基于CT數據的人體下呼吸道模型三維重建*

孟 璐,王若飛,翁瑩瑩,周 奇,沈浩翔,張辰陽,王 芳,張玉東,吳仁愿△

(1.徐州醫科大學醫學影像學院，江蘇 徐州 221004；2.徐州醫科大學第一臨床醫學院，江蘇 徐州 221004；3.中國礦業大學安全工程學院，江蘇 徐州 221116；4.徐州醫科大學附屬醫院，江蘇 徐州 221002)

霧霾顆粒和職業性粉塵都會引發多種急、慢性呼吸道疾病，如哮喘[1]、支氣管炎、慢性阻塞性肺疾病(COPD)[2]，甚至是塵肺、肺癌等。流行病學研究顯示，大氣中霧霾顆粒物濃度的增高會增加心血管疾病及呼吸系統疾病的風險和嚴重程度[3]。一般而言，顆粒物粒徑的尺寸與該顆粒物能夠到達的人體位置有極大關系，因此顆粒物的直徑與人體健康緊密相關。粗顆粒物(PM 10)主要沉積在咽、喉等器官，這一區域屬于上呼吸道。這部分顆粒物能夠隨噴嚏或痰液排出人體，顆粒物也可隨著呼吸作用進入人體下呼吸道，部分直徑較大的顆粒物會因湍流作用與氣道壁碰撞，沉積、黏附在氣道壁表面的黏液中，隨噴嚏或痰液排出人體。細顆粒物(PM 1.5)則可以進入下呼吸道、肺的深部，超細顆粒物(PM 0.1)甚至可以穿過肺泡進入循環系統及神經系統[4]，引起心血管系統[5]與神經系統的相關疾病。大樣本的回顧性研究分析提示，大氣中PM2.5的升高與人群高血壓、糖尿病及脂質代謝紊亂等疾病發病率上升也有一定的相關性[6]。因此，顆粒物在下呼吸道的沉積對于研究顆粒物致病的意義十分重要。

隨著計算機輔助技術的發展，數值模擬技術在醫學中的應用越來越廣泛。在研究人體骨骼運動及受力時，研究者常建立三維有限元模型進行受力分析；特別是磁共振血管造影(MRA)、CT血管成像(CTA)等能夠清晰顯示病變血管位置及程度的醫學影像技術出現，在研究動脈粥樣硬化、冠狀動脈血管病變、布加綜合征等血液相關疾病時，常借助計算流體力學方法來研究血流動力學改變對疾病的發生、發展所產生的影響。數值模擬已經成為一種研究人體呼吸道流體力學的重要方法。然而，對上呼吸道或下呼吸道進行三維重建的方法均不相同，有些研究的方法描述也不夠詳細。本文利用采集的下呼吸道CT圖像信息，在Mimics和Geomagic計算機軟件中生成呼吸道的可視化三維模型，可以為顆粒物在下呼吸道沉積的數值計算、吸入性藥物的研究及肺部或支氣管疾病的癥狀分析提供數值模型。

1 資料與方法

1.1一般資料 在徐州醫科大學附屬醫院體檢中心的胸部CT資料中，選取一位有代表性的健康成年男性(32歲)作為志愿者。該志愿者解剖結構正常，無呼吸道疾病，CT資料顯示呼吸道無明顯異常。

1.2儀器 Mimics 16.0軟件(Materialise 公司，比利時)，Geomagic軟件(Geomagic公司，美國)。

1.3方法

1.3.1下呼吸道模型在Mimics軟件中的構建過程

1.3.1.1導入CT圖像 將采集得到的健康成年男性志愿者的肺部CT圖像(DICOM格式)用導入圖像功能導入Mimics 16.0軟件中，根據原始圖像自身確定6個方向，該軟件可以自動分析計算并生成出會在3個視圖下顯示的冠狀面與矢狀面圖像。

1.3.1.2提取輪廓與圖像處理 進入操作步驟，利用閾值工具進行輪廓提取，選擇適當閾值預提取設定，獲得初提取的蒙版,可以在保留所需部分區域的同時盡量地減少重建組織以外的結構。利用蒙版編輯工具和填充工具對每一層圖像仔細地進行編輯與處理，去除其他組織并且保留氣管、支氣管及支氣管主要大分支，用空洞填充技術將這些氣管填充，得到處理后的蒙版。對已得到處理后的蒙版使用區域生長工具來熱區選擇，可得到更加接近真實的圖像。

1.3.1.3生成3D模型 對圖像處理過的最終蒙版使用創建3D模型功能，將處理好的2D圖像直接轉化成所需要的3D模型，之后再將該模型用立體光刻(STL)格式導出并保存，即可獲得初步的可視化三維模型。

1.3.2下呼吸道模型在Geomagic軟件中的構建過程

1.3.2.1呼吸系統模型點階段 導入上述STL文件，將模型調至適合的視窗，利用轉換工具將模型轉換為點，此時模型進入點階段。經過著色、斷開組件連接、選擇體外孤點、手動刪除等步驟，去除模型的多余雜點。用減少噪音、統一采樣方法對模型進行處理，刪除重疊點云、稀釋點云來減低當前點云的數量。進行一鍵封裝，將所有的點轉化為三角面，使模型進入多邊形階段。

