CN114170398A - 一种用于cfd的双路径人体全气道模型的构建方法 - Google Patents

一种用于cfd的双路径人体全气道模型的构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于CFD模拟的双路径人体全气道模型的构建方法，属于生物流体力学领域。包括：(1)接收人体上半身CT图像，结合医学影像重建和逆向工程，生成基于CT图像的上呼吸道‑支气管模型，该模型包括：口、鼻、咽、喉、气管和支气管模型；(2)基于Weibel理想化模型，使用参数化脚本，生成两分支理想化0‑23级肺气道模型，该模型包括：气管、支气管和深肺气道模型；(3)对基于CT图像的上呼吸道‑支气管模型进行切分，与两分支理想化肺气道模型对应部分进行装配和组合，生成从口、鼻入口到达左右肺肺泡区域的双路径人体全气道模型。本发明基于CT图像和Weibel理想化模型构建人体全气道模型，为人体全气道的数值模拟提供简化又不失精确的几何模型。

Description

一种用于CFD的双路径人体全气道模型的构建方法
技术领域
本发明属于生物流体力学领域，更具体地，涉及一种用于CFD(ComputationalFluid Dynamics，计算流体动力学)数值模拟的双路径人体全气道模型的构建方法。
背景技术
人体呼吸道是人体肺毛细血管与大气之间进行气体交换的通道，由胸外气道和胸内气道组成。胸外气道由口、鼻、咽和喉组成，胸内气道包括气管、支气管和肺气道等。气体的传输由口和鼻腔开始，通过不断分叉的肺气道到达肺泡表面。建立能够描述全呼吸道形态特征的数学模型，将会为模拟分析全呼吸道内部的气体流动特征带来极大的方便，有助于进一步了解人体呼吸系统的生理机能。因此，有必要建立一个与真实的呼吸系统几何形态相近的全气道模型。
虽然呼吸道模型已经广泛地用于CFD研究中，但是但多大数呼吸道模型都是分段模型比如口-喉模型、气管模型、支气管和肺泡模型等，缺乏描述整个呼吸系统几何形态的全气道模型。典型的上呼吸道模型包括理想化模型和基于CT图像的个性化模型。当前对于上呼吸道-主气管-支气管，人们已经主要采用基于CT图像的个性化模型。由于CT图像分辨率只能达到6-8级支气管，细支气管和深肺气道更多地采用理想化模型。Weibel理想化模型是一种被广泛采用的肺气道模型。然而，当前基于Weibel模型的大多数模型在气道分岔处直接连接上下级气道，没有过渡的硬连接会造成壁面剪切应力的突变，导致部分流场与实际流动不匹配，难以获得更为精确的模拟结果，需要进一步改进。为了能够模拟气流或者外来颗粒物从呼吸道入口到达呼吸道末端区域整个流动过程，有必要结合基于CT图像的上呼吸道-气管-支气管模型和基于改进的Weibel肺气道模型，构建一种新型的可以代表气流从呼吸入口到达肺泡区域的双路径全气道几何模型。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种用于CFD的双路径人体全气道模型的构建方法，其目的在于基于CT图像构建上呼吸道口-鼻、咽、喉、气管和支气管模型，基于Weibel理想化模型构建肺气管树中各级模型，将两者进行结合装配，为全气道模拟提供了简化而又不失精确的几何模型。本发明的几何模型可用于探讨呼吸系统内的气体流动特性和颗粒物输运沉积特性，可用于药物输运、空气污染物输运以及其他肺部呼吸疾病的研究领域。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种用于CFD的双路径人体全气道模型的构建方法，该方法包括：
S1.接收人体上半身CT图像，结合医学影像重建和逆向工程，生成基于CT图像的上呼吸道-支气管模型，该模型包括：口、鼻、咽、喉、气管和支气管模型；基于Weibel理想化模型，使用参数化脚本，生成两分支理想化全肺气道模型，该模型包括：气管模型、支气管模型和深肺气道模型；
S2.对基于CT图像的上呼吸道-支气管模型进行切分，分别以与左右肺级数对应的两分支理想化全肺气道模型对应部分进行装配和组合，生成从口、鼻入口到达左右肺肺泡区域的双路径人体全气道模型。
优选地，所述基于Weibel理想化模型，使用参数化脚本，生成两分支理想化全肺气道模型，包括：
(1)使用脚本计算Weibel理想化模型各级尺寸；
(2)生成模型各级建模所需的坐标点；
(3)基于模型各级尺寸和建模所需坐标点，创建模型各级参数化建模脚本；
(4)使用模型各级参数化建模脚本进行建模，并装配各级模型，得到两分支理想化全肺气道模型。
有益效果：针对现有模型生成过程复杂问题，本发明只需获取Weibel理想化模型各级的长度和直径，再通过参数化脚本进行建模，从而批量化快速获得几何模型。
