4.3 健康成人上气道三维有限元模型的特点和优点
本研究利用计算机图像处理功能，结合薄层CT断层扫描技术，利用Mimics 13.0软件和Ansys 8.0软件建立了健康成人上气道及周围结构的三维有限元模型，建立的模型包括下颌骨、舌骨、上气道及周围软组织结构。模型建成后，可以通过此模型研究健康成人上气道及周围结构的形态及功能变化，研究OSAHS的发生机制，并结合OSAHS患者上气道及周围结构的三维有限元模型进行对比研究，尝试以三维有限元的手段研究OSAHS，为后期OSAHS模型的建立和生物力学分析奠定基础，这在国内外有关OSAHS的研究中报道还不多。
4.3.1 薄层CT扫描技术在健康成人上气道三维有限元建模中的应用及优点
本研究采用层厚为0.625 mm的薄层CT扫描技术扫描健康成人的上气道及周围结构，所得影像真实可靠，能够全面准确地再现上气道复杂的结构，且获得的上气道形态、结构完整，数据精确。以往建立三维有限元模型时数据采集常采用CT胶片扫描或照相技术，容易导致图像的细节和信息在采集和传输过程中丢失，工作繁重，且建模差异较大，不但影响模型的准确性和质量，而且影响计算结果的准确性。我们采用层厚为0.625 mm的薄层连续无间隔扫描，最大限度地保证了上气道信息的完整、解剖结构的准确，所得扫描信息可以完全准确地再现上气道的解剖结构，确保在此基础上建立的健康成人上气道的三维有限元模型与真实的上气道及周围结构具有高度的几何相似性，确保建立的健康成人上气道的三维有限元模型的准确性及质量。利用螺旋CT自带的工作站的数字图像传输技术，直接由CT机输出扫描图像信息到图像工作站，获得的全部断层图像清晰、真实，这样的操作过程使图像失真、信息丢失的可能性降到了最低限度，充分保证了所采集的上气道及周围组织结构的图像信息与真实解剖结构具有高度的几何相似性。相比于以往采用数字胶片传输信息，采用CT自带的工作站的数字图像传输技术传输信息，方便快捷，信息丢失的可能性大大降低，不仅提高了工作效率，也提高了所建模型的准确性，为后期的工作奠定了良好基础。CT图像中软硬组织的灰度值相差明显，容易识别，可以清晰分辨组织边界，在Mimics13.0软件中可以依据所得CT图片的灰度值自动识别组织边界，大大减轻了工作量，提高了工作效率。
4.3.2 健康成人上气道三维有限元模型建模过程的优点
采用医学CT、MRI图片作为研究对象进行人体组织结构三维有限元模型的建立工作，需要对所感兴趣的组织及器官分别进行数据提取，是一个繁杂、艰难、专业程度要求非常高的过程。
4.3.2.1 传统技术路线建立三维有限元模型的过程
利用专用软件将CT图片转换为其他软件可读的格式，如.bmp格式。这里采用的转化软件一般为医学专用软件DicomWorks，在该软件中可以读取CT片的基本信息如缩放比例、像素值、图片大小、层距、螺旋CT拍摄的机器数据等，同时还可以在该软件中进行降低噪声、增强对比度等操作，以将感兴趣的组织与其他组织以较高的对比度显示出来。所采用的CT片数量较大时需要逐层进行操作，是一件费时且枯燥的工作。
利用专业软件将上述转换格式的图片进行组织分割与数值提取。一般采用Matlab计算软件或专用自制软件，需要将每张CT片上感兴趣的组织分别进行分割，采用人工取点的方式依次辨认每层CT片数据上的组织，遵循“陡密疏缓”的原则在组织边缘进行打点工作，该工作的结果以文本格式中的三维坐标形式给出。这项工作要求打点人员熟悉解剖结构、课题要求及力学模型的构建及分析过程，按照一定取点顺序和规则进行相关组织边缘的数据提取工作。此项工作中经常犯的错误是所打的点无法满足后续建模要求，比如打点时要求同一组织在相邻两层CT图片中取点数量相近，否则容易出现两条曲线在空间无法生成平滑曲面的现象；打点时要求取点位置在相邻的上下CT片中近似，否则建模时会出现曲面扭曲的现象；一些细小的组织如突起、凹坑等很容易因为点数量多而被忽略，不予考虑建模等，导致模型与生理解剖结构差异较大，因此这一过程对工作人员要求非常高，一般由工程类反求工程人员执行。
将从上一步骤得出的文本格式的点坐标值导入反求工程软件Imageware中进行点的重新排列、拟合、光顺处理等工作，完成从坐标值—点云—B样条曲线—自由曲面的构建过程，该过程称为“反求”，亦即几何模型的获得是从点到线再到面的过程，与一般CAD软件构建模型的过程相反，因此处理方式也异于通常意义上的CAD（Computer-Aided Design，计算机辅助设计）建模过程。该过程中要求建模人员依次调整每个点的位置从而实现上下两层图像之间的曲面光滑，以方便后续分析与计算，因此，在大量点被人工修改后很多组织已与原来打点时的外廓有很大差异。
面模型构建后，需要将上述模型导入专用的大型CAD处理软件如pro/E、UG、SolidWorks等中进行体模型构建及修改。将模型中明显变形的线、面进行修改使其外形显得光滑，然后生成体模型。这里的体模型是指能够在封闭模型中充满材料的模型，面模型则是指仅仅包含表面轮廓的薄层组织，我们分析的组织大部分都是体模型，因此要将体模型生成后再进行分析与计算。
