2.2 方法
2.2.1 健康成人上气道及周围结构的三维有限元模型的建立
2.2.1.1 CT图像数据采集
测试对象为一名牙列完整、面型正常的健康青年男性志愿者，测试对象取仰卧位，身体置于床面中间，下颌骨后缘与C2椎体前缘接近，头部两侧对称，勿吞咽和咀嚼，上下齿自然对合，舌尖抵上切牙舌面。颌平面垂直向下，扫描线与颌平面平行进行扫描，连续扫描，层厚0.625 mm。扫描范围：环状软骨下端至眼眶下缘。扫描过程中保持测试对象头部位置固定，头部固定后射线方向与测试对象上气道相对位置保持不变，因而保证了输出的每张CT片其中心点都通过同一长轴，即每张图像坐标位置相对恒定。选取上气道范围的CT图像177层。所得图像以DICOM格式数据文件刻录存盘。典型层如图1所示。
图1 健康成人上气道及周围结构的CT图像
2.2.1.2 Mimics软件简介
Materialise公司的交互式医学图像控制系统materialise’s interactive medical image control system（缩写为Mimics），是显示和分割CT图像以及对图像进行三维重建、渲染的交互工具，此软件也可处理MRI图像。Mimics是扫描数据和快速成型STL文件格式、CAD和有限元之间的接口。Mimics软件是一个拥有三维可视功能的图像处理软件，它支持所有通用的扫描文件格式，另外，作为CAD或有限元网格的接口也可用。其结构如图2所示。
图2 Mimics软件模块关系图
2.2.1.3 三维实体模型的建立
将CT扫描所获得的DICOM格式数据文件导入Mimics 13.0软件中，经过转换后即可打开为3个视图：矢状面、冠状面和横断面，在CT图像上确定需要进行三维成像的组织范围（如图3所示）。
图3 Mimics 13.0软件界面
利用Mimics 13.0软件自带的阈值分割技术，将所需的组织如骨骼、肌肉、气道等通过不同的灰度值进行边缘自动识别，可以分别识别出骨（bone）：226-3071、软组织（soft tissue）：-188-151及气道（airway）：-1024-（-490），经过区域生长法将各个目标结构的边缘识别出来，图4是软组织（舌体部分）的图像。通过阈值分割只能确定所有相似的组织，但是对于本课题感兴趣的组织而言还需要将多余的部分擦除，为此，在该软件中再利用Edit mask模块中的擦除功能将多余的组织擦除，这是一项耗费时间、工作量巨大且需要对所需建模的组织断层图像的解剖结构非常熟悉、将边缘认识清晰的工作。
经过上述编辑方法编辑的图像还无法用于建模，还需要将图像中由于阈值分割而形成的空洞和不光滑边缘进行填充，填充后的图片如图5所示。
填充组织后，利用软件自带的计算功能，即可重建出各个组织的三维实体模型。由于上气道周围相关肌肉比较细小而且起止点比较复杂，在普通的CT影像下分离每一条关键的肌肉是一件极其困难的事，将本课题所关注的四块肌肉（颏舌骨肌、下颌舌骨肌、颏舌肌及舌体）分别建模有困难，因此对肌肉的建模采取如下简化方法：将肌肉和周围软组织作为一个整体进行建模，与气道接触处的肌肉边缘由气道的边缘确定，舌体的边缘由下颌骨的边缘确定，建立的实体模型如图6所示。
图4 经过区域生长处理后的软组织图片
图5 经过空洞填充后的软组织图片(https://www.daowen.com)
图6 各组织的三维几何模型
2.2.1.4 三维有限元模型的建立
在Mimics 13.0的Remesh模块中对上述模型进行网格划分工作。通过Fixing模块中的光顺处理、减少尖锐面及去除零碎面等工作后，将模型中存在的小的碎片、碎面及尖角等去除，这项工作对后续网格划分极为关键，需要反复做多次才可。模型的光顺处理结束后即可进入网格划分阶段。在此阶段，需要先将几何模型划分为面网格，然后再利用Mimics 13.0软件自带的转换功能将面网格转化为体网格，将体网格输出为Ansys软件可以识别的格式即可导入有限元分析软件中进行有限元模型的构建。在此模型的构建过程中，为了能利用此模型观察气道的变化情况，需要将模型中的气道先划分网格，在今后的有限元分析中再定义该模型的材料属性为气道。将三种模型导入Ansys 8.0软件中，所得骨—软组织—气道的有限元模型如图7所示。
所划分的网格单元采用10节点的Solid 92四面体单元，其划分单元数及节点数分别为：骨18594单元，3588节点；软组织29991单元，5622节点；气道14447单元，2939节点。
图7 健康成人上气道及周围结构的三维有限元模型
2.2.2 实验条件假设
在本项目中，为了简化分析计算与建模方便起见，在模型的构建中进行了如下假设与简化：
（1）将下颌骨模型全部作为皮质骨进行建模，未对其中的松质骨进行单独建模，因此，该模型会在今后的计算分析中存在微小的误差。
（2）将连接下颌骨和舌骨之间的肌肉作为整体进行建模，没有对连接肌肉和骨之间的骨膜进行建模，只是在模型中对肌肉与骨的连接部分进行了共面处理，在今后的计算分析中也会带来微小的误差。
（3）所有组织都假定为各向同性、均质材料。
2.2.3 模型的边界约束条件
在今后的有限元分析中，此模型作为健康人体模型，可对其进行力学加载以研究上气道在载荷作用下的各种应力及变形行为。由于该项研究的力学因素鲜有文献报道，因此在本模型中可以考虑以下加载方式：
（1）将下颌骨髁突部分进行三维固定，限制其所有自由度，限制下颌骨的刚性移动，而不限制其转动；
（2）为模拟人在睡眠状态下的力学行为，可以考虑以下颌骨后移作为加载方式，后续将继续这样的研究。
2.2.4 查阅相关文献，建立健康成人上气道及周围结构的有限元模型
有限元模型所用材料的力学特性如表1所示。
表1 有限元模型所用材料的力学特性
