本技術(shù)涉及智能醫(yī)療領(lǐng)域，具體地涉及一種人體全尺寸呼吸道節(jié)律呼吸三維幾何模型及其構(gòu)建方法、設(shè)備、程序產(chǎn)品及計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，呼吸道疾病已成為危害人類健康的第二大疾病。靶向藥物遞送是利用氣溶膠發(fā)生裝置將藥物霧化為氣溶膠，通過(guò)呼吸氣流將藥物遞送到呼吸道病灶區(qū)域，具有作用直接，起效快，藥物肺部濃度高，全身濃度低，副作用小等特點(diǎn)，被廣泛用于呼吸道疾病的治療中。靶向藥物遞送的療效取決于藥物在肺內(nèi)的沉積總劑量及目標(biāo)肺組織的局部沉積劑量?，F(xiàn)有研究表明氣溶膠顆粒的沉積劑量與多種因素有關(guān)，例如，顆粒粒徑、呼吸模式、顆粒理化性質(zhì)（親疏水性、密度）等，其中顆粒粒徑是最主要因素。呼吸道為高濕環(huán)境，親水性顆粒物進(jìn)入呼吸道會(huì)迅速生長(zhǎng)，隨著呼吸氣流流動(dòng)極易發(fā)生顆粒碰撞團(tuán)聚，進(jìn)而影響顆粒粒徑。呼吸道的結(jié)構(gòu)極度復(fù)雜，且為非透明組織，因此預(yù)測(cè)不同呼吸模式下不同粒徑及不同理化性質(zhì)的顆粒物的沉積規(guī)律具有重要意義。顆粒沉積數(shù)值模型主要整合了呼吸道三維幾何模型、氣流流動(dòng)物理場(chǎng)、顆粒沉積物理場(chǎng)，它既可獲得高分辨的顆粒沉積分布參數(shù)，又可獲得顆粒的動(dòng)態(tài)信息，因此是研究吸入沉積機(jī)制的理想手段，然而呼吸道三維幾何模型的構(gòu)建聚焦于上呼吸道和下呼吸道上游，對(duì)于全呼吸道的三維幾何模型構(gòu)建鮮見(jiàn)，進(jìn)而對(duì)于顆粒沉積數(shù)值模型研究不同顆粒物沉積規(guī)律存在影響。

2、其次，現(xiàn)有顆粒沉積物理場(chǎng)構(gòu)建的控制方程已經(jīng)成熟，但影響因素納入不夠全面?，F(xiàn)有顆粒沉積物理場(chǎng)模型仍存在較大短板，主要體現(xiàn)在對(duì)顆粒和顆粒、呼吸道、呼吸道微環(huán)境之間的相互作用考慮不充分。同時(shí)現(xiàn)有的數(shù)值模擬模型均未經(jīng)活體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，無(wú)法保證模型的正確性，因此現(xiàn)有模型對(duì)氣溶膠顆粒，尤其親水性顆粒，的沉積分布預(yù)測(cè)將存在較大偏差。

3、此外，呼吸道內(nèi)顆粒產(chǎn)生碰撞，顆粒碰撞時(shí)間極短，粒徑變化極快，同一顆粒在跨尺度呼吸道不同世代氣道的運(yùn)動(dòng)跡線形態(tài)差異極大，現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型及數(shù)值模型都不夠完善，均無(wú)法研究顆粒擴(kuò)散沉積過(guò)程中的碰撞團(tuán)聚過(guò)程，同時(shí)數(shù)值模型均采用分段研究，無(wú)法獲得完整呼吸道內(nèi)沉積過(guò)程，同時(shí)未經(jīng)活體實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，進(jìn)而研究結(jié)果存在顯著偏差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種人體全尺寸呼吸道節(jié)律呼吸三維幾何模型及其構(gòu)建方法，具體包括：