优选地，所述基于Weibel理想化模型，使用参数化脚本，生成两分支理想化全肺气道模型，包括：使用脚本计算Weibel理想化模型各级尺寸；对于Weibel理想化模型每一级的每一个气道，通过以下方式构建该气道：
(1)根据该级直径D、长度L和几何关系，计算内径R、外径R′、辅助段长度A、过渡段长度B、过渡段残余长度C以及直段长度L′；
(2)构造直径为D、长度为L′的圆柱，作为该级气道的直段；
(3)在该级气道的直段末端，以末端两侧分别构造两段内径为R、外径为R′、长度为B的扫掠圆柱，作为该级气道的过渡段。
有益效果：针对现有Weibel模型各级之间连接尖锐，本发明通过将每一级的每一段气道分为直段和过渡段两部分，并通过长度再分配，借助辅助段计算这两部分的几何参数，在直段创建圆柱，在过渡段创建扫略圆柱，以将当前级的过渡段末端与下一级的直段起始段装配，从而实现过渡光滑的各级几何连接。
优选地，内径R的计算公式如下：R(z)＝2.8*D(z)；外径R′的计算公式如下：R′(z)＝3.75*D(z)，其中，z为气道的级数。
有益效果：本发明扫掠圆柱的内径优选为2.8倍气道直径，外径为3.75倍气道直径，这样构建出的扫略圆柱可使过渡段曲线与各级气道之间的连接更为平滑，更符合人体各气道间真实连接特性。
优选地，辅助段长度A的计算公式如下：
Figure BDA0003373108170000041
A(z)＝2R(z-1)+D(z-1)-2cos(θ)R(z-1)-cos(θ)D(z)-a(z)
过渡段长度B的计算公式如下：
b1(z)＝2R(z)+D(z)-2cos(θ)R(z)-cos(θ)D(z)
Figure BDA0003373108170000042
Figure BDA0003373108170000043
Figure BDA0003373108170000044
过渡段残余长度C的计算公式如下：
C(z)＝D(z+1)-2*A(z)
直段长度L′的计算公式如下：
L′(z)＝max(L(z)-A(z)-B(z)-C(z)，0)
其中，z为气道的级数，θ为相邻两级气道间夹角。
有益效果：针对现有直接建模导致的构建几何与Weibel模型尺寸不匹配问题，通过基于几何关系的直段长度、过渡段长度计算，可使得模型构建尺寸与Weibel模型匹配，实现几何构建尺寸的精准匹配。考虑到原始Weibel理想化模型并未采用此种过渡模式，经过计算有部分气道长度直段长度为负数，通过max(l(z)-A(z)-B(z)-C(z)，0)将这些长度赋值为0，从而保证模型的光顺性和一致性。
优选地，分别对深肺区域各级进行肺泡建模，肺泡模型为四分之三球体，并通过圆柱连接段连接至气道，圆柱连接段直径d、球体半径AR以及肺泡数量n通过如下公式计算：
d(z)＝13*e-(0.2929-.00624*z)*z
AR(z)＝(1.44-0.04*(z-17))*0.085
n(z)＝4+2*(z-17)
其中，z为气道的级数。
有益效果：针对现有模型无法反映深肺区肺泡分布问题，本发明通过模化各级肺泡数量及分布，通过环形阵列排布模拟肺泡分布情况，每个肺泡建模为四分之三球体，并通过圆柱连接段连接至气道实现深肺模型的构建。
优选地，使用Python脚本及SCDM脚本进行参数化建模。
有益效果：针对现有建模方式参数化程度低、重复生成的成本高问题，本发明通过Python脚本及SCDM脚本进行参数控制，能便捷调整模型尺寸和分布，参数化建模使得建模效率提升。
优选地，通过如下方式对基于CT图像的上呼吸道-支气管模型和基于Weibel理想化模型进行切分与装配：
1)CT重建模型的准备：将CT重建得到的NURBS模型导入建模软件后，根据模拟需求在CT重建模型对应气道切割几何，删去多余的呼吸道；
2)Weibel理想化模型的装配：生成各级气道的Weibel理想化模型构建左右肺理想气道，将气道级数大于CT重建几何左肺分割气道的各级气道首尾相连，生成Weibel理想化左肺气道模型，将气道级数大于CT重建几何右肺分割气道的各级气道首尾相连，生成Weibel理想化右肺气道模型；
3)CT重建模型与Weibel理想化模型的装配：根据实际气道长度，将Weibel理想化左肺气道模型及Weibel理想化右肺气道模型分别移动至与左右肺位置对应的CT重建模型末端，删去Weibel理想化左右肺模型对应起始级直道段曲面，分别在CT重建模型左右肺切割位置末端与Weibel理想化左右肺模型起始级过渡段前端两个曲线间构造连接曲面连接上述模型。
优选地，还包括：4)模型检查与导出：完成装配后，进行模型修复，包括检查缺失平面、小间隙和非精确边。
