本發(fā)明涉及三維有限元建模和醫(yī)學(xué)成像的交叉
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體地，涉及一種基于調(diào)和場的各向異性特定患者鞏膜有限元建模方法。
背景技術(shù)：
：最近，研究人員專注于理解鞏膜生物力學(xué)的特性，因?yàn)殪柲ず秃Y板的生物力學(xué)特性決定了視神經(jīng)乳頭的生物力學(xué)變化，這種特性在處理由于眼內(nèi)壓增大所導(dǎo)致的視網(wǎng)膜神經(jīng)細(xì)胞缺失和視神經(jīng)損傷上扮演著著重的角色。眼球后部包括三層：鞏膜、脈絡(luò)膜、視網(wǎng)膜，其中鞏膜最厚，視網(wǎng)膜最薄。對(duì)鞏膜、脈絡(luò)膜、視網(wǎng)膜施加同樣的壓力，它們的切線模量在不同數(shù)量級(jí)上，其中鞏膜最高。因此，鞏膜在維持眼球形狀上扮演著至關(guān)重要的角色。鞏膜包裹著眼球，它由纖維組織組成，由幾乎完全平行且交錯(cuò)的稠密帶狀原蛋白組成，這些原蛋維持著鞏膜的生物力學(xué)特征。研究發(fā)現(xiàn)，大部分動(dòng)物鞏膜組織的許多相似的特征在結(jié)構(gòu)上都是各向異性的。在后部和視神經(jīng)乳頭周圍區(qū)域，鞏膜纖維幾乎是呈環(huán)狀面的，但不與前部和赤道部區(qū)域?qū)R。環(huán)狀面鞏膜纖維可能充當(dāng)一個(gè)增強(qiáng)環(huán)去防止視神經(jīng)乳頭的變形。鞏膜膠原纖維的生物力學(xué)特性可展示各向異性對(duì)外力的反應(yīng)。一些研究采用規(guī)則的映射六面體網(wǎng)格去生成相同厚度的規(guī)則半球型鞏膜，這一策略并不能適用于特定幾何結(jié)構(gòu)的鞏膜。Pandolfi等人開發(fā)了一種基于參數(shù)的人類角膜網(wǎng)格生成器。它基于一個(gè)二維的網(wǎng)格生成算法，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)生成器構(gòu)造出了角膜的結(jié)構(gòu)。這個(gè)雙錐形函數(shù)的輸入限定在幾個(gè)幾何參數(shù)，這些參數(shù)描述了角膜的內(nèi)、外表面。但是真實(shí)的鞏膜形狀并非規(guī)則的，并且形狀對(duì)鞏膜內(nèi)部區(qū)域的厚度變化有重要影響。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種可以為特定患者鞏膜建模的方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種基于調(diào)和場的各向異性特定患者鞏膜有限元建模方法，包括以下步驟：S1、采用激光掃描得到特定患者鞏膜立體模型；S2、對(duì)所述立體模型指派鞏膜權(quán)值、設(shè)計(jì)傘算子，得到調(diào)和場；S3、為所述調(diào)和場設(shè)置約束條件，分布所述調(diào)和場的梯度場和等值線場；S4、通過所述梯度場和所述等值線場平滑地分布規(guī)則六面體網(wǎng)格在所述鞏膜上；S5、對(duì)所述立體模型設(shè)置基于所述調(diào)和場的各向異性材料參數(shù)；S6、通過IA-FEMesh生成器在所述鞏膜上生成目標(biāo)網(wǎng)格，將所述目標(biāo)網(wǎng)格與所述規(guī)則六面體網(wǎng)格進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。優(yōu)選的，在步驟S2中，指派所述鞏膜權(quán)值其中j∈N(i)表示與點(diǎn)i相鄰的頂點(diǎn)集，αij和βij表示相對(duì)邊的角度；設(shè)計(jì)所述傘算子得到所述調(diào)和場Δf＝0。