基于三维重建的上呼吸道-气管树组合模型的建立方法

基于三维重建的上呼吸道
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气管树组合模型的建立方法
技术领域
1.本发明属于呼吸道三维重建技术领域，更具体地，涉及一种基于三维重建的上呼吸道
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气管树组合模型的建立方法。


背景技术：

2.据流行病学和病例学研究表面，大多数肺部疾病与暴露在环境气溶胶污染物的职业和环境有关。吸入药物气雾剂是一种靶向治疗肺部肿瘤和对抗呼吸疾病的现代方法。显然，真实有效地模拟肺气溶胶动力学规律可以为了解毒性颗粒沉积规律和相关肺部疾病治疗提供重要参考。但是受限于目前计算资源的制约，不可能模拟所有23级支气管吸入气溶胶后的瞬态三维流场。因此，人们常常采用满足特定建模要求的简化沉积预测模型，如对称的二分结构的肺模型，单分支和多分支的肺模型。简化的沉积预测模型由于其易于实现和对计算资源的要求低的特点而被人们广泛采用。然而这种基于简单的入口条件和沉积机制半分析相关性的方法，其计算结果并不可靠。另外，这种简单的沉积预测模型难以考虑复杂的物理过程，例如药物蒸发或凝聚，气溶胶雾化呼吸道组织相互作用等。因此，这种方法难以预测药物气雾剂在呼吸道的输送沉积的规律。cfd技术能够精确地预测药物气雾剂在呼吸道的沉积规律，这对于吸入药物气雾剂装置的原理设计是至关重要的，因此构建一个适用于cfd模拟药物沉积的上呼吸道
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气管树组合模型是非常必要的。


