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呼吸道三維模型的建立及其應(yīng)用
人體斷層切片數(shù)據(jù)集1 引言呼吸系統(tǒng)是人體直接與外界接觸最密切的內(nèi)臟器官。人體通過(guò)呼吸系統(tǒng)從外界空氣中攝取氧氣，同時(shí)排出二氧化碳，維持人體基本代謝平衡，呼吸系統(tǒng)在人體的正常生命活動(dòng)中起著非常重要的作用。呼吸道是人體呼吸系統(tǒng)與大氣之間進(jìn)行氣體交換的通道，包括上呼吸道和下呼吸道。下呼吸道包括氣管、總支氣管、葉、段支氣管及各級(jí)分支，直到肺泡，它不僅是空氣通過(guò)的管道，而且具有防御、清除異物、調(diào)節(jié)空氣溫度和濕度的作用。
近十幾年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展給生物醫(yī)學(xué)帶來(lái)很多新的研究領(lǐng)域和進(jìn)展, 三維建模技術(shù)以及三維醫(yī)學(xué)模型也開(kāi)始應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)重建上, 其中包括人體和解剖臟器的模型。
迄今為止，在呼吸道三維重建這一領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外已有不少研究人員從事有關(guān)這方面的模型研究。有很多研究運(yùn)用不同的方法獲得人體呼吸道的三維模型,Cheng 等用硅膠樹(shù)脂材料，按照某志愿者的呼吸道尺寸建立了一個(gè)上呼吸道三維模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；Gragic 等用計(jì)算機(jī)X 射線斷層攝影技術(shù)(computed tomography scans, CT)對(duì)人體呼吸道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并觀察了活體正常的呼吸狀況，建立了另外一種呼吸道三維幾何模型；Tawhai 等根據(jù)多層螺旋X 射線斷層成像（Multi-Detector-Row Computed Tomography，簡(jiǎn)稱MDCT）技術(shù)采集的人體呼吸道數(shù)據(jù)，重建了人體下呼吸道三維模型；但是在建立下呼吸道氣管、支氣管的幾何模型上應(yīng)用最廣泛的是Weibel 提出的模型A。本文打算探索一種有利于人體下呼吸道呼吸生物力學(xué)有限元數(shù)值模型研究的重建方法。利用中國(guó)數(shù)字人體斷層切片的部分?jǐn)?shù)據(jù)集, 對(duì)于人體下呼吸道的三維重建做出積極的探索, 也為將來(lái)進(jìn)行其他組織、器官的三維重建做出積極的探索。
2 材料與方法人體下呼吸道三維重建的原始數(shù)據(jù)資料來(lái)自第三軍醫(yī)大學(xué)可視化人體研究實(shí)驗(yàn)室所采集的可視化人體（CHV）中呼吸道氣管、支氣管部分?jǐn)?shù)據(jù)集，以數(shù)據(jù)集中包括從咽喉到肺部切片范圍的斷層數(shù)據(jù)作為重建的數(shù)據(jù)來(lái)源，利用二維圖像處理軟件Adobe Photoshop 和醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics（Mimics 是Materialise 公司的交互式的醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)，即為Materiaise’s interactive medical image control system）來(lái)進(jìn)行模型重建。
2.1 材料本研究所處理的原始數(shù)據(jù)來(lái)自35 歲正常男性標(biāo)本的人體斷層切片數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集的分辨率為0.167mm×0.167mm，層間距為0.5mm，共有264 張斷面切片圖像，單張圖像大小為1653×1327 像素，采用24 位彩色深度。
2.2 方法2.2.1 下呼吸道氣管、支氣管的分割將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入Adobe Photoshop 中，根據(jù)呼吸系統(tǒng)的解剖學(xué)知識(shí)，將每張斷面圖中屬于下呼吸道氣管、支氣管的組織劃分出來(lái)。為保證圖像劃分的客觀性與準(zhǔn)確性，在分割前采用印刷行業(yè)的屏幕顏色校準(zhǔn)方法進(jìn)行顏色標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，避免顯示設(shè)備差異帶來(lái)的分割誤差。
最后進(jìn)行色彩模式轉(zhuǎn)化，將劃分好以后的斷面切片圖像的RGBA 色彩模式色彩模式轉(zhuǎn)化為灰度圖，并保存。
2.2.1 建立人體下呼吸道三維模型把所有處理好的圖像資料以文件集形式導(dǎo)入醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Materialise 公司的 Mimics軟件中，為導(dǎo)入圖像資料之后，分別顯示的下呼吸道氣管3 個(gè)正交斷面的二維數(shù)據(jù)序列，分別是冠狀圖、矢狀圖、橫斷圖。
