Modalna analiza przestrzennego ruchu serca z uwzględnieniem standardowych metod obrazowania medycznego
[ 1 ] Instytut Silników Spalinowych i Transportu, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Politechnika Poznańska | [ D ] phd student
[ 1 ] Instytut Silników Spalinowych i Transportu, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Politechnika Poznańska | [ P ] employee
[ 1 ] Instytut Silników Spalinowych i Transportu, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Politechnika Poznańska | [ P ] employee
EN Spatio temporal analysis of heart motion basing on standard medical imaging methods
polish
- serce
- analiza niskowymiarowa
- POD
- diagnostyka
- biomechanika
- heart
- low dimensional analysis
- POD
- diagnostics
- biomechanics
PL W pracy przedstawiono metodę analizowania patologii w dynamice lewej i prawej komory serca człowieka za pomocą analizy modalnej POD (Proper Orthogonal Decomposition). Analiza POD pozwala na redukcje wysoko wymiarowych zestawów danych do małej liczby modów lub struktur, oddzielając zmienne strukturalne i czasowe w zestawach danych. W pracy przedstawiono szczegółowo metodę tworzenia modeli wejściowych oraz zasadę działania analizy POD. Dynamiczny model lewej i prawej komory stworzony został na podstawie bazy danych pochodzących z rezonansu magnetycznego - MRI. W tym celu zestaw siatek powierzchniowych został stworzony dla każdego z kroków czasowych. Aby umoźliwić analizę POD, zostaje przeprowadzona rejestracja kolejnych siatek. Analiza POD pozwala nie tylko na znaczna redukcje danych, lecz także jest nośnikiem informacji na temat dynamiki lewej i prawej komory serca, pozwala na odseparowanie stałych i zmiennych własciwości ruchu, które są kluczowe dla leczenia kardiologicznego. Charakterystyczne struktury sygnałów i modów czasowych zostają zidentyfikowane i stają się wytłumaczalne. Każdy z modów może zostać skorelowany z odpowiednim ruchem serca. Przedstawiono średnią superpozycję wartości czasowych i struktur przenoszących najwięcej energii. Te mniej energetyczne, zidentyfikowane jako pomijalne, zostały wyeliminowane z analizy, pozostawiając pojedyncze, najważniejsze i wyodrębnione mody, z których można pozyskać pożyteczne informacje. Model stworzony za pomocą najważniejszych modów pozwala na pełna analizę dynamiki. Możliwości użytkowe badania dynamiki serca ( np. diagnostyki i planowania operacji) są widoczne lecz wciąż przedwczesne. Udowodniono, ze tak skomplikowany ruch jakim jest skurcz i rozkurcz lewej i prawej komory może zostać zrekonstruowany za pomocą kilku stopni swobody - modów POD. Rozkład dynamiki serca do charakterystycznych składowych pozwala na badanie patologicznego ruchu. Współczynniki czasowo-przestrzenne odzwierciedlają funkcjonowanie serca. Porównywanie ich może pozwolić na rozpoznanie i rozróżnianie patologii dynamiki serca.
EN The paper aims to build a reduced order model (ROM) of the left and right ventricle of a human heart. ROM is an advantageous method for reducing high-dimensional data sets to a small number of modes or structures and separating apart structural and time variables within these data sets. The modal analysis is enabled with the Proper Orthogonal Decomposition. In the paper the main steps of the model building are described in details. Proper orthogonal decomposition is presented. The flexible heart model is build with the MRI case study. For this purpose 3D sets of flexible surface meshes for the left and right ventricle are created for each snapshot. To enable POD analysis the registration of subsequent meshes is performed. The proper orthogonal analysis allows not only data reduction but is a data-driven filter, allowing for a separation of similar and alternative properties of the left and right ventricle movement, which, is diagnostically essential in cardiology studies. Characteristic signal structures or modes are recognized within the time series that turn out to be explainable. Each mode can be correlated with a corresponding heart movement. In our study it is presented by the superposition of time-averaged values and the most energetic structures. The less energetic ones, identified as negligible in further analysis are eliminated from the data, leaving separated, crucial, extent modes from which useful information may be extracted. The dynamical model filtered in this way truncates the noisy structures and allows the analysis of the movement data. Its qualities for the cardiac movement study (e.g., diagnostics and operation planning) is noticeable but still precautious. We have proven that complex heart motion can be modelled with relatively few degrees of freedom - POD modes. Decomposition of the heart motion on to characteristic patterns enables examination of pathological movement. Coefficients reflect the properly functioning heart, and comparing them may reveal and distinguish pathologies.
125
medical biotechnology
biocybernetics and biomedical engineering
DrOIN 1664
public
Michał Nowak
Poznań, Polska
15.01.2015
polish
public
Romuald Będziński
Wrocław, Polska
16.01.2015
polish
public
dissertation
Poznań, Polska
27.04.2015
Rada Wydziału Maszyn Roboczych i Transportu Politechniki Poznańskiej
doktor nauk technicznych w dyscyplinie: budowa i eksploatacja maszyn, w specjalności: biomechanika