技术实现要素：

3.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了基于三维重建的上呼吸道
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气管树组合模型的建立方法，由此解决现有简化沉积预测模型难以预测药物气雾剂在呼吸道的输送沉积的规律的技术问题。
4.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于三维重建的上呼吸道
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气管树组合模型的建立方法，该方法包括以下步骤：
5.步骤1，运用医学影像仪器采集人体的呼吸道影像数据，保存为dicom格式；
6.步骤2，将步骤1中得到的人体呼吸道影像数据导入到mimics软件中识别并保存，生成计算机识别的.mcs文件；
7.步骤3，在mimics软件中确定鼻腔、口腔和喉管的灰度值范围生成mask蒙版，通过edit masks删除多余无关组织，提取出鼻腔、口腔和喉管的三维数字模型，并将其转化为stl格式文件保存；
8.步骤4，在mimics软件中通过airway segement识别气管和支气管模型，并将其转化为stl格式文件保存；
9.步骤5，将所述步骤3和步骤4中生成的鼻腔、口腔和喉管三维数字模型和气管、支气管三维数字模型分别导入geomagic studio软件中进行模型的光滑处理；
10.步骤6，将光滑处理后的鼻腔、口腔和喉管三维数字模型和气管、支气管三维数字模型合并，生成完整的呼吸道模型，通过精确曲面功能生成nurbs曲面模型。
11.优选地，所述步骤1中运用医学影像仪器采集人体的呼吸道影像数据过程中，被采集的人体采取仰卧躺位，并保持口腔半张状态以使气道保持畅通。
12.优选地，所述步骤3中还包括在mimics软件中通过profile line指令画线确定选择提取部位的模板视窗范围，经mimics软件中的再利用区域生长及动态区域生长算法对目标区域进行粗分割。
13.优选地，所述步骤3中还包括在mimics软件中通过measure density inside rectang指令通过方框组织平均数寻则视窗范围，经mimics软件中的再利用区域生长及动态区域生长算法对目标区域进行粗分割。
14.优选地，所述步骤4具体包括点击airway segement功能，同时选择较弱噪声影响，分别在喉管下方及沿气管轴线往下支气管左右分叉处画线，识别出气管和支气管模型，形成stl格式文件。
15.优选地，所述步骤4中在待气管和支气管模型形成之后还需要观察是否有多余的组织模型被识别出来；若有，则再次重新生成气管和支气管模型；若没有，则进入所述步骤5。
16.优选地，所述步骤5中光滑处理包括对鼻腔、口腔和喉管三维数字模型和气管、支气管三维数字模型存在的钉状物和破损的三角面片进行修复和检查，并确认模型是否存在几何问题。
17.优选地，所述步骤6中三维数字模型合并的方法包括将上呼吸道的喉管下方处和支气管的起始处进行拼接，制作完整的呼吸道模型并利用编辑轮廓线
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创建曲平面
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构造栅格
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构建曲面片流程方式创建nurbs曲面模型。
18.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，通过本发明建立方法构建的适用于cfd模拟药物沉积的上呼吸道
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气管树组合模型可用于模拟气溶胶药物在呼吸道内的动力学规律的研究，同时为吸入药物气雾剂装置的原理设计提供了帮助。
附图说明
19.图1是本发明基于三维重建的上呼吸道
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气管树组合模型的建立方法的流程图；
20.图2是使用本发明建立方法建立的鼻腔
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口腔
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喉管模型的侧视图；
21.图3是使用本发明建立方法建立的气管
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支气管模型的正视图；
22.图4是使用本发明建立方法建立的上呼吸道
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气管树组合模型的正视图。
具体实施方式
23.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
24.请参阅图1
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图4，本发明提出一种基于三维重建的上呼吸道
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气管树组合模型的建立方法，该方法包括以下步骤：
25.s1，ct扫描：使人体呈平躺姿位，在ct扫描层厚为0.625mm的条件下对人体进行呼吸道部位扫描，获取医学影像数据，然后使用三维成像工作平台将拍摄的图像筛选出来，形
成dicom文件。
26.具体的，本步骤需要完整高清的呼吸系统扫描数据，准确的扫描图像对数据图像处理是非常重要的步骤，增强ct和mri需要图像保持清晰，减少人体生理活动主要是保持平稳的呼吸运动，减少设备噪声和斑点等干扰因素，呼吸道ct扫描层厚为0.625mm，增强ct扫描对观察部位进行完整全面地成像，以显示清楚的呼吸道部位。在拍摄时需要人体呈平躺位，口腔保持半张状态，平稳呼吸气，舌头处于口腔下方。等状态调整好后进行ct扫描获得影像数据。使用三维建模工作平台对图像进行筛选，形成dicom文件。
27.s2,提取数据：将步骤1中扫描得到的dicom格式文件导出，用mimics文件识别并保存，形成.mcs文件。
