的復雜系統，心房心室的準確收縮舒展與充血射血過程還是一個閉環控制過程，通過研究，將從系統動力學原理出發，建立起心臟系統的多體動力學方程與控制方程。心臟系統的運動從某種意義上說是由人體內部電磁場作用導致的，是人體生理作用的結果；心臟運動也由呼吸系統等外部因素左右著。這些激勵是決定心臟生理運動的另一重要方面，對它們的準確建模，完備心臟系統的動力學模型，實現心臟生理運動的真實模擬與三維可視化。

解決的方法：主要借鑒在生物物理學當中已經解決的成果，并與之相結合，在心臟生理過程中建立激勵模型。

（2） 心臟運動可視化的實時性

心臟系統動力學方程是一組復雜的關于時間和空間的偏微分方程組，數值計算復雜，如何有效的提高計算效率是影響三維可視化效果的關鍵因素，通過研究，提出數值求解心臟動力學方程的實時算法，實現三維可視化的實時性。

解決的方法：使用圖形工作站GPU的機制設計并行算法。

參考文獻：

[1]美國可視人體計劃[J].科學之友，2003 ，4：15.

[2]郭燕麗，張紹祥，劉正津，譚立文，李銳.心臟三維可視化模型在超聲心[J].臨床超聲醫學雜志，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]郭燕麗，張紹祥，劉正津等.首例中國可視化人體心臟三維重建及臨床意義[J].第三軍醫大學學報，2003.04，25（7）：569—571