1.3.2.2呼吸系統模型多邊形階段 在多邊形工具欄中使用填充孔、去除特征、雕刻、編輯與裁剪平面、刪除釘狀物、網格醫生等工具，在保持主要結構的基礎上，將模型中不規則部分處理掉。再利用松弛多邊形、簡化多邊形、增強表面嚙合等功能，使模型變得更加光滑并增強邊界區域和高曲率區域。

1.3.2.3呼吸系統模型曲面階段 利用構造參數化曲面的相關工具將模型轉化為參數化曲面模型，進行區域檢測，使用編輯輪廓線的功能來抽取和編輯所得輪廓線，或根據需要采用手動繪制輪廓線。使用區域分類、擬合曲面、編輯剖面、擬合連接、修復曲面、修剪縫合等功能完成曲面構造與曲面的編輯與修復，以及各個面的連接與縫合，最終得到下呼吸道的三維模型。

2 結 果

2.1下呼吸道模型在Mimics軟件中構建的結果 對所選取的CT資料在Mimics軟件中進行提取輪廓、呼吸道填充后，得到的初步可視化三維模型，如圖1所示。利用DICOM數據直接在模塊中快速重建下呼吸道的三維模型，充分利用圖像信息，仿真度較高。

圖1 初步可視化三維模型

2.2下呼吸道模型在Geomagic軟件中構建的結果 將Mimics軟件中得到的三維模型導入Geomagic軟件，在點階段、多邊形階段和曲面階段的處理分別如圖2～4所示，最終得到下呼吸道的三維實體模型如圖5所示。從圖中可以看出，上一階段的模型經過處理后，多余的點和錯誤的點減少，圖像噪聲也明顯降低，圖片質量較好，所建模型與人體的下呼吸道解剖形態高度相似。

圖2 點階段

圖3 多邊形階段

圖4 編輯輪廓線

圖5 下呼吸道的三維實體模型

3 討 論

顆粒物絕大部分經呼吸道進入人體，而針對顆粒物在呼吸道內運動和沉降的研究方法主要有實驗法和數值模擬法。實驗法雖然可以為研究提供很多依據，但成本高，實驗條件限制較多。由于實驗法成本高且可重復性差，所以并不適合廣泛應用。數值模擬法是一種采用計算機模擬研究的方法，受到越來越多研究者的重視與認可。國外學者在研究小兒呼吸道中吸入的藥物氣流模式和顆粒沉積時，在CT檢查資料的基礎上重建了小兒的呼吸道模型[7]。DONG等[8]利用由Kitaoka開發的參數控制近似氣道模型(KG模型)和基于CT資料的真實氣道模型(真實模型)2種呼吸道模型，采用計算流體力學(CFD)方法研究了氣管支氣管樹上部空氣顆粒流，并對這2種氣道模型中的氣流模式和顆粒輸運/沉積進行了評價和比較，發現真實模型能夠顯示更復雜的氣流模式。在以往的臨床研究中，構建的上呼吸道三維幾何模型[9-10]，多用于評價阻塞性呼吸暫停低通氣綜合征的手術效果[10]和兒童腺樣體肥大的疾病狀況[11]。在下呼吸道的氣管和支氣管異物檢查中，利用胸部CT資料在工作站中進行氣道三維重建得到的立體模型，能夠準確地檢測出異物的位置、大小和形狀，這在兒科急診工作中具有重要的診斷價值[12]。在建模方法上，有的研究者使用Amira軟件和Gambit軟件[10]、Mimics軟件和ANSYS軟件[9]等。

本研究在建立下呼吸道三維模型過程中，主要應用Mimics和Geomagic兩個軟件。Mimics軟件能夠在系統之間實現交互功能，該軟件在骨科、心血管等研究領域中應用非常廣泛[13]。而Geomagic軟件是一個關于3D Systems的專向工程軟件，能夠將多邊形網格轉變成精密準確的曲面化3D數字化模型。在建模過程中，運用Mimics軟件可以自動識別DICOM 格式的CT 圖像，不僅快速逆向重建下呼吸道的三維模型，還能減少圖像的信息丟失。該軟件界面友好，能夠快速分割和精準的三維計算，操作簡潔方便。在點階段，運用Geomagic軟件能夠減少模型中存在的多余的點和錯誤的點；通過智能取樣程序還可以有效地整理點數據和降低圖像噪聲，從而獲得一個較高圖像質量的多邊形對象[14]。在多邊形階段中，在保持模型形狀不變和完整性的基礎上使用相關功能刪除多余三角形、進行孔的填充和邊界的修補來調整三角面；在保持主體曲面結構不變的基礎上，簡化曲面并適當合理地刪減多邊形數目。在曲面階段，利用模型的曲率變化規律來產生相應的輪廓線，再對輪廓線進行編輯、延伸，可以對各個曲面進行連接與擬合，進而得到高質量的CAD曲面。2個軟件的這些優點對于成功構建模型非常關鍵。

通過上述方法重建的下呼吸道主要部分模型，較真實地反映出氣管和支氣管的解剖結構，精確度高，仿真性好，可用于后期的肺部或支氣管疾病的癥狀分析、氣道流場改變、顆粒物沉積[15]，以及吸入式用藥時藥物顆粒進入呼吸道后的靶向區域和藥物劑量的數值計算。