2、獲取呼吸道的影像數(shù)據(jù)、解剖數(shù)據(jù)、呼吸潮氣量；

3、基于所述影像數(shù)據(jù)進(jìn)行第一呼吸道三維重構(gòu)得到第一呼吸道幾何模型；

4、基于所述解剖數(shù)據(jù)進(jìn)行第二呼吸道三維重構(gòu)得到第二呼吸道幾何模型；

5、將第一呼吸道幾何模型與第二呼吸道幾何模型進(jìn)行拼接得到全尺寸呼吸道幾何模型。

6、根據(jù)所述呼吸潮氣量構(gòu)建幾何形變物理場(chǎng)；

7、通過(guò)全尺寸呼吸道幾何模型及幾何形變物理場(chǎng)得到全尺寸呼吸道節(jié)律呼吸三維幾何模型

8、可選地，所述第一呼吸道為 g0- g6節(jié)段的呼吸道；

9、可選地，所述第二呼吸道為 g7- g23節(jié)段的呼吸道；

10、所述第二呼吸道三維重構(gòu)的過(guò)程為：

11、獲取解剖數(shù)據(jù)，包括氣道尺寸、肺泡平均尺寸、呼吸道幾何特征數(shù)據(jù)；

12、基于所述氣道尺寸、肺泡平均尺寸進(jìn)行二維腺泡密鋪布置得到二維密鋪數(shù)據(jù)；

13、通過(guò)所述二維密鋪數(shù)據(jù)、呼吸道幾何特征進(jìn)行三維拉伸得到第二呼吸道幾何模型；

14、可選地，所述二維腺泡密鋪通過(guò)對(duì)稱截?cái)嗖贾弥夤艿呐挪迹?/p>

15、本發(fā)明的目的在于提供一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品其上有計(jì)算機(jī)程序或指令，其特征在于，包括：所述計(jì)算機(jī)程序或指令被處理器執(zhí)行實(shí)現(xiàn)上述的人體全尺寸呼吸道節(jié)律呼吸三維幾何模型及其構(gòu)建方法。

16、本發(fā)明的目的在于提供一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，其包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上的計(jì)算機(jī)程序或指令，所述計(jì)算機(jī)程序或指令被所述處理器執(zhí)行實(shí)現(xiàn)上述的人體全尺寸呼吸道節(jié)律呼吸三維幾何模型及其構(gòu)建方法。

17、本發(fā)明的目的在于提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序或指令，所述計(jì)算機(jī)程序或指令被處理器執(zhí)行實(shí)現(xiàn)上述的人體全尺寸呼吸道節(jié)律呼吸三維幾何模型及其構(gòu)建方法。

18、本發(fā)明的目的在于提供一種節(jié)律呼吸的呼吸道顆粒沉積模型的構(gòu)建方法，包括：

19、獲取氣流流態(tài)類型、顆粒屬性、呼吸潮氣量、全尺寸呼吸道幾何模型；

20、根據(jù)流體流態(tài)類型及顆粒屬性確定氣流流動(dòng)物理場(chǎng)及顆粒追蹤物理場(chǎng)；

21、通過(guò)所述氣流流動(dòng)物理場(chǎng)、顆粒追蹤物理場(chǎng)、全尺寸呼吸道節(jié)律呼吸三維幾何模型得到節(jié)律呼吸呼吸道顆粒沉積模型。

22、可選地，所述全尺寸呼吸道幾何模型根據(jù)上述的人體全尺寸呼吸道節(jié)律呼吸三維幾何模型及其構(gòu)建方法得到；

23、可選地，所述氣流流動(dòng)物理場(chǎng)是通過(guò)第一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練得到，所述第一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)流體流態(tài)類型與氣流流動(dòng)物理場(chǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分類訓(xùn)練；

24、可選地，所述顆粒追蹤物理場(chǎng)是根據(jù)節(jié)律呼吸的氣流流動(dòng)狀態(tài)及顆粒屬性對(duì)流體顆粒進(jìn)行受力分析得到受力結(jié)果，基于所述受力結(jié)果構(gòu)建顆粒動(dòng)量方程；

25、可選地，所述顆粒動(dòng)量方程計(jì)算的受力參數(shù)包括下列的一種或幾種：曳力、重力、布朗力、壓力梯度力、虛擬質(zhì)量力、升力、巴塞特力；

26、所述方法還包括顆粒碰撞團(tuán)聚物理場(chǎng)，根據(jù)流體流態(tài)類型及顆粒屬性確定顆粒碰撞團(tuán)聚物理場(chǎng)，通過(guò)所述氣流流動(dòng)物理場(chǎng)、顆粒追蹤物理場(chǎng)、顆粒碰撞團(tuán)聚物理場(chǎng)、幾何形變物理場(chǎng)、全尺寸呼吸道幾何模型得到節(jié)律呼吸呼吸道顆粒沉積模型；

