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(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，江蘇 徐州 221004；2.徐州醫(yī)科大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，江蘇 徐州 221004；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；4.徐州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院，江蘇 徐州 221002)

霧霾顆粒和職業(yè)性粉塵都會(huì)引發(fā)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(xué)研究顯示，大氣中霧霾顆粒物濃度的增高會(huì)增加心血管疾病及呼吸系統(tǒng)疾病的風(fēng)險(xiǎn)和嚴(yán)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(dá)的人體位置有極大關(guān)系，因此顆粒物的直徑與人體健康緊密相關(guān)。粗顆粒物(PM 10)主要沉積在咽、喉等器官，這一區(qū)域?qū)儆谏虾粑馈＿@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(jìn)入人體下呼吸道，部分直徑較大的顆粒物會(huì)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(xì)顆粒物(PM 1.5)則可以進(jìn)入下呼吸道、肺的深部，超細(xì)顆粒物(PM 0.1)甚至可以穿過肺泡進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)及神經(jīng)系統(tǒng)[4]，引起心血管系統(tǒng)[5]與神經(jīng)系統(tǒng)的相關(guān)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(zhì)代謝紊亂等疾病發(fā)病率上升也有一定的相關(guān)性[6]。因此，顆粒物在下呼吸道的沉積對(duì)于研究顆粒物致病的意義十分重要。

隨著計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛。在研究人體骨骼運(yùn)動(dòng)及受力時(shí)，研究者常建立三維有限元模型進(jìn)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(yī)學(xué)影像技術(shù)出現(xiàn)，在研究動(dòng)脈粥樣硬化、冠狀動(dòng)脈血管病變、布加綜合征等血液相關(guān)疾病時(shí)，常借助計(jì)算流體力學(xué)方法來研究血流動(dòng)力學(xué)改變對(duì)疾病的發(fā)生、發(fā)展所產(chǎn)生的影響。數(shù)值模擬已經(jīng)成為一種研究人體呼吸道流體力學(xué)的重要方法。然而，對(duì)上呼吸道或下呼吸道進(jìn)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(xì)。本文利用采集的下呼吸道CT圖像信息，在Mimics和Geomagic計(jì)算機(jī)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(shù)值計(jì)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(shù)值模型。

1 資料與方法

1.1一般資料 在徐州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)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(jié)構(gòu)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(shí))，Geomagic軟件(Geomagic公司，美國(guó))。

1.3方法

1.3.1下呼吸道模型在Mimics軟件中的構(gòu)建過程

1.3.1.1導(dǎo)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(dǎo)入圖像功能導(dǎo)入Mimics 16.0軟件中，根據(jù)原始圖像自身確定6個(gè)方向，該軟件可以自動(dòng)分析計(jì)算并生成出會(huì)在3個(gè)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(jìn)入操作步驟，利用閾值工具進(jìn)行輪廓提取，選擇適當(dāng)閾值預(yù)提取設(shè)定，獲得初提取的蒙版,可以在保留所需部分區(qū)域的同時(shí)盡量地減少重建組織以外的結(jié)構(gòu)。利用蒙版編輯工具和填充工具對(duì)每一層圖像仔細(xì)地進(jìn)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(shù)將這些氣管填充，得到處理后的蒙版。對(duì)已得到處理后的蒙版使用區(qū)域生長(zhǎng)工具來熱區(qū)選擇，可得到更加接近真實(shí)的圖像。

1.3.1.3生成3D模型 對(duì)圖像處理過的最終蒙版使用創(chuàng)建3D模型功能，將處理好的2D圖像直接轉(zhuǎn)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(dǎo)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(gòu)建過程

1.3.2.1呼吸系統(tǒng)模型點(diǎn)階段 導(dǎo)入上述STL文件，將模型調(diào)至適合的視窗，利用轉(zhuǎn)換工具將模型轉(zhuǎn)換為點(diǎn)，此時(shí)模型進(jìn)入點(diǎn)階段。經(jīng)過著色、斷開組件連接、選擇體外孤點(diǎn)、手動(dòng)刪除等步驟，去除模型的多余雜點(diǎn)。用減少噪音、統(tǒng)一采樣方法對(duì)模型進(jìn)行處理，刪除重疊點(diǎn)云、稀釋點(diǎn)云來減低當(dāng)前點(diǎn)云的數(shù)量。進(jìn)行一鍵封裝，將所有的點(diǎn)轉(zhuǎn)化為三角面，使模型進(jìn)入多邊形階段。

1.3.2.2呼吸系統(tǒng)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(wǎng)格醫(yī)生等工具，在保持主要結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將模型中不規(guī)則部分處理掉。再利用松弛多邊形、簡(jiǎn)化多邊形、增強(qiáng)表面嚙合等功能，使模型變得更加光滑并增強(qiáng)邊界區(qū)域和高曲率區(qū)域。

