基于亚区结构特征的二尖瓣脱垂建模与血液返流仿真方法研究

二尖瓣脱垂是常见的心脏病，目前没有成熟的方法准确计算由其引起的偏心性血液返流量，手术方法的选择仍以主观判断为主。最新研究证实二尖瓣叶可进一步精细划分为六个亚区结构，本课题以亚区结构为特征，对二尖瓣脱垂进行建模和仿真。拟开展的研究有：以临床获得的二尖瓣超声图像为基础，首先分割出二尖瓣前后叶六亚区、二尖瓣环等主要结构，并进行配准，计算相关参数，构建能够体现个体特征的精细二尖瓣三维形态模型；进一步采用有限元分析方法构建出具有个体特征的二尖瓣物理模型；再建立起能够描述二尖瓣脱垂的血液返流仿真模型。最后将以上三个模型结合起来，建立二尖瓣脱垂的诊断和手术仿真评价系统。该系统可模拟手术治疗方案在个体病患实施的过程和结果，也可定量评价返流量，以实现针对不同患者的手术方案设计和定量分析，明确二尖瓣亚区结构与血液返流之间的关系，研究二尖瓣脱垂血液返流的仿真方法，为临床诊断提供帮助，具有重要科研价值和社会意义。

本项目以人体二尖瓣超声图像为基础，对二尖瓣脱垂进行建模和仿真，分别从形态、物理和功能三个方面建立与二尖瓣脱垂相关的若干模型，并进行了相应的病理和手术成形治疗过程的模拟仿真。经过三年的科学研究，项目组完成了项目预设的研究目标，具体表现在：（1）获取具有不同结构特征的二尖瓣超声影像数据集，并进行测量计算、统计学分析;（2）提出一种二尖瓣超声图像自动分割方法，完成二尖瓣精确分割和二尖瓣脱垂自动诊断，并建立二尖瓣精细三维形态模型；（3）建立左心循环系统电路仿真模型，对人体正常状态以及不同程度的二尖瓣脱垂情况进行功能仿真；（4）建立人工二尖瓣有限元模型，对瓣膜受力大小进行力学分析，为人工二尖瓣的设计提供参考依据；（5）建立了人体二尖瓣有限元物理模型，模拟二尖瓣闭合的工作过程，分析二尖瓣各组件应力分布，仿真不同程度二尖瓣瓣叶脱垂时动态运动状态与应力分布；（6）针对黏液样变性的二尖瓣瓣叶的材料提出一种结构模型，该模型更加真实的反映瓣叶的材料性质，可作为病变二尖瓣建模与手术仿真的基础；（7）参照临床二尖瓣外科手术实际过程，仿真手术过程，实现手术中缝补、切除等效果的仿真，分析二尖瓣修复术前、后二尖瓣的闭合效果与应力变化，评估手术的合理性。基于以上研究内容，项目组共整理发表了29篇论文，其中SCI检索4篇，EI检索10篇，ISTP检索1篇；同时申请了1项发明专利；培养毕业了1名博士和2名硕士，并有1名博士和4名硕士在读，超额完成了项目申请时预期的研究成果。项目组研究的模型和算法为研究人体二尖瓣脱垂的建模和仿真奠定了基础，对临床二尖瓣手术成形术的完善具有重要的推动作用。