为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种计算机可读存储介质，包括存储的计算机程序；
所述计算机程序被处理器执行时，控制所述计算机可读存储介质所在设备执行第一方面所述的用于CFD模拟的双路径人体全气道模型的构建方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
为了更加显著地表达个性化的人体真实的上呼吸道形态特征，本发明基于实际采集到的上半身CT图像，构建个体化上呼吸道-支气管模型，将该模型与Weibel理想化模型对应部分进行装配和组合，生成从口、鼻入口到达左右肺肺泡区域的双路径人体全气道模型。这样的组合模型能够反映个体全气道从口鼻入口到达肺泡区域的气道分布和结构特征。
附图说明
图1为本发明提供的通过CT图像所构建的NURBS模型侧视图。
图2为本发明提供的人的支气管至肺泡分级示意图。
图3为本发明提供的用于构建双路径人体全气道的基于Weibel模型的肺气道模型正视图。
图4为本发明提供的气道长度再分配示意图。
图5为本发明提供的气道长度再分配伪代码。
图6为本发明提供的用于CFD模拟的双路径人体全气道模型的深肺气道侧视图。
图7为本发明提供的用于CFD模拟的双路径人体全气道模型正视图。
图8为本发明提供的用于CFD模拟的双路径人体全气道模型侧视图。
具体实施方式
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。
本发明提供了一种用于CFD模拟的双路径人体全气道模型的构建方法，该方法包括：
步骤S1.接收人体上半身CT图像，结合医学影像重建和逆向工程，生成基于CT图像的上呼吸道-支气管模型，该模型包括：口、鼻、咽、喉、气管和支气管模型；基于Weibel理想化模型，采用参数化脚本，生成两分支理想化全肺气道模型，该模型包括：气管模型、支气管模型和深肺气道模型。
基于CT图像的上呼吸道-支气管模型的生成
(1)对采集到的CT图像进行影像处理和阈值分割，得到呼吸道对应的MASK。
(2)基于所述MASK计算几何实体，生成STL模型。
(3)对生成的STL文件进行几何修复和逆向工程，构建如图1所示的上呼吸道-支气管NURBS模型。
基于Weibel理想化模型的两分支理想化全肺气道模型的生成：
如图2所示，人的支气管(第0级)至肺泡约有23级分支：气管G0、支气管G1-G3、细支气管G4-G15、终端支气管G16、呼吸性细支气管G17-G19、肺泡管G20-G22、肺泡囊G23。
如图3所示，本发明中两分支理想化全肺气道模型分为：气管G0、支气管模型和深肺模型。所述支气管模型包括：支气管G1-G3、细支气管G4-G15、终端支气管G16；所述深肺气道模型包括：呼吸性细支气管G17-G19、肺泡管G20-G22、肺泡囊G23。
所述基于Weibel理想化模型，使用参数化脚本，生成两分支理想化肺气道模型，包括：
(1)使用脚本计算Weibel理想化模型各级尺寸。
步骤(1)中，分别对G0-G23进行气道建模，级别为z的气道直径D(z)和长度L(z)公式计算分别如下：
Figure BDA0003373108170000081
Figure BDA0003373108170000082
其中，z为气道的级数，D为气道直径，L为气道长度。
Weibel理想化模型中使用气道中心点距离表述气道长度，但具有尖锐边界的几何模型可能会对网格划分和计算求解带来困难。优选地，本发明还包括：
气道长度的重分配和过渡曲线的构造：
如图4所示，根据几何关系将气道长度分为残余段A、直段B和过渡段C，A段为中心线与上一级过渡段交点至本级直段；B段为A段末端至C段起始位置；C段为直段末端与下一级过渡段交点，故Weibel原始模型中L＝A+B+C。残余段仅参与气道长度重分配的计算，在B段构造圆柱，由于原始Weibel理想化模型并未采用此种过渡模式，经过计算有部分气道长度直段长度为负数，为保证模型的光顺性和一致性，将这些长度赋值为0，在C段创建2.8倍(内径)和3.75倍(外径)气道直径的过渡曲线以创建扫掠圆柱。气道长度再分配伪代码如图5所示。
步骤(1)还包括：分别对G17-G23进行肺泡建模，肺泡建模为四分之一球体，并通过圆柱连接段连接至气道，圆柱连接段直径d、球体半径AR以及肺泡数量n通过如下公式计算：
d(z)＝13*e-(0.2929-.00624*z)*z
AR(z)＝(1.44-0.04*(z-17))*0.085
n(z)＝4+2*(z-17)
