人体肺部理想二分叉气道树的构造和可视化

摘要

肺气道树是人体内部呼吸系统与外界大气系统进行气体交换的通道。呼吸道的生理和形态特征直接关系到它的通气功能。根据临床医学研究表明，呼吸系统的相关疾病大多发生在肺气管部分。因此，建立一个理想的肺气道树模型，具有重要的研究价值和理论意义。
　　虽然前人已经做了很多有关气道树建模方面的研究，但在探讨肺气道树的建模方面，基本上都是基于Weibel模型的二维平面建模。且在由于技术条件所限，并没有延伸到三维平面之上，也没有使用相应的真实人体数据进行建模。
　　本文建立了一个理想的反映肺气道树特征的三维二分叉模型。笔者通过分析有关肺气道树的解剖学相关资料，基于简单、快速、高效的思想，用二分叉对称分形结构的方法来描述气道树的各级形态特征。通过可视化工具OpenGL先建立肺气道树的二维骨架模型，然后通过对二维骨架模型的研究延伸到使用VTK建立肺气道树的三维骨架模型，最后通过对三维骨架模型的分析逐步建立基于VTK的描述肺气道树形态的数学模型，并且通过对人体真实肺气道树的分析和统计，计算得到各级的长度、分叉角度和管径的具体参数。所生成的图形在形态与几何参数上与均与人体真实肺气道树数据很吻合，这样的实验结果表明人体的复杂形体可以通过数学模型模拟的方法来进行描述。
　　本文通过使用可视化工具展示了一种较好的肺气道树三维形态的数学建模方法。数值模拟的结果对今后研究肺气道树内的气体流动与分布规律提供了的依据，为气道树3D模型快速打印提供了基础，对呼吸系统临床医学诊断以及后续的治疗研究有着重要的理论意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 肺气道形态学和医学图像可视化的发展现状

1．2．1 国内外关于肺气道树形态学方面的研究进展

1．2．2 国内外关于医学图像可视化的研究进展

1．3 人体肺气管概述

1．4 本文研究内容

1．4．1 本文的主要研究内容

1．4．2 本文的结构安排

第2章 肺气道树二维骨架模型的设计与实现

2．1 OpenGL简介

2．2 二维几何变换原理

2．2．1 二维平移变换

2．2．2 二维旋转变换

2．2．3 二维缩放变换

2．3 肺气道树的基本形态特征

2．4 肺气道树二维骨架模型的建立思路

2．5 肺气道树二维骨架模型的建立

2．6 肺气道树二维骨架模型的生成算法

2．7 肺气道树二维骨架模型的实现过程

2．8 结果与讨论

2．9 本章小结

第3章 肺气道树三维骨架模型的设计与实现

3．1 VTK简介

3．2 VTK的图像模型

3．3 应用VTK的三维数据可视化流程

3．4 三维几何变换原理

3．4．1 三维平移变换

3．4．2 三维旋转变换

3．4．3 绕任意轴旋转变换

3．4．4 三维缩放变换

3．5 肺气道树三维骨架模型的建立思路

3．6 肺气道树三维骨架模型的建立

3．7 肺气道树三维骨架模型的实现

3．8 肺气道树三维骨架模型的实现过程

3．9 结果与讨论

3．10 本章小结

第4章 肺气道树的三维模型的设计与可视化

4．1 三维数据场可视化

4．1．1 数据分布及连接关系的类型

4．1．2 三维空间数据场可视化的流程

4．1．3 三维空间数据场可视化的两类基本算法

4．2 图像三维可视化算法

4．2．1 面绘制中的移动立方体算法

4．2．2 移动立方体算法流程

4．3 肺气道树三维模型的建立思路

4．4 肺气道树三维模型的建立

4．5 肺气道树三维模型的生成算法

4．6 肺气道树三维模型的实现过程

4．7 结果与讨论

4．7．1 初始条件的给定

4．7．2 肺气道树三维模型的生成过程中的遇到问题

4．8 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