將圖像資料導(dǎo)入Mimics 軟件便生成呼吸道氣管、支氣管的原始蒙罩圖像，接著運(yùn)用閾值選取技術(shù)、三維區(qū)域增長(zhǎng)技術(shù)獲得新蒙罩（以綠色顯示）。在三維實(shí)體（3D Object）菜單欄中導(dǎo)入新生成的蒙罩并加以運(yùn)算，隨后在三維區(qū)域增長(zhǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上將所選取的閾值范圍內(nèi)的相鄰像素連接而重組成圖像，就得到了人體下呼吸道三維模型。其中在The Calculate3D 界面為了修補(bǔ)圖像，選取更適用于醫(yī)學(xué)圖像處理的輪廓內(nèi)插法，通過(guò)減少矩陣、表面光滑、邊減少、三角形的減少等方式以提高生成三維實(shí)體模型的質(zhì)量。
3 結(jié)果利用中國(guó)數(shù)字人人體斷層切片數(shù)據(jù)得到了下呼吸道的三維模型，真實(shí)地再現(xiàn)了下呼吸道氣管、支氣管的解剖形態(tài)，建立的人體下呼吸道三維實(shí)體模型形態(tài)逼真，可移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)、放大或縮小、平面切割等多種方式顯示，任意角度觀察。人體下呼吸道三維模型的正面、側(cè)面和俯視等方位的形態(tài)。
4 討論利用人體斷層切片數(shù)據(jù)集，通過(guò)醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics 重新建立的真實(shí)的人體下呼吸道三維模型，較其他方法得到的模型更能夠真實(shí)的反應(yīng)出人體下呼吸道的形態(tài)，尤其能夠反映出氣道的厚度，這是用其他方法得到的下呼吸道三維模型重建不能夠反映出來(lái)的。運(yùn)用這種方法獲得的人體下呼吸道的三維模型可從任意角度對(duì)模型進(jìn)行整體或者局部的三維顯示，模型可以進(jìn)行任意分割、復(fù)制和存儲(chǔ)。利用醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics 建立三維模型進(jìn)行編輯后可以輸出多種三維模型格式，如CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))、FEA（有限元分析）、RP（快速成型）格式，可以再計(jì)算機(jī)上進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理，這樣就方便了利用其他分析軟件賦予人體的物理特性，模擬人的呼吸狀況和對(duì)人體下呼吸道進(jìn)行力學(xué)分析，從而把人體下呼吸道模型從一個(gè)解剖模型轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋�(gè)物理模型。Mimics 的功能模塊以及模塊之間的關(guān)系所示。
雖然運(yùn)用這種方法獲得的人體下呼吸道的三維模型與其他方法得到的模型相比有許多優(yōu)點(diǎn)，但它也有很多不足之處。由于人體呼吸道解剖結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜而且精細(xì)，根據(jù)呼吸系統(tǒng)解剖學(xué)知識(shí)對(duì)人體切片數(shù)據(jù)進(jìn)行人工手動(dòng)分割，存在一定視覺(jué)誤差，從而導(dǎo)致呼吸道管壁的厚度不是十分精確。真實(shí)的人體下呼吸道氣管、支氣管中是存在軟骨環(huán)的，由于圖像處理技術(shù)有限，這些軟骨環(huán)在三維重建后的模型中沒(méi)有能夠體現(xiàn)出來(lái)。
5 結(jié)論三維重建可視化技術(shù)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中一個(gè)重要的研究領(lǐng)域；與二維圖像相比，三維圖像能夠直觀、整體地顯示醫(yī)學(xué)圖像信息，醫(yī)生能借助它更好地對(duì)病變進(jìn)行空間定位。因此，醫(yī)學(xué)圖像的三維重建越來(lái)越得到重視。三維重建在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越廣泛，針對(duì)不同的圖像數(shù)據(jù)來(lái)源也有著不同的三維重建思路和方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，開(kāi)發(fā)的專門(mén)針對(duì)醫(yī)學(xué)的三維重建軟件也越來(lái)越多，并且在醫(yī)學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。常用的有Mimics,3D-doctor,Amira 等等，可以導(dǎo)入的原始數(shù)據(jù)資料包括斷層切片圖、影像數(shù)據(jù)（Dicom）、三維掃描數(shù)據(jù)等等，只要原始數(shù)據(jù)資料合理，就有可能找到合適的醫(yī)學(xué)三維重建軟件來(lái)進(jìn)行三維重建。
三維重建軟件的發(fā)展同時(shí)也促進(jìn)了生物力學(xué)研究領(lǐng)域的創(chuàng)新和進(jìn)步。生物力學(xué)分析首先要解決模型問(wèn)題，而現(xiàn)在的三維重建軟件都增加了很多與有限元分析軟件的數(shù)據(jù)接口，這就大大簡(jiǎn)化了模型的轉(zhuǎn)化工作，也極大提高了模型精度和計(jì)算精度。
本模型是通過(guò)應(yīng)用軟件根據(jù)中國(guó)數(shù)字人人體斷層切片數(shù)據(jù)，建立了真實(shí)人體下呼吸道的三維模型，其基本的技術(shù)平臺(tái)和方法完全適用于其他組織器官的三維重建，為今后人體多組織多器官的三維重建做出了探索。
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