28.具体的，提取数据主要是将ct的原始医学影像数据通过dicom文件格式带入到mimics软件，保存为mimics识别的mcs文件.“提取数据”提取的是目标区域的图片层数数量，包括目标部位的所有ct信息，可以按照对应的ct层数进行提取以提高效率。
29.s3，创建蒙版：在mimics软件中对dicom数据进行处理，根据ct的成像原理，确定好上呼吸道(鼻腔
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口腔
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喉管)的灰度值阈值，建立上呼吸道组织的蒙版文件(mask)。
30.具体的，在成功导入并提取过影像数据之后，需要对目标区域进行灰度定位。由于人体的各组织的密度不同，所对应的灰度值各不相同。确定好目标区域合理的灰度值范围，点击“new masks”建立上呼吸道的蒙版。
31.s4，蒙版修整：步骤3中创建的蒙版会存在空腔结构、有多余无关组织选中或者边界模糊等问题，利用“edit masks”功能修复上述问题，使得图像只有上呼吸道的结构模板。
32.具体的，“创建蒙版”步骤中形成的灰度值区域会存在多余的无关组织，并且由于呼气和吸气的人体生理结构不同，会有一些组织无法呈现完整的形体从而形成空腔或者多余的无关组织被蒙版所识别。对此需要进行修复，修复的标准是：根据医学解剖知识修补模型，模型之间没有其他的干扰因素；同时需要逐层分离无关组织与兴趣部位的边界，保留兴趣部位。
33.更进一步的说明，删除干扰因素：不同组织的密度会有有交叉的视窗范围，肌肉、脂肪组织在同层面都有相似区域的组织结构相互交叉，主要去掉颅前窝、牙齿等组织，由于视窗范围相互交错导致模板图像包含不需要的结构；1.距离远的使用mimics软件的“crop mask”指令通过划定范围将不需要的模板部分删除；2.经“calculate polylins”命令生成的三维进行手工划出不需要的范围，删除不要的部分。
34.s5，创建上呼吸道3d模型：利用mimics软件中的“calcualte parts”，建立蒙版显示的上呼吸道模型。
35.具体的，获得上呼吸道的结构模板后，在mask中选中上呼吸道所属的蒙版文件选中“calcualte parts”功能，在随后显示的命令框中选择“optimal”类型，生成3d模型。在选择生成质量时，分别有“low、medium、high、optimal、custom”5种类型。结合使用计算机的配置选择适当合理的生成质量模型，“low”类型生成的模型质量不好，一般不选择用。我们采用的是“optimal”类型。在模型生成出来后，根据解剖学结构和知识仔细检查模型的3d结构是否存在空洞等问题。
36.s6，创建气管
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支气管模型：利用mimics软件中的“airway segenment”识别出下呼吸道模型，待模型形成之后观察是否有多余的组织模型被识别出来。如果有，则再次重新生
成。
37.具体的，需要确定好喉管与下呼吸道的临界位置，在mimics的冠状面视窗中转动滚轮由上而下可以发现，有喉管变化到下呼吸道，管径会突然变小。以此突然变化的管径为临界点，点击mimics软件中的“airway segenment”指令，显示出“airway segenment”的命令框，选择“noise fliter”并调整强弱程度。这是为了在生成模型时为了识别出更多的气管树的分支，根据用户自己需要确定选择“noise fliter”或者“no noise fliter”。由于增强ct造影只能最高识别出气管树的第6代分支，同时成像的质量会受到人个体之间存在差异和拍摄条件的影响。因此并不是每套ct图像都能被mimics软件识别到第6代气管树分支。因此在重建时，需要多次反复对下呼吸道进行生成。
38.进一步的，点击“draw”命令，在下呼吸道的起始处画一条线作为起始线，然后找到左右气管树分叉处画一条线作为终点线确定好呼吸道的范围，然后点击“calcualte parts”命令生成下呼吸道模型。待生成下呼吸道模型后，需要对下呼吸道的分支进行观察。如果分支有多余的小三角面片块需要删除掉，同时较长的分支上没有多余的分支出来，需要对较长的分支进行裁剪。这是由于mimics软件没有识别出来或者是ct造影质量不好造成的分支无法被识别。
39.s7，创建nurbs模型：将stl格式的模型文件导入到geomagic studio，对模型存在的钉状物和破损的三角面片进行修复和检查。待确认模型没有存在几何问题时，利用“精确曲面”功能创建nurbs模型。
40.具体的，在多边形阶段由于表面模型存在钉状物和噪声等细节问题，这将影响模型的曲面重建质量。需要对所有三角面片的网格问题进行表面平滑和优化的修改，由此可获得构型平滑完好的三角面片。将表面模型的stl格式文件导入进geomagic17.0软件当中，软件当中的网格医生模块能够自动检测三角面片的数量和质量并加以修复。由于网格医生的自动检测只能对部分三角面片进行修复，需要人为地对模型各个细节再进行检查。点击“雕刻”删除钉状物和减少材料指令，对细节问题进行修复。
41.进一步的，将修补好的表面模型转入曲面生成进程中，曲面的构造稍许复杂，需要经历一个编辑和接轮廓线、提高管束、创建曲面片、修复缩减曲面片、格栅创建和优化直至曲面生成的过程。首先探查曲率，其命令会按照模型的曲率自动构造连线，得到连线后面片的划分位置。然后用编辑轮廓线的方法调整曲面大小，避免相交路径和面片重合。选择“提升约束”命令，对局部的曲率线或者点进行调整以完成轮廓线的升级。其次构造曲面片，根据“构造曲面片”命令选择自动估计面片数量和检查路径相交完成曲面片的构造。曲面片构造完成之后利用自动检查功能，探测出有问题的曲面片。松弛这部分的曲面片使得模型的曲面分布完整且美观，同时保留棱角信息。点击构造格栅命令将每个曲面分为更小的曲面片，以使得在后续的网格划分能够划分到更详细的棱角信息。nurbs曲面的控制点将遵循格栅的设置。
42.最后拟合曲面，系统将以面板上的格栅为基础创建一个nubrs曲面，选用适应性的方式对各个曲面片的数据点数量进行压缩处理。在曲面拟合构造完成之后，nubrs曲面也已经生成。利用偏差分析查看生成的曲面模型和原始模型的偏差，如果偏差相差0.8以上，则需要重新编辑轮廓线构造曲面片。
43.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以
限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。