其中，z为气道的级数。本发明在肺泡区域，基于简化模型的原则对肺泡尺寸和数量进行了规范。
(2)生成模型各级建模所需的坐标点。
计算获得模型尺寸后利用Python代码生成模型坐标点。
(3)基于模型各级尺寸和建模所需坐标点，创建模型各级参数化建模脚本。
根据坐标点在SCDM中编写脚本，由此脚本文件可生成各级几何模型。对于G17-G23深肺气道区域模型，在利用脚本生成几何模型后，还需要组合肺泡。根据不同分级的肺泡数量，利用肺泡模型和平移旋转操作组合生成如图6所示理想化模型中的深肺部分。在SCDM中打开脚本对话框，设置工作路径和建模精度，建模精度设置为8位，单位为毫米，基于SCDM脚本对气道不同分级进行建模并保存文件。
(4)使用模型各级参数化建模脚本进行建模，并装配各级模型，得到两分支理想化全肺气道模型。
使用脚本得到的是不同分级的几何模型，在SCDM中对各级进行装配，最终得到如图7-8所示的两分支全气道模型。具体地，对于G0-G16级气道，只需要对各级气道进行装配；对于G17-G23级气道，除了对各级气道进行装配外，还需要对肺泡进行装配，将肺泡模型中心移动至气道中心，根据肺泡数量创建环形阵列，环形阵列还需满足交错和肺泡与几何不重叠。
使用Python脚本进行参数化批量建模，结合SCDM脚本能快速构建模型。
步骤S2.在基于CT图像的重建模型左右肺末端，分别与左右肺两分支理想化全肺气道模型对应部分进行装配和组合，生成双路径人体全气道模型。
根据模拟需求对基于CT构建的模型切分并在左右肺对应位置分别与两个Weibel理想化模型对应部分组合，生成本发明提供的用于CFD模拟的双路径人体全气道模型。
如图1至图6所示，采用Python脚本参数化建模，对两分支人体全气道模型进行建模，其中鼻腔、口腔、咽喉、气管及部分支气管使用基于CT图像生成的NURBS几何，肺气道分支模型采用理想化模型，其具体步骤如下：
本实施例中上呼吸道-支气管模型通过CT图像重构，具体步骤为：CT图像采集→使用Mimics软件进行影像处理和阈值分割→STL模型生成→GeomagicStudio几何修复及逆向工程→构建上呼吸道-支气管NURBS模型。
本实施例中Weibel理想化模型利用Python生成，步骤为：使用Python脚本计算模型尺寸→生成建模所需的坐标点→创建SCDM脚本→在SCDM中进行建模和装配。具体地，SCDM中采用了由点至线，由线引导生成面，由面修复生成体的建模方式，能够直接用于CFD模拟。
本实施例使用Python脚本及SCDM脚本进行参数化建模和装配，相较传统建模方式，极大缩短了建模周期，大大降低了获得几何模型的时间成本，同时将CT图像与理想化模型结合，为构建便捷高效的呼吸力学数值模拟研究提供了模型基础。
根据实际模拟要求进行网格划分，该模型适用于混合网格及多面体网格的划分，经网格划分验证，该模型生成的网格质量满足模拟要求，能运用于呼吸力学的模拟。
综上，本发明提供了一种用于CFD模拟的双路径人体全气道模型，能进一步方便呼吸力学的数值模拟，为研究呼吸系统内流动特性和颗粒物输运沉积提供高效便捷的解决方案。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，包括存储的计算机程序；所述计算机程序被处理器执行时，控制所述计算机可读存储介质所在设备执行上述用于CFD模拟的双路径人体全气道模型的构建方法。
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。

Claims (10)

1.一种用于CFD的双路径人体全气道模型的构建方法，其特征在于，该方法包括：
S1.接收人体上半身CT图像，结合医学影像重建和逆向工程，生成基于CT图像的上呼吸道-支气管模型，该模型包括：上呼吸道口-鼻-咽-喉-气管-支气管模型；基于Weibel理想化模型，使用参数化脚本，生成两分支理想化0-23级肺气道模型，该模型包括：气管模型、支气管模型和深肺气道模型；
S2.对基于CT图像的上呼吸道-支气管模型进行切分，分别以与左右肺级数对应的两分支理想化全肺气道模型对应部分进行装配和组合，生成从口、鼻入口到达左右肺肺泡区域的双路径人体全气道模型。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于Weibel理想化模型，使用参数化脚本，生成两分支理想化0-23级肺气道模型，包括：
(1)使用脚本计算Weibel理想化模型各级尺寸；
(2)生成模型各级建模所需的坐标点；
(3)基于模型各级尺寸和建模所需坐标点，创建模型各级参数化建模脚本；
