呼吸道三維模型的建立及其應(yīng)用

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1、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。人體通過呼吸系統(tǒng)從外界空氣中攝取氧氣，同時排出二氧化碳，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、段支氣管及各級分支，直到肺泡，它不僅是空氣通過的管道，而且具有防御、清除異物、調(diào)節(jié)空氣溫度和濕度的作用?！　〗畮啄陙碛嬎銠C(jī)技術(shù)的發(fā)展給生物醫(yī)學(xué)帶來很多新的研究領(lǐng)域和進(jìn)展,三維建模技術(shù)以及三維醫(yī)學(xué)模型也開始應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)

2、重建上,其中包括人體和解剖臟器的模型?！　∑駷橹?，在呼吸道三維重建這一領(lǐng)域，國內(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等用硅膠樹脂材料，按照某志愿者的呼吸道尺寸建立了一個上呼吸道三維模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；Gragic等用計算機(jī)X射線斷層攝影技術(shù)(putedtomographyscans,CT)對人體呼吸道進(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；Taography，簡稱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

3、呼吸道氣管、支氣管的幾何模型上應(yīng)用最廣泛的是imics（Mimics是Materialise公司的交互式的醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)，即為Materiaisesinteractivemedicalimagecontrolsystem）來進(jìn)行模型重建?！　?.1材料本研究所處理的原始數(shù)據(jù)來自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0.167mm0.167mm，層間距為0.5mm，共有264張斷面切片圖像，單張圖像大小為16531327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AdobePhot

4、oshop中，根據(jù)呼吸系統(tǒng)的解剖學(xué)知識，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。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)備差異帶來的分割誤差?！　∽詈筮M(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?！　?.2.1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

5、?！　D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)域增長技術(shù)獲得新蒙罩（以綠色顯示）。在三維實(shí)體（3DObject）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TheCalculate3D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

6、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)?！　?討論利用人體斷層切片數(shù)據(jù)集，通過醫(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、

7、復(fù)制和存儲。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(計算機(jī)輔助設(shè)計)、FEA（有限元分析）、RP（快速成型）格式，可以再計算機(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解剖模型轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€物理模型。Mimics的功能模塊以及模塊之間的關(guān)系所示?！　‰m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

8、吸系統(tǒng)解剖學(xué)知識對人體切片數(shù)據(jù)進(jìn)行人工手動分割，存在一定視覺誤差，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