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一种新颖的计算机建模和模拟技术,用于跟踪呼吸下人肺的支气管运动

Physical and Engineering Sciences in Medicine ( IF 2.4 ) Pub Date : 2023-10-03 , DOI: 10.1007/s13246-023-01336-2
Byeong-Jun Kim 1 , Hyo Yeong Ahn 2 , Chanhee Song 3 , Dongman Ryu 3 , Tae Sik Goh 4 , Jung Sub Lee 4 , Chiseung Lee 5, 6
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在这项工作中,我们提出了一种新颖的计算机建模和模拟技术,使用 9 个基于计算机断层扫描 (CT) 的患者特定有限元 (FE) 模型和奥格登超弹性模型,用于呼吸下肺支气管(或肿瘤)的运动跟踪。在构建患者特定的呼吸系统有限元模型时,考虑了纵隔、膈肌和胸部等可能影响呼吸过程中肺部运动的各种器官。为了描述肺实质的非线性材料行为,利用ABAQUS中的几种超弹模型对肺实质双向拉压进行了对比模拟,并采用Ogden模型作为优化模型。基于上述有限元模型和Ogden材料模型,对9例从呼气到吸气进行呼吸模拟,并跟踪肺支气管(或肿瘤)的运动。此外,还计算呼吸过程中肺容积、肺轴向平面横截面积的变化。最后,将模拟结果与 9 名受试者的吸气/呼气 CT 图像进行定量比较,以验证所提出的技术。通过模拟证实,全体受试者肺支气管分支258个标志点的位移模拟与临床数据的平均相对误差为1.10%~2.67%。另外,肺横截面积变化和上下方向体积变化的平均相对误差分别为0.20%~5.00%和1.29~9.23%。因此,认为模拟结果与临床数据吻合良好。 本研究的新颖之处在于:(1)逐步提供了从人体呼吸系统的制造到支气管运动跟踪验证的框架。 (2)对肺实质非线性材料行为进行了比较模拟研究,以描述真实的肺运动。 (3)呼吸模拟中考虑了肺实质周围的各种器官并限制其运动。 (4)将标志物位移、肺横截面积/体积变化等模拟结果与9名受试者的临床数据进行定量比较。





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更新日期:2023-10-04
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