27、可選地，所述顆粒碰撞團(tuán)聚物理場(chǎng)根據(jù)流體流態(tài)類型及顆粒屬性在節(jié)律呼吸下的氣流變化計(jì)算的顆粒碰撞團(tuán)聚方程構(gòu)建的；

28、可選地，所述顆粒碰撞團(tuán)聚方程的計(jì)算包括第一碰撞計(jì)算、第二碰撞計(jì)算，所述第一碰撞計(jì)算的碰撞參數(shù)包括布朗碰撞、慣性碰撞、湍流碰撞；所述第二碰撞計(jì)算的碰撞參數(shù)包括布朗碰撞、慣性碰撞；

29、可選地，所述第一碰撞計(jì)算用于計(jì)算 g0- g6的呼吸道的顆粒碰撞，所述第二碰撞計(jì)算用于計(jì)算 g7- g23的呼吸道的顆粒碰撞；

30、可選地，所述幾何形變物理場(chǎng)是基于所述呼吸潮氣量計(jì)算得到腺泡的膨脹幅度并通過(guò)膨脹幅度構(gòu)建呼吸道形變方程，再基于呼吸形變方程得到的；

31、可選地，所述幾何形變物理場(chǎng)是通過(guò)第三神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練得到的，所述第三神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)呼吸潮氣量和幾何形變物理場(chǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分類訓(xùn)練。

32、所述呼吸道顆粒沉積模型還包括模型校正，獲取動(dòng)物的吸入實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，基于動(dòng)物的吸入實(shí)驗(yàn)結(jié)果校正呼吸道顆粒沉積模型，得到校正后的呼吸道顆粒沉積模型；

33、可選地，所述模型校正替換為：獲取人體的吸入實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)、動(dòng)物的吸入實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，基于所述人體的吸入實(shí)驗(yàn)結(jié)果校正 g0- g6節(jié)段呼吸道顆粒沉積模型，基于動(dòng)物的吸入實(shí)驗(yàn)結(jié)果校正 g7- g23節(jié)段呼吸道顆粒沉積模型，得到校正后的呼吸道顆粒沉積模型。

34、本發(fā)明的目的在于提供一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其上有計(jì)算機(jī)程序或指令，包括：所述計(jì)算機(jī)程序或指令被處理器執(zhí)行實(shí)現(xiàn)上述的基于節(jié)律呼吸的呼吸道顆粒沉積模型的構(gòu)建方法。

35、本發(fā)明的目的在于提供一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，其包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上的計(jì)算機(jī)程序或指令，所述計(jì)算機(jī)程序或指令被所述處理器執(zhí)行實(shí)現(xiàn)上述的基于節(jié)律呼吸的呼吸道顆粒沉積模型的構(gòu)建方法。

36、本發(fā)明的目的在于提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序或指令，所述計(jì)算機(jī)程序或指令被處理器執(zhí)行實(shí)現(xiàn)上述的基于節(jié)律呼吸的呼吸道顆粒沉積模型的構(gòu)建方法。

37、本發(fā)明的目的在于提供一種呼吸道顆粒沉積分布的預(yù)測(cè)方法，包括：

38、獲取呼吸頻率、潮氣量、顆粒參數(shù)；

39、基于呼吸頻率計(jì)算氣流速度，基于所述潮氣量計(jì)算腺泡的膨脹幅度；

40、將氣流速度、腺泡的膨脹幅度、顆粒參數(shù)輸至上述的基于節(jié)律呼吸的呼吸道顆粒沉積模型的構(gòu)建方法得到的呼吸道顆粒沉積模型中進(jìn)行模型參數(shù)設(shè)置得到設(shè)置完成的呼吸道顆粒沉積模型；

41、通過(guò)設(shè)置好的呼吸道顆粒沉積模型進(jìn)行預(yù)測(cè)得到沉積率及沉積分布。

42、所述方法還包括顆粒物沉積機(jī)制解析，記錄所述顆粒在沉積過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)比對(duì)顆粒沉積機(jī)制標(biāo)準(zhǔn)對(duì)每個(gè)顆粒進(jìn)行沉積機(jī)制標(biāo)記，基于顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡、顆粒的沉積機(jī)制得到不同區(qū)域不同顆粒的沉積機(jī)制；

