4.1　基于CT图像上气道及其周围结构三维有限元模型的建立

随着科学技术的不断发展，三维重建技术已被广泛用于医学研究领域。医学图像采集技术和图像三维可视化技术的发展，使得基于医学图像建立复杂三维有限元模型将成为人体生物力学研究的重要方向[50]。

建立人体复杂三维有限元模型的方法主要有基于医学图像的建模方法[51]、数字转换器建模方法[52]和三维分割法[53]。其中，医学图像直接反映人体真实的几何形态，加之近年来CT、MRI等医学图像的广泛使用及医学图像获取、可视化技术的快速发展，基于医学图像的建模方法成为建立人体三维有限元模型的主流[50]，它可以帮助我们更好地了解人体结构及各结构在受力后所产生的变化。本实验基于OSAHS患者上气道CT扫描图片，结合三维CT成像处理软件Mimics 10.0，重建出真实的OSAHS患者上气道、下颌骨、舌骨面模型。该面模型真实地展现了OSAHS患者上气道及其周围骨组织的结构及形态。基于此面模型建立的有限元模型具有更好的形态相似性及力学相似性，便于后续加载获得更准确的数据。

近年来随着上气道解剖结构异常对OSAHS发病产生重要作用的揭示，运用三维有限元法对上气道的研究也逐渐增多，以上气道内流场数值模拟为主，对其形态变化的研究较少。2005年，国外Yaqi Huang等[65]建立正常人上气道有限元模型研究解剖因素对咽部塌陷的影响，指出有限元模型是一种推进研究理解OSAHS及其各种不同治疗方法的重要工具。2006年，国内学者孙秀珍等[14]做了人体上呼吸道三维有限元重建与流场数值模拟的研究，证实所建模型较真实地反映了实际解剖结构形态，进而可以为OSAHS的研究提供一种高效的分析方法。2006年，Khaled F等[15]用三维有限元分析方法，对压力及气流进行测量，准确得出健康人清醒或睡眠状态下一个呼吸循环过程中任意时间的鼻咽横断面积，且可以动态观测鼻咽横断面积的变化，证实有限元方法的有效性及准确性。为研究OSA患者咽腔内气流流场特性，2007年Jeong[13]根据CT数据建立了一个流体动力学模型，并进行数值计算，结果表明OSA患者在腭咽处较高的剪切力与压力引起气流的紊乱。2008年，英国学者Nithiarasu P等[16]研究了稳定气流通过人上气道几何模型的切应力及压力，认为口咽、喉咽更易狭窄。这些学者的研究证实三维有限元模型可以真实地反映上气道的结构及形态，有限元法是研究上气道的有效方法。2009年，北京大学学者赵雪岩等[64]利用CT扫描数据，建立一个由硬腭水平位置至气管约第2、3软骨下端的健康成年志愿者的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。但该模型并没有包含与上气道相连接的相关肌肉组织模型，只分析了上气道在不同压力下动态解剖结构的变化，也并未涉及周围组织结构改变对上气道形态产生的影响。(https://www.daowen.com)

以上建立的上气道相关模型多以研究上气道内流体动力学为主，较少涉及上气道形态的动态变化，且几乎较少包括上气道周围组织，尤其是连接上气道、舌骨及下颌骨之间的肌肉组织，而上气道周围组织在上气道形态变化方面起主要作用。2010年，赵燕玲、李松青等建立了正常人群和OSAHS患者的上气道及其毗邻结构的三维有限元模型[66-67]，该模型涵盖了下颌骨、舌骨、上气道及其周围肌肉组织结构，为上气道软硬组织建模相结合的首次探索，为本实验提供了原始经验并创造了条件。

本实验所建立的上气道及其周围组织模型包含上气道、舌骨、下颌骨及口咽部上气道周围主要的肌肉结构。该模型考虑肌肉的牵拉作用对上气道产生的影响，有别于以往模型的建立。对所建立的下颌骨模型进行模型验证，采用文献数据在下颌骨模型上的磨牙、前磨牙及侧切牙上分别加载300、150、60 N的力，限制下颌角和髁突、喙突的刚性位移，对下颌骨进行加载，结果显示髁突颈部、冠突后侧、下颌角等部位为最大应力分布区，形成下颌骨体部至下颌角、下颌骨体部沿后牙牙槽嵴远端下颌支前缘至喙突、喙突及喙突后侧沿下颌切迹至髁突颈部三条应力轨迹线。该结果与以往研究下颌骨应力分布区多位于髁突前斜面、冠突、下颌切迹等部位相一致[68-69]，验证了这种建模方法的有效性。

综上所述，利用Mimics 10.01、Imageware 10.0、Ansys 8.0软件重建OSAHS患者上气道及其周围组织的三维有限元模型，不但简化了以往研究中对CT断层图像处理和转化以提取其边缘轮廓线等繁琐过程，而且尽可能地减少了主观因素所造成的数据和信息的丢失，提高了模型的几何精度和结构相似性。上述软件可实现CT图像与三维模型的转换，可在可视化的界面下对模型进行选取及计算，缩短了建模时间，提高了建模的效率和可操作性。通过此方法成功地建立了表面形态和内部组织结构都与OSAHS患者上气道及毗邻结构高度一致的有限元模型。建立的OSAHS患者上气道及周围毗邻结构三维有限元模型具有良好的几何形态，可任意旋转至各观察角度，亦可进行任意剖面的分割以观察模型内部情况，为后续试验力学加载奠定基础，为研究OSAHS患者上气道生物力学分析打下基础。利用有限元分析法，对该模型下颌骨加载位置变化，观察上气道大小、形态产生的变化，为OSAHS患者上气道形态学研究提供一种新的方法，增加对下颌前伸口腔矫治器治疗OSAHS机制的认识，为临床上口腔矫治器的优化设计提供依据。