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呼吸道三維模型的建立及其應用
人體斷層切片數據集1 引言呼吸系統是人體直接與外界接觸最密切的內臟器官。人體通過呼吸系統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與大氣之間進行氣體交換的通道，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、調節空氣溫度和濕度的作用。
近十幾年來計算機技術的發展給生物醫學帶來很多新的研究領域和進展, 三維建模技術以及三維醫學模型也開始應用于生物醫學重建上, 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域，國內外已有不少研究人員從事有關這方面的模型研究。有很多研究運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，并進行了實驗研究；Gragic 等用計算機X 射線斷層攝影技術(computed tomography scans, CT)對人體呼吸道進行數據采集，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 等根據多層螺旋X 射線斷層成像（Multi-Detector-Row Computed Tomography，簡稱MDCT）技術采集的人體呼吸道數據，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有限元數值模型研究的重建方法。利用中國數字人體斷層切片的部分數據集, 對于人體下呼吸道的三維重建做出積極的探索, 也為將來進行其他組織、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據資料來自第三軍醫大學可視化人體研究實驗室所采集的可視化人體（CHV）中呼吸道氣管、支氣管部分數據集，以數據集中包括從咽喉到肺部切片范圍的斷層數據作為重建的數據來源，利用二維圖像處理軟件Adobe Photoshop 和醫學圖像處理軟件Mimics（Mimics 是Materialise 公司的交互式的醫學影像控制系統，即為Materiaise’s interactive medical image control system）來進行模型重建。
2.1 材料本研究所處理的原始數據來自35 歲正常男性標本的人體斷層切片數據集，該數據集的分辨率為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據轉入Adobe Photoshop 中，根據呼吸系統的解剖學知識，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確性，在分割前采用印刷行業的屏幕顏色校準方法進行顏色標準統一，避免顯示設備差異帶來的分割誤差。
最后進行色彩模式轉化，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入醫學圖像處理軟件Materialise 公司的 Mimics軟件中，為導入圖像資料之后，分別顯示的下呼吸道氣管3 個正交斷面的二維數據序列，分別是冠狀圖、矢狀圖、橫斷圖。
將圖像資料導入Mimics 軟件便生成呼吸道氣管、支氣管的原始蒙罩圖像，接著運用閾值選取技術、三維區域增長技術獲得新蒙罩（以綠色顯示）。在三維實體（3D Object）菜單欄中導入新生成的蒙罩并加以運算，隨后在三維區域增長技術的基礎上將所選取的閾值范圍內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 界面為了修補圖像，選取更適用于醫學圖像處理的輪廓內插法，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體模型的質量。
3 結果利用中國數字人人體斷層切片數據得到了下呼吸道的三維模型，真實地再現了下呼吸道氣管、支氣管的解剖形態，建立的人體下呼吸道三維實體模型形態逼真，可移動或旋轉、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、側面和俯視等方位的形態。
4 討論利用人體斷層切片數據集，通過醫學圖像處理軟件Mimics 重新建立的真實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的反應出人體下呼吸道的形態，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行整體或者局部的三維顯示，模型可以進行任意分割、復制和存儲。利用醫學圖像處理軟件Mimics 建立三維模型進行編輯后可以輸出多種三維模型格式，如CAD(計算機輔助設計)、FEA（有限元分析）、RP（快速成型）格式，可以再計算機上進行大規模數據的轉換處理，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行力學分析，從而把人體下呼吸道模型從一個解剖模型轉變為一個物理模型。Mimics 的功能模塊以及模塊之間的關系所示。
雖然運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點，但它也有很多不足之處。由于人體呼吸道解剖結構比較復雜而且精細，根據呼吸系統解剖學知識對人體切片數據進行人工手動分割，存在一定視覺誤差，從而導致呼吸道管壁的厚度不是十分精確。真實的人體下呼吸道氣管、支氣管中是存在軟骨環的，由于圖像處理技術有限，這些軟骨環在三維重建后的模型中沒有能夠體現出來。
5 結論三維重建可視化技術是計算機輔助設計與計算機圖形學中一個重要的研究領域；與二維圖像相比，三維圖像能夠直觀、整體地顯示醫學圖像信息，醫生能借助它更好地對病變進行空間定位。因此，醫學圖像的三維重建越來越得到重視。三維重建在醫學領域的應用已經越來越廣泛，針對不同的圖像數據來源也有著不同的三維重建思路和方法。隨著計算機技術的快速發展，開發的專門針對醫學的三維重建軟件也越來越多，并且在醫學的多個領域都得到了廣泛的應用。常用的有Mimics,3D-doctor,Amira 等等，可以導入的原始數據資料包括斷層切片圖、影像數據（Dicom）、三維掃描數據等等，只要原始數據資料合理，就有可能找到合適的醫學三維重建軟件來進行三維重建。
三維重建軟件的發展同時也促進了生物力學研究領域的創新和進步。生物力學分析首先要解決模型問題，而現在的三維重建軟件都增加了很多與有限元分析軟件的數據接口，這就大大簡化了模型的轉化工作，也極大提高了模型精度和計算精度。
本模型是通過應用軟件根據中國數字人人體斷層切片數據，建立了真實人體下呼吸道的三維模型，其基本的技術平臺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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