4.5　健康成人上气道及其周围结构三维有限元模型的优点和不足

本模型采用螺旋CT扫描图像处理法，其照片准确、安全、无创伤、分辨率高，所得到的断层信息可较清晰地显示骨骼、肌肉、气道等结构，并且各断层是层厚为0.625 mm的连续扫描，这使从CT扫描片通过图像的数据化建立的有限元模型更具有可靠性与真实性。在本模型的建立中，只选择了与下颌骨、舌骨有联系的肌肉与软组织、上气道作为研究对象，与上气道的大小变化关系不大的其他组织一概略去，简化了模型，提高了建模的精度，为后期有限元分析计算提供了方便，使其在后期的力学加载中，简化了计算，精简了不必要的干扰因素，使计算结果更便于分析，且不影响计算结果的准确性。在建模过程中利用软件自带的阈值分割技术，通过规定组织的灰度值范围将所需的组织如骨骼、肌肉及软组织、气道通过不同的灰度值进行边缘自动识别，提高了建模的效率，减少了主观因素的影响。本研究网格划分是通过软件自带的网格划分功能实现的，所以具有通用性；使用的有限元软件是Ansys 8.0，建立的有限元模型与实体具有良好的几何相似性与逼真的组织形态结构，并且可以根据不同研究目的和要求添加各种不同的材料或组织，为今后进一步的研究奠定了基础。在目前查阅的有关上气道三维有限元建模的文献中，2005年国内学者孙秀珍等进行的人体上呼吸道三维有限元重建与流场数值模拟的研究，采用表面重建的方法对5名健康志愿者的上呼吸道进行了三维重建和相应的有限元剖分，应用此模型对上呼吸道的流场进行了数值模拟，研究重点是气体流场的分析。2009年北京大学工学院生物医学工程系荣起国、赵雪岩等学者进行的阻塞性睡眠呼吸暂停综合征的生物力学研究，建立了一个由硬腭水平位置至气管约第2、3软骨下端的人体上气道三维有限元模型，采用睡眠呼吸暂停综合征（OSAS）事件发作期间上气道内典型压力曲线和最大压力曲线，分别对模型上气道表面施加动态载荷，分析解剖结构和生理过程之间的关系。我们建立健康成人上气道及其周围结构的三维有限元模型，选择的目标组织为下颌骨、舌骨、上气道及周围软组织，后期实验中直接在下颌骨或舌骨上加载，直观地观察下颌骨、舌骨的位置变化对上气道的影响，利用三维有限元方法研究OSAHS的发生机制，为口腔矫治器治疗OSAHS提供理论指导。孙秀珍等进行的人体上呼吸道三维有限元重建与流场数值模拟的研究，是从呼吸内科的角度研究气体流场，重点是气体在上气道中流动的特点及规律。我们建立的健康成人上气道及周围结构的三维有限元模型是从口腔科的角度建立包括下颌骨、舌骨、上气道及其周围结构的三维有限元模型，目的是后期借助此模型利用三维有限元方法研究下颌骨的移动对上气道大小形态的影响，并研究与下颌骨相联系及与下颌骨移动关系密切的肌肉在上气道大小形态变化中所起的作用，尝试以三维有限元方法研究OSAHS可能的发病机制，为临床治疗OSAHS提供更加丰富的理论依据。以上几位学者都是以研究OSAHS为目的，选择健康志愿者的上气道作为研究对象，我们采用的方法与他们相同。我们建立的健康成人上气道及其周围结构的三维有限元模型是从研究OSAHS的角度出发，只选择了与上气道形态变化密切相关的下颌骨、舌骨、上气道及周围的软组织，简化了模型的构成，为后期在下颌骨上加载奠定了基础，突出了后期研究的重点，为后期的计算减少了干扰因素，简化了计算过程及分析的内容，对计算结果却不会产生大的影响，为利用三维有限元这一最先进的工具研究OSAHS进行了有益的尝试，这在OSAHS的研究中还极为少见。三维有限元在口腔领域中被广泛采用，但绝大部分是用来研究硬组织结构及口腔材料，涉及软组织的还很少。我们建立的健康成人上气道及其周围结构的三维有限元模型将软组织与骨组织都纳入研究范畴，并将二者联系在一起，可以探讨相关肌肉在下颌骨移动中的作用，这在上气道三维有限元模型中还不多见。

三维有限元模型的几何相似性是所建立的三维有限元模型是否具有研究意义的关键所在。本研究采用Mimics 13.0软件建模，利用其自带的阈值分割技术对CT片中不同组织的不同灰度值进行自动识别，避免了以往建模过程中的人为干预，保证了模型高度的几何相似性，为后期分析计算奠定了基础，保证了计算结果与真实人体组织的相似性。(https://www.daowen.com)

连接上气道及下颌骨、舌骨的肌肉、软组织在调节上气道的大小形态中起着非常重要的作用，但由于这些肌肉比较细小而且起止点非常复杂，目前在普通CT影像下分离每一条关键的肌肉是一件极其困难的事，因此目前只能把肌肉和软组织作为整体建模，不能区分出重要的肌肉并进行单独的加载实验，这是本模型的不足之处，期望能够在今后的工作中找到新方法来分离这些肌肉，以建立更加接近真实的上气道模型。

本研究通过较为成熟、容易操作的Mimics 13.0图像处理软件及Ansys 8.0三维有限元专用软件，建立了包含下颌骨、舌骨、上气道及其周围结构的健康成人上气道三维有限元模型，实现了CT图像与三维模型的转换，在可视化的界面下对模型进行修改，缩短了建模时间，提高了建模的效率和可操作性。此模型的建立为OSAHS的研究奠定了坚实基础，为研究OSAHS探索了全新的方法和手段。