呼吸道三维模型的建立及其应用

人体断层切片数据集1 引言呼吸系统是人体直接与外界接触最密切的内脏器官。人体通过呼吸系统从外界空气中摄取氧气，同时排出二氧化碳，维持人体基本代谢平衡，呼吸系统在人体的正常生命活动中起着非常重要的作用。呼吸道是人体呼吸系统与大气之间进行气体交换的通道，包括上呼吸道和下呼吸道。下呼吸道包括气管、总支气管、叶、段支气管及各级分支，直到肺泡，它不仅是空气通过的管道，而且具有防御、清除异物、调节空气温度和湿度的作用。

近十几年来计算机技术的发展给生物医学带来很多新的研究领域和进展, 三维建模技术以及三维医学模型也开始应用于生物医学重建上, 其中包括人体和解剖脏器的模型。

迄今为止，在呼吸道三维重建这一领域，国内外已有不少研究人员从事有关这方面的模型研究。有很多研究运用不同的方法获得人体呼吸道的三维模型,Cheng 等用硅胶树脂材料，按照某志愿者的呼吸道尺寸建立了一个上呼吸道三维模型，并进行了实验研究；Gragic 等用计算机X 射线断层摄影技术(computed tomography scans, CT)对人体呼吸道进行数据采集，并观察了活体正常的呼吸状况，建立了另外一种呼吸道三维几何模型；Tawhai 等根据多层螺旋X 射线断层成像（Multi-Detector-Row Computed Tomography，简称MDCT）技术采集的人体呼吸道数据，重建了人体下呼吸道三维模型；但是在建立下呼吸道气管、支气管的几何模型上应用最广泛的是Weibel 提出的模型A。本文打算探索一种有利于人体下呼吸道呼吸生物力学有限元数值模型研究的重建方法。利用中国数字人体断层切片的部分数据集, 对于人体下呼吸道的三维重建做出积极的探索, 也为将来进行其他组织、器官的三维重建做出积极的探索。

2 材料与方法人体下呼吸道三维重建的原始数据资料来自第三军医大学可视化人体研究实验室所采集的可视化人体（CHV）中呼吸道气管、支气管部分数据集，以数据集中包括从咽喉到肺部切片范围的断层数据作为重建的数据来源，利用二维图像处理软件Adobe Photoshop 和医学图像处理软件Mimics（Mimics 是Materialise 公司的交互式的医学影像控制系统，即为Materiaise’s interactive medical image control system）来进行模型重建。 2.2 方法2.2.1 下呼吸道气管、支气管的分割将原始数据转入Adobe Photoshop 中，根据呼吸系统的解剖学知识，将每张断面图中属于下呼吸道气管、支气管的组织划分出来。为保证图像划分的客观性与准确性，在分割前采用印刷行业的屏幕颜色校准方法进行颜色标准统一，避免显示设备差异带来的分割误差。

最后进行色彩模式转化，将划分好以后的断面切片图像的RGBA 色彩模式色彩模式转化为灰度图，并保存。

2.2.1 建立人体下呼吸道三维模型把所有处理好的图像资料以文件集形式导入医学图像处理软件Materialise 公司的 Mimics软件中，为导入图像资料之后，分别显示的下呼吸道气管3 个正交断面的二维数据序列，分别是冠状图、矢状图、横断图。

将图像资料导入Mimics 软件便生成呼吸道气管、支气管的原始蒙罩图像，接着运用阈值选取技术、三维区域增长技术获得新蒙罩（以绿色显示）。在三维实体（3D Object）菜单栏中导入新生成的蒙罩并加以运算，随后在三维区域增长技术的基础上将所选取的阈值范围内的相邻像素连接而重组成图像，就得到了人体下呼吸道三维模型。其中在The Calculate3D 界面为了修补图像，选取更适用于医学图像处理的轮廓内插法，通过减少矩阵、表面光滑、边减少、三角形的减少等方式以提高生成三维实体模型的质量。

3 结果利用中国数字人人体断层切片数据得到了下呼吸道的三维模型，真实地再现了下呼吸道气管、支气管的解剖形态，建立的人体下呼吸道三维实体模型形态逼真，可移动或旋转、放大或缩小、平面切割等多种方式显示，任意角度观察。人体下呼吸道三维模型的正面、侧面和俯视等方位的形态。

4 讨论利用人体断层切片数据集，通过医学图像处理软件Mimics 重新建立的真实的人体下呼吸道三维模型，较其他方法得到的模型更能够真实的反应出人体下呼吸道的形态，尤其能够反映出气道的厚度，这是用其他方法得到的下呼吸道三维模型重建不能够反映出来的。运用这种方法获得的人体下呼吸道的三维模型可从任意角度对模型进行整体或者局部的三维显示，模型可以进行任意分割、复制和存储。利用医学图像处理软件Mimics 建立三维模型进行编辑后可以输出多种三维模型格式，如CAD(计算机辅助设计)、FEA（有限元分析）、RP（快速成型）格式，可以再计算机上进行大规模数据的转换处理，这样就方便了利用其他分析软件赋予人体的物理特性，模拟人的呼吸状况和对人体下呼吸道进行力学分析，从而把人体下呼吸道模型从一个解剖模型转变为一个物理模型。Mimics 的功能模块以及模块之间的关系所示。

虽然运用这种方法获得的人体下呼吸道的三维模型与其他方法得到的模型相比有许多优点，但它也有很多不足之处。由于人体呼吸道解剖结构比较复杂而且精细，根据呼吸系统解剖学知识对人体切片数据进行人工手动分割，存在一定视觉误差，从而导致呼吸道管壁的厚度不是十分精确。真实的人体下呼吸道气管、支气管中是存在软骨环的，由于图像处理技术有限，这些软骨环在三维重建后的模型中没有能够体现出来。

5 结论三维重建可视化技术是计算机辅助设计与计算机图形学中一个重要的研究领域；与二维图像相比，三维图像能够直观、整体地显示医学图像信息，医生能借助它更好地对病变进行空间定位。因此，医学图像的三维重建越来越得到重视。三维重建在医学领域的应用已经越来越广泛，针对不同的图像数据来源也有着不同的三维重建思路和方法。随着计算机技术的快速发展，开发的专门针对医学的三维重建软件也越来越多，并且在医学的多个领域都得到了广泛的应用。常用的有Mimics,3D-doctor,Amira 等等，可以导入的原始数据资料包括断层切片图、影像数据（Dicom）、三维扫描数据等等，只要原始数据资料合理，就有可能找到合适的医学三维重建软件来进行三维重建。

三维重建软件的发展同时也促进了生物力学研究领域的创新和进步。生物力学分析首先要解决模型问题，而现在的三维重建软件都增加了很多与有限元分析软件的数据接口，这就大大简化了模型的转化工作，也极大提高了模型精度和计算精度。

本模型是通过应用软件根据中国数字人人体断层切片数据，建立了真实人体下呼吸道的三维模型，其基本的技术平台和方法完全适用于其他组织器官的三维重建，为今后人体多组织多器官的三维重建做出了探索。