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呼吸道三维模型的建立及其应用

2014-05-04 01:08

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。
　　2.1 材料本研究所处理的原始数据来自35 岁正常男性标本的人体断层切片数据集，该数据集的分辨率为0.167mm×0.167mm，层间距为0.5mm，共有264 张断面切片图像，单张图像大小为1653×1327 像素，采用24 位彩色深度。
　　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