1.3.2.3呼吸系統(tǒng)模型曲面階段 利用構(gòu)造參數(shù)化曲面的相關(guān)工具將模型轉(zhuǎn)化為參數(shù)化曲面模型，進(jìn)行區(qū)域檢測(cè)，使用編輯輪廓線的功能來抽取和編輯所得輪廓線，或根據(jù)需要采用手動(dòng)繪制輪廓線。使用區(qū)域分類、擬合曲面、編輯剖面、擬合連接、修復(fù)曲面、修剪縫合等功能完成曲面構(gòu)造與曲面的編輯與修復(fù)，以及各個(gè)面的連接與縫合，最終得到下呼吸道的三維模型。

2 結(jié) 果

2.1下呼吸道模型在Mimics軟件中構(gòu)建的結(jié)果 對(duì)所選取的CT資料在Mimics軟件中進(jìn)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(shù)據(jù)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(gòu)建的結(jié)果 將Mimics軟件中得到的三維模型導(dǎo)入Geomagic軟件，在點(diǎn)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(shí)體模型如圖5所示。從圖中可以看出，上一階段的模型經(jīng)過處理后，多余的點(diǎn)和錯(cuò)誤的點(diǎn)減少，圖像噪聲也明顯降低，圖片質(zhì)量較好，所建模型與人體的下呼吸道解剖形態(tài)高度相似。

圖2 點(diǎn)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(shí)體模型

3 討 論

顆粒物絕大部分經(jīng)呼吸道進(jìn)入人體，而針對(duì)顆粒物在呼吸道內(nèi)運(yùn)動(dòng)和沉降的研究方法主要有實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值模擬法。實(shí)驗(yàn)法雖然可以為研究提供很多依據(jù)，但成本高，實(shí)驗(yàn)條件限制較多。由于實(shí)驗(yàn)法成本高且可重復(fù)性差，所以并不適合廣泛應(yīng)用。數(shù)值模擬法是一種采用計(jì)算機(jī)模擬研究的方法，受到越來越多研究者的重視與認(rèn)可。國(guó)外學(xué)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(shí)，在CT檢查資料的基礎(chǔ)上重建了小兒的呼吸道模型[7]。DONG等[8]利用由Kitaoka開發(fā)的參數(shù)控制近似氣道模型(KG模型)和基于CT資料的真實(shí)氣道模型(真實(shí)模型)2種呼吸道模型，采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法研究了氣管支氣管樹上部空氣顆粒流，并對(duì)這2種氣道模型中的氣流模式和顆粒輸運(yùn)/沉積進(jìn)行了評(píng)價(jià)和比較，發(fā)現(xiàn)真實(shí)模型能夠顯示更復(fù)雜的氣流模式。在以往的臨床研究中，構(gòu)建的上呼吸道三維幾何模型[9-10]，多用于評(píng)價(jià)阻塞性呼吸暫停低通氣綜合征的手術(shù)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(jìn)行氣道三維重建得到的立體模型，能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)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(jià)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(yīng)用Mimics和Geomagic兩個(gè)軟件。Mimics軟件能夠在系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)交互功能，該軟件在骨科、心血管等研究領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛[13]。而Geomagic軟件是一個(gè)關(guān)于3D Systems的專向工程軟件，能夠?qū)⒍噙呅尉W(wǎng)格轉(zhuǎn)變成精密準(zhǔn)確的曲面化3D數(shù)字化模型。在建模過程中，運(yùn)用Mimics軟件可以自動(dòng)識(shí)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(zhǔn)的三維計(jì)算，操作簡(jiǎn)潔方便。在點(diǎn)階段，運(yùn)用Geomagic軟件能夠減少模型中存在的多余的點(diǎn)和錯(cuò)誤的點(diǎn)；通過智能取樣程序還可以有效地整理點(diǎn)數(shù)據(jù)和降低圖像噪聲，從而獲得一個(gè)較高圖像質(zhì)量的多邊形對(duì)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(chǔ)上使用相關(guān)功能刪除多余三角形、進(jìn)行孔的填充和邊界的修補(bǔ)來調(diào)整三角面；在保持主體曲面結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化曲面并適當(dāng)合理地刪減多邊形數(shù)目。在曲面階段，利用模型的曲率變化規(guī)律來產(chǎn)生相應(yīng)的輪廓線，再對(duì)輪廓線進(jìn)行編輯、延伸，可以對(duì)各個(gè)曲面進(jìn)行連接與擬合，進(jìn)而得到高質(zhì)量的CAD曲面。2個(gè)軟件的這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)于成功構(gòu)建模型非常關(guān)鍵。

通過上述方法重建的下呼吸道主要部分模型，較真實(shí)地反映出氣管和支氣管的解剖結(jié)構(gòu)，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(chǎng)改變、顆粒物沉積[15]，以及吸入式用藥時(shí)藥物顆粒進(jìn)入呼吸道后的靶向區(qū)域和藥物劑量的數(shù)值計(jì)算。