優(yōu)選的，在步驟S3中，設(shè)置約束條件全局最小值賦值給所有約束最小值，全局最大值賦值給所有約束最大值。優(yōu)選的，所述步驟S5中，在所述鞏膜的立體模型的每一個(gè)單元設(shè)置一個(gè)本地坐標(biāo)系，其中，將環(huán)狀方向作為X軸方向，梯度方向作為Y軸方向，環(huán)狀方向與梯度方向的交點(diǎn)方向作為Z軸方向，所述Z軸方向用于表示所述鞏膜的厚度方向，對(duì)于所述鞏膜的各向異性彈性參數(shù)，設(shè)Ex＝8.6MPa，Ey＝6MPa，Ez＝2.5MPa。與相關(guān)技術(shù)相比，本發(fā)明提供的一種基于調(diào)和場的各向異性特定患者鞏膜有限元建模方法可以在特定患者的非規(guī)則鞏膜上建立模型，并基于調(diào)和場在鞏膜上分布規(guī)則六面體網(wǎng)格，同時(shí)設(shè)置各向異性材料參數(shù)，從而可以為特定患者鞏膜進(jìn)行有效建模，這種建模方法還加入了各向異性材質(zhì)方向場，不但保證了建模精確質(zhì)量高，而且可以對(duì)非規(guī)則半球鞏膜建模進(jìn)行個(gè)性化參數(shù)設(shè)置。附圖說明為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖，其中：圖1為本發(fā)明的提供調(diào)和場的各向異性有限元建模方法的流程圖；圖2(a)為鞏膜模型的后部示意圖；圖2(b)為鞏膜模型的赤道部示意圖；圖2(c)為鞏膜模型的前部示意圖；圖2(d)為帶等厚線的后部鞏膜視圖；圖3(a)為鞏膜厚度顏色映射示意圖；圖3(b)為后鞏膜的六面體網(wǎng)格圖；圖3(c)為后鞏膜和視神經(jīng)乳頭的網(wǎng)格圖；圖4(a)和(b)為完美的周圍形的鞏膜纖維示圖；圖4(c)為視神經(jīng)乳頭纖維旋轉(zhuǎn)30°，外圍纖維旋轉(zhuǎn)40°后示圖；圖5(a)為IA-FEMesh多模塊結(jié)構(gòu)的手動(dòng)編輯網(wǎng)格化；圖5(b)為IA-FEMesh后鞏膜六面體網(wǎng)格。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。本發(fā)明提供的基于調(diào)和場的各向異性特定患者鞏膜有限元建模方法，是在非規(guī)則的特定患者鞏膜上，平滑地分布一個(gè)規(guī)則六面體網(wǎng)格。其中，調(diào)和場是最有效的平滑分布工具之一，它的梯度向量場和等值線場平滑川流在模型表面，并且它們互相垂直，可以用它們來表示鞏膜的主要纖維方向，也能驅(qū)動(dòng)六面體網(wǎng)格化。另外，用于表面網(wǎng)格的拉普拉斯-貝爾特拉米算子接近于模型的正常平均曲率，以致于調(diào)和場分布圖像能很好的符合模型形狀，本發(fā)明采樣了梯度向量場和等值線場的流線去生成六面體網(wǎng)格。這些采樣的流線精確地川流在模型表面，它可以保留鞏膜的最初形狀去生成“特定患者”網(wǎng)格，這樣可以有效地處理特定患者鞏膜的規(guī)則形狀和顯著的鞏膜內(nèi)部區(qū)域厚度變化。請(qǐng)參閱圖1，圖1為本發(fā)明的提供調(diào)和場的各向異性有限元建模方法的流程圖。本發(fā)明提供了一種基于調(diào)和場的各向異性特定患者鞏膜有限元建模方法，包括以下步驟：S1、采用激光掃描得到特定患者鞏膜立體模型；S2、對(duì)所述立體模型指派鞏膜權(quán)值、設(shè)計(jì)傘算子，得到調(diào)和場；S3、為所述調(diào)和場設(shè)置約束條件，分布所述調(diào)和場的梯度場和等值線場；S4、通過所述梯度場和所述等值線場平滑地分布規(guī)則六面體網(wǎng)格在所述鞏膜上；S5、對(duì)所述立體模型設(shè)置基于所述調(diào)和場的各向異性材料參數(shù)；S6、通過IA-FEMesh生成器在所述鞏膜上生成目標(biāo)網(wǎng)格，將所述目標(biāo)網(wǎng)格與所述規(guī)則六面體網(wǎng)格進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。