基于优化水平集形状建模的动脉血栓形成机制研究

The computer modeling of the mechanism of thrombosis is a popular research field in thrombosis research. One of the research challenges is the accuracy and fidelity of the computational model. The thrombus morphology which is an important influencing factor of thrombosis determines the model accuracy directly. However, the importance of the thrombus morphology is always ignored in the existing models. The project is mainly focused on increasing the accuracy of thrombus morphology through adding Level Set based shape modeling to the model. The objectives and contents of this project are as follows: 1. Introducing Level Set into the hybrid model to transform the surface of thrombus from discrete particles form to continuous free surface, which increases the accuracy of description of thrombus geometry morphology; 2. Improving Level Set Method according to the features of the model to reduce the computation complexity in surface tracking and raise the efficiency of the computational model. 3. To deepen the understanding of the mechanism of thrombosis, studying the relationship between thrombus morphology and thrombogenesis in artery through simulations.

使用计算机对血栓的形成机制建模是近年来血栓研究的热点。研究的难点之一是计算模型的精确度和逼真度。血栓的几何形态作为影响其形成的一个重要因素直接决定模型的准确性。但是，已有的模型中往往忽略了血栓形态的重要性。本项目通过在计算模型中加入基于水平集的形状建模算法，提高模拟中血栓几何形态的准确度。具体的研究内容和目标如下：1、在混合模型中引入水平集概念，将血栓表面由离散的颗粒表面转换为连续的自由界面，提高血栓几何形态描述的精确度；2、针对计算模型的特点改进水平集方法，降低界面追踪中的计算复杂度，从而提高计算模型的效率；3、通过模拟实验研究动脉中血栓的几何形态与血栓形成间的关系，加深对血栓形成机制的理解。

本项目以基于计算机仿真实验的动脉血栓形成机制研究为背景，重点研究血栓形成机制计算模型和动脉初期血栓形成规律，同时研究水平集界面追踪算法的优化和仿真 . 实验平台的搭建，以优化计算模型和简化实验操作。本项目的研究思路是基于水平集方法构建血栓形成过程的连续-离散混合计算模型；通过自适应的局部网格细化、红黑树结构和红绿细化策略，分别在数据存储效率和计算效率两方面提高距离正则化水平集在实现界面追踪中的性能，并将优化后的距离正则化水平集加入计算模型，提高模型效率；利用基于优化水平集方法的计算模型，模拟在存在局部狭窄的动脉血管中初期血栓的形成过程，通过在不同狭窄形态、狭窄程度、内膜破损位置和血流速度等条件下的仿真实验，分析动脉血栓的形成规律；最后，利用图形界面开发程序框架和数据可视化工具库，对可进行交互操作的仿真实验平台进行设计与开发，提高项目的实用性。课题组按照计划，围绕以上目标开展研究工作，在基于距离正则化水平集的动脉血栓形成过程建模、基于局部网格细化的水平集算法优化、血管几何形态对血栓形成的影响、交互式动脉初期血栓仿真实验平台等方面取得一定的成果，并已初步尝试利用医学影像进行血管三维重建，进一步提高仿真实验研究的数据真实性和个体化差异性。相关工作共发表已标注的相关论文多篇，其中期刊论文3篇，会议论文1篇。