将上述体模型存为有限元软件如Ansys、Abquas等可读的格式，一般为.iges格式。.iges格式为以线框显示的文件格式，通用性较高，是一般计算软件和CAD软件的通用格式。在有限元软件中检查模型，修补破损的面、线等，对模型进行合并等工作，然后进行有限元模型构建。在这里需要查阅文献或者做实验得出各个组织的材料属性如弹性模量、泊松比等参数值，采用一定的单元类型进行网格划分，添加约束与载荷后即可进行分析与计算。
上述过程即为传统反求工程常采用的建模过程与方法，从以上可以看出在建立模型的过程中存在如下问题：(https://www.daowen.com)
工作量大，对工程人员的医学解剖要求较高（或对医学工作人员的工程背景要求极高）。在层厚为0.625 mm的CT片中共有177张需要进行取点工作，工作量大，要求取点人员熟悉软件和组织，在提取过程中能清楚地理解所取得的点对后续分析及建模过程的影响，这在生物医学工程领域中要求非常高。
人工干预过多，造成组织几何相似性不高。生物医学工程中的有限元力学分析结果很大程度依赖于模型的几何相似性，若组织的几何模型在构建过程中只为了光顺处理就可丢失很多特征，从而影响有限元的计算结果。在传统建模过程中，模型的边缘识别、特征点提取、曲线曲面构建全部依赖人工，而为了模型的表面光顺则会在构建模型过程中进行点、线的手动修改，这种修改只基于模型的光滑而牺牲模型的解剖结构。因此，在用传统方式进行建模过程中，手工干预的大量使用使模型的几何相似性不高。
建模过程繁琐，设计软件门类多，对设计人员限制较大，分析过程长。由于医学研究的对象是各类器官，其形状不规则、形态不统一，因此在建模时需要调用各类行业软件，如在上述建模过程中用到了计算软件（Matlab）、反求工程软件（Imageware）、CAD（Pro/E、UG、SolidWorks）、CAE（Ansys）等四大类行业软件，仅仅是软件的学习就是一项艰苦而漫长的工作，不符合医学研究的实际要求。各类软件的使用技巧和方法对医学工作人员是一项巨大挑战，因此一般都是寻求与工科合作，这样就在研究过程中削弱了医学研究的基础。
4.3.2.2 Mimics13.0建立健康成人上气道及周围结构的三维有限元模型的过程
将薄层CT扫描信息导入图像处理软件Mimics 13.0中。Mimics 13.0是比利时Materialise公司最新研发的产品，除了能导入显示医学图片外，还可以实现模型的构建与网格划分。在此软件中，不需像前述过程转换CT图片的格式和大小，可以较为方便地进行数据导入工作。
在该软件中对CT图片进行重新排序，为了降低工作量，可以去除不需要的图片，还可将增强图片的对比度、过滤噪声等工作一次性完成。
在该软件的Edit命令中选用Threshold将感兴趣的组织依次根据阈值进行识别。在该软件中通过阈值设置将组织以不同颜色高亮度显示，通过拖动鼠标观察所有图层的组织是否点亮，如已点亮即可实现分割。同时该软件还具有区域生长等功能，能够对感兴趣的组织边缘进行动态生长，获得较好的外形数据。将所选用的CT图片进行分割后还可以用编辑命令对组织进行修改，如上气道周围有许多骨组织，只需保留下颌骨和舌骨，其他骨组织则可用软件自带擦除功能进行去除，也可以对边缘识别不太清晰而又确实是目标组织的解剖结构进行补选，以使其能够尽量精确地显示CT中的组织边缘。
对各个组织分别进行构建，并填充其中的空洞等。由于软件在识别CT图片时是基于灰度值进行选择的，有些组织由于灰度值误差而出现空洞，这就需要建模人员在熟悉解剖结构的基础上对图片进行填充。由于Mimics 13.0建模时采用的方式是层积式，所以要耐心地将每一层图像的空洞进行填充以避免在网格划分时出现组织误差而无法实现有限元模型的构建。当所有工作结束后，利用软件自带的三维建模功能键即可对已编辑好的图片生成三维实体模型。
在remesh模块中进行模型的光顺处理、减小不规则面及尖角处理，划分面网格，将面网格转换为体网格。Mimics 13.0新增功能之一就是可以将面网格转换为四面体单元的体网格，该网格可作为有限元分析时的单元及其上的节点进行有限元计算。若模型中的碎面、尖角、空洞过多致使网格无法划分，必须返回建模程序进行模型修改后才能进行，因此在此模块中可以同时进行模型检查。
在Mimics 13.0中还可以根据所选组织对各材料属性赋值。在Material模块中将划分好网格的模型导入，即可通过程序运算计算出组织的弹性模量和泊松比，该值可作为后续有限元分析的材料属性进行赋值，然后导入有限元软件Ansys中进行有限元模型构建。在Mimics软件中划分的网格模型导入Ansys中后有些单元会出现错误连接，即相邻两单元的边不重合等，这样会影响后续计算过程中的数据传递，所以要在软件中进行网格检查，显示出错误单元后进行修复与修改，然后建立有限元模型。
上述在Mimics软件中进行的建模过程依赖程序计算组织的灰度值进行组织边缘识别，避免了在建模过程中随意改变组织边缘、组织形状等缺陷，而且该软件可以对CT片实现批处理，大大降低了劳动强度，但同时要求建模人员对组织的识别能力较强，这种建模过程能尽可能减少人工干预，最大限度地保留解剖结构中的微小几何特征，可以使下颌骨上的颏孔、棘突等特征在该模型上清晰可现，这部分特征在进行手工建模时基本被忽略。因此，采用Mimics建模有较高的几何相似性，可为后续有限元分析过程打下良好的基础。