2.3 建立三维有限元模型
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，患者取仰卧位，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：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3所示。
图3 OSAHS患者上气道CT图像
2.3.2 三维有限元模型建立的过程
将CT扫描所获得的DICOM格式数据文件导入Mimics 10.0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图像上分别确定需要进行三维成像的组织范围，如图4所示。
图4 Mimics10.0界面
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肌肉（颏舌骨肌、下颌舌骨肌、颏舌肌）分别建模有困难，因此对肌肉的建模采取如下模拟方法：将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和气道的边缘重合，与骨接触处的肌肉边缘由骨的边缘确定，这一过程主要在Ansys软件内完成。下面以下颌骨面模型的建模过程为例来说明。
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，该软件将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。方法：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，如图5所示。
获得该种组织的原始蒙罩后，所有骨组织都被选取。要想获得我们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，之后点击图片中的下颌骨组织，则下颌骨同样灰度值的组织变为黄色表示被选中，如图6所示。
图5 骨组织原始蒙罩
图6 感兴趣组织新蒙罩
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Edit键，将多余的组织擦除，这项工作耗费时间长、工作量巨大且需要对所需建模组织断层图像的解剖结构非常熟悉，将边缘认识清晰，并在识别过程中将产生的空洞填补。图7为选取下颌骨组织过程中填补空洞及擦除多余组织前后的图片。
选取下颌骨及填补空洞以后，需要在三维实体（3D Object）菜单栏导入新生成的下颌骨蒙罩并加以运算，以获得所选取的实体结构区域的三维重建模型。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。在光滑化处理过程中需选取更适合医学图像处理的轮廓内插法，通过矩阵减少、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。(https://www.daowen.com)
图7 下颌骨填补空洞及擦除多余组织前后对比图
方法：点击软件右上图标中的Caculate 3D from Masks，生成三维面模型，再点击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命名的光滑后的面模型，将该模型导出，另存为.iges格式即可，见图8。
图8 下颌骨三维实体模型光滑前后对比图
本实验运用以上方法在Mimics软件中分别重建出各个组织的三维面模型，利用布尔运算将所生成的各个面模型合体，合体后模型如图9所示。由于肌肉组织复杂、边界不清晰等特点，在Mimics软件三维重建过程中并没有建立肌肉模型，需待后续在Ansys软件中建立肌肉模拟模型。
此时得到的整体模型为面模型，将其以.iges格式导出另存。此时的面模型不能进行修改，故我们将其导入逆向工程软件Imageware中，对已生成的面模型取点，对模型点云进行分层、对齐、去噪等处理后，在该软件中进行B样条曲线拟合、自由曲面拟合，同时在拟合过程中可以改变曲线或点的位置，使生成的曲面更趋于光滑。生成的曲线以.iges格式保存，以导入有限元模型进行体模型建立。
图9 建立的上气道、下颌骨、舌骨三维面模型
在Ansys 8.0软件中采用布尔运算等前处理方式将以上从Imageware中得到的曲线模型连接为面，进而生成体模型，即可得几何模型。由于肌肉边缘不清晰、连接点不明确，建模过程较为复杂，我们采用在Mimics中将下颌骨、舌骨、气道整合好，再在Ansys中利用已建立好的骨、气道的面通过连接获得肌肉的模拟模型，模拟颏舌肌、下颌舌骨肌、颏舌骨肌等关键肌肉，肌肉模型分为三块，从上至下依次为：气道与下颌骨之间、舌骨与下颌骨之间、气道与舌骨之间的肌肉。根据CT片中生理关系进行连接，生成的几何模型如图10（a）所示。对该模型进行划分网格、加载约束条件后即生成如图10（b）所显示的包含上气道、舌骨、下颌骨及周围肌肉的三维有限元模型。为方便实验后数据的读取与结果的实现，全部采用模块化模型。
依据Mimics软件自动赋值功能：骨的弹性模量为2700 MPa，泊松比为0.3；肌肉弹性模量为20，泊松比为0.45；由于气道为空腔结构，根据以往文献报道选取气道弹性模量为1，泊松比为0.49。网格采用自动与手动相结合进行划分，单元采用10节点的Solid 92四面体单元，骨、肌肉、气道各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，如图10（b）所示。
图10 几何模型和有限元模型对比图
在本研究中，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误差。
（2）连接下颌骨和舌骨之间的肌肉作为整体模拟建模，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微小的误差。
（3）设定模型中各材料和组织为连续、均质和各向同性的线弹性材料。