全文总字数：5696字

基于逆向工程的人体气管重建及其气流分析研究综述

【摘要】人体气管重建和气管内流场分析是临床治疗气管狭窄以及研究气管支架的重要参考。本文针对一例临床案例进行气管的重建以及流场的分析。指出了若干呼吸道研究的问题，前景和意义，尝试了最新的建模和分析方法。旨在为研究呼吸道疾病的领域做出贡献。

【关键词】数据扫描；三维建模；流场分析；流体力学；有限元分析

前言

哮喘病已经成为当代人类身体健康的一个重大威胁。在中国以及大多数发展中国家，患者数目发展正呈迅猛上升的态势。哮喘病作为一种慢性疾病，却有着不低的致死率。其发病原理主要是与人体的呼吸系统有关，尤其是细小的呼吸道，比如支气管和细支气管。气管内壁包裹有粘膜，粘膜外是一层平滑肌。一旦患者暴露在日常生活中的过敏源中，肺部支气管平滑肌环就会收缩，与此同时，过敏原会加重气管的炎症，从而导致气管壁粘膜内层肿胀，空气通道变窄。

气管狭窄分为先天性气管狭窄和后天性，先天性气管支气管狭窄（Congenitial tracheobronchial stenosis, CST）为气管先天发育异常，是指由于气管、支气管本身或临近组织发育异常所致的狭窄，发病率约为1/64500~1/4000。目前认为该病与胚胎期咽气管沟发育障碍有关^[1]。而后天性则大致分为四类：1机械性损伤，2炎症（感染类、非感染类），3肿瘤（良、恶性），4气管结构的改变。

气管支架植入术是一种新型、快速、安全的气管狭窄治疗方法。计算机辅助下的流体力学分析能对气管内气流进行模拟，是临床决策制定的客观评估手段^[2]。本文将阐述对人体病变气管进行建模，并用ansys workbench里面的Fluid Flow （CFX）进行流场分析。以期对气管支架植入术的研究和应用做出一份贡献。

1国内外研究现状

1.1人体气道建模研究现状

目前已知的应用于气管狭窄的方法大致如下：可扩张性金属支架^[3]，套硅支架^[4]，CO₂激光烧蚀，ND-YAG激光^[5]，手术切除^[6]，近距离放射等等^[7]。对于这些治疗方式来说，正确的气道阻塞评估是必要的。空气在人体气管中的运动是十分复杂的，因为从支气管开始，左右两边的分支以及肺叶都是不对称的，且分支繁多，所以建模较为困难。分析其中的流场，有助于了解气压对气管壁的压强，而且对治疗呼吸道药剂的研究也是颇有帮助。就拿哮喘病来说，市场上流行的的例如丙酸氟替卡松气雾剂，舒利迭喷剂，沙丁胺醇气雾剂都是属于喷雾类型的药剂。喷雾颗粒所起到的效果与流动参数有着不可分割的关系。我们需要明白的是：给定区域内的任何位置都应该通过系统的路径到达。流体的流动参数正是我们需要通过计算机分析的数据。为此想要得到更为精确的流动参数，必须要对气管的建模精度提出更高的要求。

对于病人的初诊，医生通常是由胸片和病人的临床症状来判断的。然而对于上气管阻塞，这种诊断方式往往是无效的。病人的病情往往会被拖延，导致病情恶化。病情恶化时病人会有明显的喘鸣的特征，但已经为时已晚。于是出现了其他多种更为有效的方法被应用于气道的检查^[8]。一是喉镜，气管镜。这种方法是最为直观的，通过将摄像头直接伸入气管内，再连接外部的成像仪器，可以清晰的看到气道内的病变情况。然而这种方法无法经过极为狭窄的病变地区，且更细小的气管分支无法进入，一旦操作失误，会造成严重的后果。二是放射性方法，包括X光，以及计算机断层扫描（CT），这种方式的缺点在于潜在斜度的存在并且解释图象时存在困难。还有就是核磁共振成像法（MRI），这种方法目前相对较为成熟，但是其扫描方向与气管轴向无法做到精确重合。以上提到的方法以及其他未提到的扫描手段都能得到建模所需的原始数据。

德国的Th. van Reimersdahll的团队开发了一套基于虚拟现实的用于鼻外科的计算机辅助系统^[9]。其应用方法如下，首先从计算机摄影数据中提取出鼻腔的几何形状，然后计算出流动数据，将数据传输到虚拟现实（VR）系统中让医生进行评估，甚至可以进行模拟手术。Th. van Reimersdahll同时建立了鼻腔的树脂模型形成对照组，同样建立树脂模型的还有Houml;rschler。韩国的Kim使用了粒子图像测速法PIV（Particle Image Velocimetry）对正常和异常鼻腔内的气流进行了研究^[10]。使用的是由高分辨率的计算机断层扫描获得数据和耳、鼻、喉医生对数据的仔细操作建立的复杂模型。Subramaniam RP等人尝试了计算机可视化来研究鼻腔内的气流场，他们采用了计算流体力学（MFC），建模也使用了CT图像来建立的数据模型^[11]。Materialise Interactive Medical Image Control System (MIMICS)是由比利时公司Materialise公司开发的一款医学影像控制系统，特点为高度整合，入门较为容易，能够输入（CT、MRI）等形式的扫描数据以及建立三维模型^[12]。新开发的Mimics已经被广泛应用于科研以及临床医学，所以可以作为本次仿真研究的建模工具。张科，魏宁等进行气管狭窄术后有限元分析^[13]中就使用了Mimics软件，在研究的过程中节省了不少时间，而且建模精度也得到了保证。