基于流形学习的心肌纤维结构描述研究

The knowledge of cardiac fiber architecture is essential in understanding the functional mechanism of the heart. Changes in cardiac architecture may indicate the appearance of cardiovascular disease. It is thus of great value to quantify cardiac architecture in clinical diagnosis. Diffusion MRI is a noninvasive imaging modality that allows studying cardiac fiber architecture in vivo. Tractography is essential in representing and visualizing fiber architecture, but techniques for the description of cardiac fiber architecture are quite limited. The goal of this proposal is to develop new techniques for studying the cardiac fiber architecture, and is composed of three main axes. The first is to analyze cardiac laminar structure, and to develop novel techniques to group fibers into laminar sheets. The second concerns further development of the cardiac fiber unfolding framework, which unfolds fibers on a plane to obtain their two dimensional representation. The third axis is about defining fiber architecture descriptors and analyze fiber configuration accordingly in cardiac laminar sheets. Our work will provide a new window for studying cardiac fiber architecture, and will provide knowledge of two dimensional cardiac fiber configuration, which would be useful in guiding the design of biomedical textiles in clinical cardiac surgery.

充分认识人体心肌纤维结构可有效提高心血管疾病的早期诊断。基于扩散磁共振成像发展而来的纤维追踪能够以非侵入方式辨认活体纤维结构，但相关的纤维结构描述手段还非常有限。本项目将以纤维追踪为出发点研究心肌纤维结构。本项目的主要研究内容包括：1）分析心肌纤维的层次特点，提出层次划分算法，将心肌纤维划分为不同的心肌层，并基于流形的基本特征，将每个心肌层看作一个曲面流形；2）基于流行学习手段设计纤维展开算法，在保持纤维在心肌层内的局部刚性结构的同时将纤维展开到平面获得纤维的二维表达；3）设计纤维结构描述子，对纤维的二维表达进行分析，研究描述子在心肌层中的分布特点，进一步研究纤维层内结构。项目的成功实施将为心肌纤维结构的研究提供新的思路和手段，促进心脏机能的理论研究，同时对心血管疾病的早期诊断、心脏修复织物的设计等有临床应用价值。

充分认识人体心肌结构可有效提高心血管疾病的早期诊断。基于扩散磁共振成像发展而来的纤维追踪能够以非侵入方式辨认活体纤维结构，但相关的纤维结构描述手段还非常有限。本项目以弥散磁共振数据出发，研究了心肌的建模方式以及相应的量化方法。具体地，本项目研究了以纤维序列形式作为心肌结构单位的优劣, 将纤维所在曲面进行宏观流形展开对心肌进行描述在临床上的益处，提出了基于几何代数的微观心肌薄面的建模以及定量描述方法，该方法可在临床上用于诊断心肌功能是否正常。期间的重要成果：有关流形学习用于面展开的工作发表于医学图像领域国际会议MICCAI-2018；研究数据序列建模分析的算法应用于临床微观细胞活性量化、宏观行人步态识别，并申请发明专利；提出几何代数对心肌进行局部微观薄面建模、量化算法并已提交专利申请。

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