對(duì)于上述六個(gè)步驟，具體包括如下內(nèi)容：1.采用高精度激光掃描得到特定患者鞏膜立體模型。請(qǐng)一并參閱圖2(a)-2(c)。所述鞏膜的立體模型包括外表面和內(nèi)表面，用三角分段線性表面網(wǎng)格來表示。圍繞視神經(jīng)乳頭的后鞏膜是一個(gè)特殊興趣區(qū)域，提取后鞏膜半球模型，計(jì)算并添加等厚線。最厚的鞏膜區(qū)域是眼睛的后極部，為1.1毫米；最薄的區(qū)域出現(xiàn)在赤道部上，為0.38毫米，具體如圖2(d)所示，為帶等厚線的后部鞏膜視圖。2.對(duì)所述立體模型指派鞏膜權(quán)值、設(shè)計(jì)傘算子，得到調(diào)和場。通過在視神經(jīng)乳頭和赤道部的最后端環(huán)中定位最小值和最大值約束條件(如圖3(a)中的箭頭所指區(qū)域)，生成調(diào)和場用以驅(qū)動(dòng)網(wǎng)格化策略。對(duì)于后鞏膜的外表面和內(nèi)表面網(wǎng)格，構(gòu)建一個(gè)調(diào)和場f使得Δf＝0，其中，Δ是拉普拉斯算子，受限于狄利克雷邊界條件。標(biāo)準(zhǔn)拉普拉斯算子是定義在分段線性表面網(wǎng)格M的傘算子，所述傘算子式子如下：其中，j∈N(i)是表示與點(diǎn)i相鄰的頂點(diǎn)集，wij是指派給邊(i,j)的鞏膜權(quán)值。鞏膜權(quán)值wij的標(biāo)準(zhǔn)選擇為離散的調(diào)和權(quán)值這里αij和βij表示相對(duì)邊的角度。將頂點(diǎn)函數(shù)值fi組裝成n維向量f，拉普拉斯算子可以寫成Lf＝0，其中，的L由以下式子確定：消除約束點(diǎn)對(duì)應(yīng)的行和列，把它們移到等式右邊得到一個(gè)線性系統(tǒng)形式Ax＝b，包含一個(gè)正定稀疏矩陣A和右邊的向量b。預(yù)處理共軛梯度這種迭代算法能有效地得到線性系統(tǒng)的解。3.為所述調(diào)和場設(shè)置約束條件，分布所述調(diào)和場的梯度場和等值線場。對(duì)于后鞏膜的外表面和內(nèi)表面，一組相同的采樣種子點(diǎn)放置在赤道部的后圈上，順著由調(diào)和場標(biāo)量域?qū)С龅奶荻认蛄繄龇较颉＿@些梯度流線平滑地川流和精確的收斂在視神經(jīng)乳頭的最末端圈上。同時(shí)，用同樣的標(biāo)量值采樣一組調(diào)和鞏膜場等值線。通過實(shí)踐嘗試，將后鞏膜半球的梯度場和等值線場的線條數(shù)分別設(shè)置為60和15，可以很好的擬合出后鞏膜的形狀。等值線分布密度是根據(jù)鞏膜的薄厚程度來的，靠近乳頭區(qū)域線條分布的比赤道部的要密。這些梯度流線和等值線形成了一個(gè)完美的鞏膜外表面和內(nèi)表面四邊形網(wǎng)格，且額外地在外表面與內(nèi)表面之間插入了一個(gè)中間層。4.通過所述梯度場和所述等值線場平滑地分布規(guī)則六面體網(wǎng)格在所述鞏膜上。這些梯度流線和等值線形成了一個(gè)完美的鞏膜外表面和內(nèi)表面四邊形網(wǎng)格，且額外地在外表面與內(nèi)表面之間插入了一個(gè)中間層。四邊形網(wǎng)格的這3層有同樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且可以自動(dòng)連接去生成完整的鞏膜六面體網(wǎng)格，詳見圖3(b)所示。