43、可選地，所述顆粒參數(shù)包括下列的一種或幾種：數(shù)量、粒徑、密度、親疏水性；

44、可選地，所述呼吸道顆粒沉積模型參數(shù)設(shè)置，將氣流流動(dòng)物理場(chǎng)的支氣管及細(xì)支氣管末端的邊界條件設(shè)置為所述氣流速度，將幾何形變物理場(chǎng)腺泡的形變參數(shù)設(shè)置為腺泡的膨脹幅度，在顆粒追蹤物理場(chǎng)中設(shè)置顆粒參數(shù)；

45、可選地，所述參數(shù)設(shè)置還包括將口腔的邊界條件設(shè)置為壓力為零；獲取顆粒碰撞參數(shù)，在顆粒追蹤物理場(chǎng)中設(shè)置顆粒碰撞參數(shù)；

46、可選地，所述沉積率包括下列的一種或幾種：區(qū)域沉積率、總沉積率；

47、可選地，所述區(qū)域包括下列的一種或幾種：咽喉、氣管、左支氣管、右支氣管、左細(xì)支氣管、右細(xì)支氣管、左腺泡、右腺泡。

48、本發(fā)明的目的在于提供一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其上有計(jì)算機(jī)程序或指令，包括：所述計(jì)算機(jī)程序或指令被處理器執(zhí)行實(shí)現(xiàn)上述的呼吸道沉積分布的預(yù)測(cè)方法。

49、本發(fā)明的目的在于提供一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，其包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上的計(jì)算機(jī)程序或指令，所述計(jì)算機(jī)程序或指令被所述處理器執(zhí)行實(shí)現(xiàn)上述的呼吸道沉積分布的預(yù)測(cè)方法。

50、本發(fā)明的目的在于提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序或指令，所述計(jì)算機(jī)程序或指令被處理器執(zhí)行實(shí)現(xiàn)上述的呼吸道沉積分布的預(yù)測(cè)方法。

51、本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)：

52、1.提出一種全尺寸呼吸道幾何模型構(gòu)建方法，針對(duì)顆粒沉積數(shù)值模型模擬顆粒沉積的分段研究，缺少全過(guò)程連續(xù)顆粒沉積運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，進(jìn)行全尺寸呼吸道幾何模型構(gòu)建，通過(guò)影像數(shù)據(jù)對(duì)上呼吸道和下呼吸道上游進(jìn)行三維重構(gòu)，并通過(guò)解剖數(shù)據(jù)進(jìn)行下呼吸道下游進(jìn)行密鋪腺泡的三維重構(gòu)，基于兩部分的三維重構(gòu)得到全尺寸呼吸道幾何模型，有助于后續(xù)全尺寸呼吸道不同顆粒沉積的研究。

53、2.針對(duì)呼吸道在對(duì)顆粒和顆粒、呼吸道、呼吸道微環(huán)境之間的相互作用考慮不充分的問(wèn)題，本發(fā)明對(duì)顆粒在呼吸道的運(yùn)動(dòng)綜合了多種受力影響因素進(jìn)行顆粒運(yùn)動(dòng)模型的構(gòu)建，用于貼合顆粒在真實(shí)場(chǎng)景的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而提高顆粒沉積分布預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率。

54、3.在顆粒沉積數(shù)值模型中增加顆粒碰撞的影響因素，有助于擬合真實(shí)呼吸道場(chǎng)景下顆粒在節(jié)律呼吸的作用下的情形，有利于提高顆粒沉積運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而提高顆粒沉積分布的準(zhǔn)確性，得到準(zhǔn)確的沉積運(yùn)動(dòng)軌跡以及沉積機(jī)制。

55、4.根據(jù)顆粒沉積模型進(jìn)行顆粒沉積預(yù)測(cè)得到顆粒在全尺寸呼吸道中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，得到不同顆粒在不同區(qū)域的沉積情況，不同顆粒的沉積分布及運(yùn)動(dòng)軌跡，并且基于預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行不同顆粒在全尺寸呼吸道的沉積機(jī)制，有助于對(duì)不同顆粒物在呼吸道的運(yùn)動(dòng)情況，既能對(duì)有害顆粒的分布沉積進(jìn)行靶向去除，同時(shí)還能對(duì)于靶向治療的藥物顆粒進(jìn)行療效分析、藥量控制等輔助診斷。

56、5.本發(fā)明在顆粒沉積數(shù)值模型中利用活體吸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校正，提高模型的正確率，降低預(yù)測(cè)誤差。