استخراج و ارزیابی مشخصه های جریان خون با استفاده از تصاویر پزشکی

سعی شده است در قالب یک تحقیق بی سابقه ودر نتخستین تلاش در کشور برای تصویربرداری کمی جریان خون، مشخصات ونحوه پردازش و کاربردهای این نوع تصویربرداری مورد بحث قرار گیرد. در رساله حاضر ابزارهای لازم برای استفاده از سیستم های تصویربرداری پزشکی جهت اندازه گیری مشخصه های جریان خون در سیستم قلبی-عروقی بررسی شده است. دامنه وسیعی از فعالیت ها شامل تصویربرداری، جداسازی، حل ریاضی، محاسبات عددی، توسعه الگوریتم های کاربردی و همینطور طراحی و ساخت دستگاه های تولید کند جریان پالسی و دستگاه فانتوم قلب در اینجا گرد هم آمده اند. با وجود دامنه گسترده این مطالعات، همه آنهادر قالب موضوع واحد این رساله بوده و از سطحی نگری در آنها اجتناب شده است. در این گزارش ابتدا سیستم های تصویربرداری مرسوم برای اندازه گیری جریان خون معرفی و محدودیت های هر یک ارایه شده اند. در ادامه، مشخصه های کاربردی جریان خون مورد بحث قرار گرفته اند. هدف این رساله تبیین کاربردهای پزشکی، تحلیل روشهای محاسباتی موجود، تذکر محدودیت های مربوطه و ارایه روشهای جدید برای تخمین مشخصه های جریان خون می باشد. مشخصه هایی که مورد توجه قرار گرفته اند عبارتند از : تخمین میدان جریان، دبی جریان، توزیع فشار، تنش برشی دیواره، مسیر حرکت ذرات و نهایتا لزجت خون. انتخاب این مشخصه ها با توجه به احتمال اقبال آنها در کاربردهای کلینیکی می باشد. در راستای اهداف تعیین شده مذکور، ابزارهای ارزیابی الگوریتم های تخمین مشخصه های جریان خون نیز در بحث ویژه ای در قالب سه دسته ابزارهای فیزیکی، عددی و ریاضی تقسیم بندی شده و به تفصیل توصیف شده اند. در اینجا نوآوری های مختلفی در پردازش تصاویر جریان صورت گرفته است. برای جداسازی میدان جریان و برای تشخیص منطقه جریان، از ترکیب جداسازی بر پایه مرز و جداسازی بر پایه میدان استفاده شده است. برای یافتن معادل میدانی جداسازی بر پایه مرز از قضیه گرین استفاده شده است. همچنین پیشنهادات مختلفی جهت تخمین میدان فشار و حل معادله فشار پواسون از روی داده های حاصل از تصویر ارایه شده است. محاسبه این میدان به کمک فرم دیفرانسیلی (شامل شبکه های جداشده و انباشته) و فرم انتگرالی حل معادلات، در میدان با هندسه پیچیده، از نوآوریهای آن در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی (cfd) می باشد. در این راستا یک روش تخمین میدان فشار بر اساس انطباق حداقل مربعات بر میدان سرعت توسعه یافته است. برای تخمین توزیع تنش برشی دیواره نیز یک روش ویژه برای اصلاح روشهای موجود جهت تخمین این مشخصه جریان خون ارایه شده است. در روش مذکور از تیوری تخمین توابع برای تقریب مقادیر پارامترها در نقطه دلخواه از میدان شبکه استفاده شده است. برای اعمال این نوع تخمین در میدان تصویر بایستی از جداسازی بر پایه مرز استفاده شود. همچنین ابزار ریاضی خاصی نیز برای ارزیابی مشخصه های مختلف جریان توسعه یافته است. این ابزار شامل روابط ریاضی توصیف کننده میدان جریان نوسانی در راستای دو استوانه هم مرکز می باشد که دارای دوران نسبی حول محور تقارن خود می باشند. بدین ترتیب یک میدان سه بعدی زمانی و متحرک فراهم شده است که مشابه جریانهای داخل بدن بوده و می تواند روشهای تخمین مشخصه های جریان خون از تصاویر را با دقت مناسبی ارزیابی کند. در قالب فعالیتهای عملی نیز یک فانتوم فیزیکی جریان بطن چپ قلب طراحی و ساخته شده است. ساز و کار این نوآوری، سازگار با دستگاه تصویربرداری mri بوده و از مزایای متعددی در مطالعات مربوط به تصاویر جریان برخوردار می باشد. برای تحریک این فانتوم نیاز به یک محرک شبیه ساز جریان نوسانی وجود دارد. در طی انجام این پروژه همچنین یک پمپ شبیه ساز جریان نوسانی نیز طراحی و ساخته شده است.