2.3 建模步骤
2.3.1 CT图像数据采集
采用美国GE公司Lightspeed（16排）CT机扫描测试对象取材相关部位（甲状软骨至眼眶下缘）进行数据采集，测试对象取仰卧位，身体两侧对称无偏斜，使下颌骨后缘与C2椎体前缘接近，上下齿自然对合，舌尖抵上切牙舌面，摄片过程中勿吞咽和咀嚼。扫描参数如下：球管电压与电流120 kV/230 mA，层厚0.625 mm，连续扫描，扫描线与颌平面平行。扫描过程中保证体位不变。共得到218层CT图像，以DICOM格式数据文件刻录存盘，其CT典型层如图4所示。
图4 CT图层
2.3.2 建立三维有限元模型
将CT扫描所获得的DICOM格式数据文件导入Mimics 10.01软件中，经过转换后即可打开为三个视图：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5所示）。
在软件的分割模块中可以利用各种组织的不同分割识别范围分别识别出骨（bone）：226-3071、-5-135及气道（自定义）：-1024-（-490），由于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：将四块肌肉作为一个整体进行建模，并将与气道接触处的肌肉边缘与气道的边缘重合、舌体的边缘由下颌骨的边缘确定，这一过程主要在Ansys软件内完成。下面以舌骨建模过程为例来说明。
2.3.2.1 首先对图片进行阈值选取（Thresholding），根据重建组织密度范围的不同，选定所要重建组织的种类，该软件会自动得出该种组织的阈值范围，接受这一阈值范围后，便获得该种组织的原始蒙罩，如图6。方法为：点击视图页面中Segmentation中的Thresholding
，将Predifined thresholds set调节为bone（CT）值，对CT图像进行阈值分割，选出骨组织的灰度值，点Apply键进入下一步。
图5 Mimics 10.0界面
2.3.2.2 获得该种组织的原始蒙罩后，所有骨组织都被选取。要想获得感兴趣的那部分组织结构就要运用三维区域生长技术（3D Region Growing），选取欲重建的实体结构区域，进而得到新的蒙罩。方法：在刚才已经分割好的图片上点击
（Region Growing）键，之后点击图片中的舌骨组织，则舌骨组织变为黄色表示被选中，如图7所示。
图6 通过选择阈值选取舌骨
图7 通过区域生长获得舌骨蒙罩
2.3.2.3 通过阈值分割及三维区域生长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。因此，利用软件中Edit mask模块中的擦除功能（Edit）将多余的组织擦除，这项工作耗费时间长、工作量大、要对所需建模的组织断层图像边缘认识清晰，且在识别过程中将产生的空洞填补。图8为舌骨擦除多余组织及填补空洞前后的图片。
图8 填充空洞前后的CT片(https://www.daowen.com)
图9 舌骨3D模型
2.3.2.4 选取舌骨及填补空洞以后，需要在三维实体（3D Object）菜单栏导入新生成的蒙罩并加以运算，获得所选取的实体结构区域的三维重建模型。
方法：点击软件右上图标中的Calculate 3D from Masks，生成三维面模型。此时的三维模型只是面模型，表面并不光滑，需要进一步进行光滑化处理，如图9所示。
2.3.2.5 在The Calculate 3D界面修补图像，应选取更适用于医学图像处理的轮廓内插法，通过减少矩阵、表面光滑、边减少、三角形减少等方式以提高生成三维实体模型的质量。因此，需要在Mimics 10.01的Remesh模块中对上述模型进行减少矩阵、表面光滑、边减少、三角形减少工作，将模型中存在的小的碎片、碎面及模型中的尖角等去除，这项工作对后续网格划分极为关键，需要反复做多次才可。
方法：直接点击Remesh按钮，进入自动网格划分模块，在此模块中重复进行组织的smoothing，ruducing edge（points），remesh，生成以-remesh命名的模型。将该模型导出，另存为.iges格式即可。
运用同样的方法分别重建出各个组织的三维实体模型。本项目中肌肉的边界不清晰，给几何体的构建带来非常大的困难，因此在Mimics软件中只生成下颌骨、舌骨、气道的模型，在之后的步骤中再根据CT图片的具体位置进行肌肉简化模型的构建。所生成模型利用布尔运算将各个几何模型合体，模型如图10所示。
在Mimics中生成的模型以.iges格式导入反求软件Imageware 10.0中对点云数据进行处理，通过降噪、去除突出点等工作，在该软件中对点云数据逐层进行B样条曲线拟合，并利用软件自带的调整曲线的曲率、控制点的位置等方法使曲线光顺，同时生成Loft曲面，用测量模块检验曲面与点云之间的差距，本项目的最大差值为0.0013 mm，能够保证模型具有较高的几何相似性。在该软件中只进行线的拟合，并将几何特征以.iges格式保存以导入Ansys 8.0软件从而生成体模型。
在Ansys软件中将导入的线框格式的骨、气道模型通过前处理模块进行面模型的构建，检查所有模型的连贯性后即可生成体模型。图11为在Ansys软件中通过线、面构建的骨、气道、肌肉模型，其中肌肉模型按照CT中的几何位置采用下颌骨、舌骨、气道已有的表面进行连接生成。为方便后续研究数据提取，所有模型均为模块化模型。
图10 在Mimics软件中生成的骨、气道模型
本项目的材料特性采用Mimics软件自动赋值与文献数据相结合的方式，骨的弹性模量为2700 MPa，泊松比为0.3；肌肉弹性模量为20 MPa，泊松比为0.45；气道弹性模量为1 MPa，泊松比为0.49（软件识别的最大值为0.5，但是Ansys软件只能赋值为小于0.5）。采用自动与手动相结合的方式进行所有体模型的网格划分，单元类型采用10节点的Solid 92四面体单元，骨、肌肉、气道得到的单元数和节点数分别为：214725、38826、22590个单元，317305、60018、30720个节点。有限元模型见图11右下。
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，该模型会给今后的计算分析带来微小的误差。
（2）将连接下颌骨和舌骨之间的肌肉作为整体建模，而未对肌肉和骨之间的连接骨膜进行建模，只是在模型中对肌肉与骨的连接部分进行了共面处理，在今后的分析计算中也会带来误差。
图11 几何模型及有限元模型
（3）设定模型中各材料及组织为连续、均质和各同向性的线弹性材料。