最后，這些8個(gè)結(jié)點(diǎn)的線性六面體元被轉(zhuǎn)化成20結(jié)點(diǎn)的非線性六面體元，以解釋大型材料形變的原因并提高有限元的精確性，具體如圖3(c)所示，為后鞏膜和視神經(jīng)乳頭的網(wǎng)格示圖。值得注意的是，盡管這個(gè)特定患者的后鞏膜形狀是非規(guī)則的半球型結(jié)構(gòu)，并且視神經(jīng)乳頭也不在半球的中心，但是這個(gè)六面體網(wǎng)格結(jié)果仍然是非常規(guī)則的排列著。此外，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)元是自適合地分布，密度大的在視神經(jīng)乳頭區(qū)域，密度小的在赤道部區(qū)域。5.對(duì)所述立體模型設(shè)置基于所述調(diào)和場的各向異性材料參數(shù)。根據(jù)以前的研究，鞏膜具有各向異性的特性，并且鞏膜纖維幾乎都在視神經(jīng)乳頭圓周面。在鞏膜視神經(jīng)乳頭區(qū)域，纖維很少與前部和赤道部對(duì)齊。換而言之，需要對(duì)所述規(guī)則六面體網(wǎng)格中的每一個(gè)單元定義一個(gè)本地坐標(biāo)系，作為各向異性材料的設(shè)置。如果使用的是規(guī)則的半球型鞏膜模型的話，這個(gè)步驟很簡單，但是對(duì)于非規(guī)則的特定患者鞏膜，生成點(diǎn)到點(diǎn)的內(nèi)部組織變化正交軸向量場是比較困難。為了解決上述難題，本發(fā)明使用已有的調(diào)和場。很明顯，等值線的切線方向與鞏膜周圍的纖維軌跡是兼容的，梯度向量的方向與經(jīng)線纖維軌跡是兼容的。具體來說，為所述鞏膜的立體模型中的每一個(gè)單元設(shè)置一個(gè)本地坐標(biāo)系，將環(huán)狀方向作為X軸方向，梯度方向作為Y軸方向，詳見圖4(a)和圖4(b)。環(huán)狀方向與梯度方向的交點(diǎn)方向作為Z軸方向，表示鞏膜的厚度方向。對(duì)于鞏膜的各向異性彈性參數(shù)，我們基于之于的研究，設(shè)Ex＝8.6MPa，Ey＝6MPa，Ez＝2.5MPa。假設(shè)組織是不可壓縮的，為了避免非收斂數(shù)值的情況，將泊松率設(shè)為0.49。為了確定哪種程度的各向異性特性會(huì)影響鞏膜的應(yīng)力和應(yīng)變分布，創(chuàng)建了一個(gè)各向同性的鞏膜有限元模型。為了兼容以前的研究，取上界與下界的平均值作為各向同性彈性參數(shù)E＝3.8MPa。此外，正如之前研究指出的，鞏膜纖維幾乎都在視神經(jīng)乳頭圓周面，纖維很少與前部和赤道部對(duì)齊，我們創(chuàng)建了一組模型來作比較。我們首先在“r1”模型中，將外圍區(qū)域纖維旋轉(zhuǎn)10°；然后在“r2”模型中，將神經(jīng)頭區(qū)域纖維旋轉(zhuǎn)10°，外圍區(qū)域旋轉(zhuǎn)20°；將模型“r3”的神經(jīng)頭區(qū)纖維旋轉(zhuǎn)20°，外圍區(qū)纖維旋轉(zhuǎn)30°；在模型“r10”中，將神經(jīng)頭區(qū)域纖維旋轉(zhuǎn)80°，外圍區(qū)域旋轉(zhuǎn)90°；圖4(c)中模型為“r4”，“r4”模型中視神經(jīng)乳頭纖維旋轉(zhuǎn)30°，外圍纖維旋轉(zhuǎn)40°后示圖。6.通過IA-FEMesh生成器在所述鞏膜上生成目標(biāo)網(wǎng)格，將所述目標(biāo)網(wǎng)格與所述規(guī)則六面體網(wǎng)格進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。對(duì)于圖3(a)-3(c)中的鞏膜模型，我們的基于調(diào)和場的六面體鞏膜網(wǎng)格生成器，產(chǎn)生5410個(gè)六面體元?？