(4)使用模型各级参数化建模脚本进行建模，并装配各级模型，得到两分支理想化0-23级肺气道模型。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于Weibel理想化模型，使用参数化脚本，生成两分支理想化0-23级肺气道模型，包括：使用脚本计算Weibel理想化模型各级尺寸；对于Weibel理想化模型每一级的每一个气道，通过以下方式构建该气道：
(1)根据该级直径D、长度L和几何关系，计算内径R、外径R′、辅助段长度A、过渡段长度B、过渡段残余长度C以及直段长度L′；
(2)构造直径为D、长度为L′的圆柱，作为该级气道的直段；
(3)在该级气道的直段末端，以末端两侧分别构造两段内径为R、外径为R′、长度为B的扫掠圆柱，作为该级气道的过渡段。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，内径R的计算公式如下：R(z)＝2.8*D(z)；外径R′的计算公式如下：R′(z)＝3.75*D(z)，其中，z为气道的级数。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，辅助段长度A的计算公式如下：
Figure FDA0003373108160000021
A(z)＝2R(z-1)+D(z-1)-2cos(θ)R(z-1)-cos(θ)D(z)-a(z)
过渡段长度B的计算公式如下：
b1(z)＝2R(z)+D(z)-2cos(θ)R(z)-cos(θ)D(z)
Figure FDA0003373108160000022
Figure FDA0003373108160000023
Figure FDA0003373108160000024
过渡段残余长度C的计算公式如下：
C(z)＝D(z+1)-2*A(z)
直段长度L′的计算公式如下：
L′(z)＝max(L(z)-A(z)-B(z)-C(z)，0)
其中，z为气道的级数，θ为相邻两级气道间夹角。
6.如权利要求2至5任一项所述的方法，其特征在于，分别对深肺区域各级肺泡进行建模，肺泡模型为四分之三球体，并通过圆柱连接段连接至气道，圆柱连接段直径d、球体半径AR以及肺泡数量n通过如下公式计算：
d(z)＝13*e-(0.2929-.00624*z)*z
AR(z)＝(1.44-0.04*(z-17))*0.085
n(z)＝4+2*(z-17)
其中，z为气道的级数。
7.如权利要求2至5任一项所述的方法，其特征在于，使用Python脚本及SCDM脚本进行参数化建模。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过如下方式对基于CT图像的上呼吸道-支气管模型和基于Weibel理想化模型进行切分与装配：
1)CT重建模型的准备：将CT重建得到的NURBS模型导入建模软件后，根据模拟需求在CT重建模型左右肺对应气道切割几何，删去多余的呼吸道；
2)Weibel理想化模型的装配：生成各级气道的Weibel理想化模型构建左右肺理想气道，将气道级数大于CT重建几何左肺分割气道的各级气道首尾相连，生成Weibel理想化左肺气道模型，将气道级数大于CT重建几何右肺分割气道的各级气道首尾相连，生成Weibel理想化右肺气道模型；
3)CT重建模型与Weibel理想化模型的装配：根据实际气道长度，将Weibel理想化左肺气道模型及Weibel理想化右肺气道模型分别移动至与左右肺位置对应的CT重建模型末端，删去Weibel理想化左右肺模型对应起始级直道段曲面，分别在CT重建模型左右肺切割位置末端与Weibel理想化左右肺模型起始级过渡段前端两个曲线间构造连接曲面连接上述模型。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：4)模型检查与导出：完成装配后，进行模型修复，包括检查缺失平面、小间隙和非精确边。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括存储的计算机程序；
所述计算机程序被处理器执行时，控制所述计算机可读存储介质所在设备执行权利要求1至9任一项所述的用于CFD模拟的双路径人体全气道模型的构建方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2023241517A1 (zh) * 2022-06-13 2023-12-21 上海市胸科医院 肺部形变模拟方法、装置及服务器

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