偣驳挠?jì)算耗時(shí)938ms。采用靈敏度分析去衡量計(jì)算結(jié)果的質(zhì)量。結(jié)果表明，最大位移變化小于0.1％，然而，最大的主要應(yīng)力少于2.5％，這證明了這種網(wǎng)格的合理性。為了對(duì)我們的模型進(jìn)行比較，我們使用了IA-FEMesh生成器，它采用了多模塊網(wǎng)格化策略來生成目標(biāo)網(wǎng)格，這種目標(biāo)網(wǎng)格同樣為六面體網(wǎng)格。這里需要非平凡邊界，“塊結(jié)構(gòu)”技術(shù)的運(yùn)用，使用戶可以手動(dòng)打破域而進(jìn)入到拓?fù)鋲K，正如圖5(a)所示。這種塊生成步驟花費(fèi)了3分鐘時(shí)間。計(jì)算過程主要包括兩個(gè)步驟。首先，最近點(diǎn)投影用于將直線非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格表面結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為興趣區(qū)的底部表面。當(dāng)表面節(jié)點(diǎn)建立之后，用戶可以使用橢圓或超限插值來計(jì)算內(nèi)部結(jié)點(diǎn)。使用同樣的鞏膜模型，總共的映射計(jì)算耗時(shí)大概2分鐘，圖5(b)為生成的后鞏膜六面體網(wǎng)格。從完美六面體元的雙面角變形統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，我們的方法可以產(chǎn)生更高質(zhì)量的網(wǎng)格元，如表1所示，表1為單元格雙面角扭曲統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果對(duì)照表。表1OurMethodMeshMatchingMethod0°～10°41.2％19.7％10°～20°43.6％30.2％20°～30°11.3％20.3％30°～40°2.3％14.1％40°～50°1.6％9.3％>50°0％6.4％Maximum43°86°Average7.8°17.5°可以觀察到，在本發(fā)明提供的方法中，雙面角變形小于20°的占85％，但在IA-FEMesh生成器中只占50％。這種方法的平均雙面角扭曲分別是7.8°和17.5°，并且最大的扭曲角度是43°和86°。換句話說，IA-FEMesh生成器會(huì)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)或自交元。IA-FEMesh生成器中，在一些網(wǎng)格頂點(diǎn)中，最近點(diǎn)映射算法結(jié)果偏離了輸入模型，尤其在較尖銳的邊上。相反，我們的調(diào)和場網(wǎng)格生成器要求所有的網(wǎng)格輸入模型是精確的，并且這樣可以更好的保留特定患者鞏膜的原始幾何形狀。與相關(guān)技術(shù)相比，本發(fā)明提供的一種基于調(diào)和場的各向異性特定患者鞏膜有限元建模方法可以在特定患者的非規(guī)則鞏膜上建立模型，并基于調(diào)和場在鞏膜上分布規(guī)則六面體網(wǎng)格，同時(shí)設(shè)置各向異性材料參數(shù)，從而可以為特定患者鞏膜進(jìn)行有效建模，這種建模方法還加入了各向異性材質(zhì)方向場，不但保證了建模精確質(zhì)量高，而且可以對(duì)非規(guī)則半球鞏膜建模進(jìn)行個(gè)性化參數(shù)設(shè)置。以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其它相關(guān)的
技術(shù)領(lǐng)域：
，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3