2.2 建立上气道及其毗邻结构的三维有限元模型
2.2.1 样本来源
根据阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征诊断标准（2007年中华医学会呼吸病学分会制定），以及本实验的纳入和排除标准，选取一名经夜间多导睡眠仪（PSG）监测并确诊为OSAHS的男性患者，AHI为36次/h，Lowest SO2（%）为83.76%，经下颌前伸矫治器治疗有效并自愿停用矫治器3个月，停用期间未接受其他任何治疗。其主要症状有临床打鼾、憋气、呼吸暂停、白天嗜睡，排除了其他导致上气道阻塞的各种解剖或病理因素。
2.2.2 设备条件与软件
设备：美国GE公司Lightspeed pro 16螺旋扫描CT和ADW 4.3工作站软件；Materialise Mimics 10.01扫描数据模拟重建软件（Materialise公司，比利时）；Imageware 10.0逆向工程软件（EDS公司，美国）；Ansys 8.0软件（Ansys公司，美国）。
Mimics是Materialise公司的交互式医学影像控制系统，即Materialise’s interactive medical image control system。它是模块化结构的软件，其基础模块能够导入多种格式（特别是符合DICOM标准的格式）断层扫描图像，建立3D模型进行编辑，然后输出通用的CAD（计算机辅助设计）、FEA（有限元分析）、RP（快速成型）格式，可以在PC机上进行大规模数据的转换处理，是扫描（CT、MRI）等数据与快速成型STL文件格式、计算机辅助设计和有限元分析之间的工具界面。Mimics可以直接读取CT输出的图像信息，并对其进行直接建模，打破了以往CT、MRI等二维断层扫描技术的局限性，将这些图片进行三维重建，是连接断层扫描图片与快速原型制造的桥梁[42]。Mimics具有将影像图片转化成三维实体的功能，同时也具有将三维实体转化成影像图片的逆向工程功能。它提供了多个有限元软件的接口，通过这些接口可以将重建的三维模型输出。Mimics输出的面模型被读入有限元软件进行体网格的划分，从而利用力学求解器求解。本研究中，我们选用Ansys软件进行有限元模型的分析。Mimics三维重建后的模型是面网格格式的模型，所以被读入有限元软件中不能直接进行有限元分析。目前Mimics提供的接口主要有Patran、Nastran、Abaqus、Fluent和Ansys。
Imageware软件是逆向工程软件，由美国EDS公司出品，主要用来做逆向工程。它处理数据的流程遵循点—曲线—曲面原则，其主要处理流程包括点过程、曲线创造过程和曲面创建过程。首先利用三坐标测量仪器测出模型表面点阵数据，并用诸如圆柱面、球面、平面等特殊的点信息将点阵准确对齐，对点阵进行判断，去除噪音点，然后通过改变控制点的数目来调整曲线（控制点增多则形状吻合度好，控制点减少则曲线较为光顺），为后续模型建立做适当修改并判断和决定生成哪种类型的曲面。
Ansys 8.0软件由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国Ansys开发，Ansys软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析等，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线、截面（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。通过Mimics与Ansys的专用接口，可将附好材质的实体模型完整地导入Ansys 10.0，避免了数据转换导致的数据丢失与识别错误。
2.2.3 CT图像数据采集
设备：美国GE公司Lightspeed pro 16螺旋扫描CT。
摄片体位：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，对患者自颅顶至环状软骨下端进行连续扫描，扫描间距0.625 mm，扫描线与颌平面平行。保证拍摄过程中体位不变。共得到218层CT图像，以DICOM格式数据文件刻录存盘。
2.2.4 上气道及其毗邻结构三维有限元模型的建立
将CT扫描所获得的DICOM格式数据文件导入Mimics 10.01软件中，由于该软件难以自动区分扫描方向，需手动设置相应视图方向，设定完成后顺利读入建模数据，此时可以看到轴状面、冠状面、矢状面的三个视图。
基于Mimics强大的图像分割工具，用户可以方便地选定目标组织。Mimics根据灰度值来区分不同组织，它可通过自带的阈值分割技术，对不同组织进行自动识别。灰度值大的组织，阈值就高，因此可以通过设定不同的阈值区间来识取不同的组织，识别出骨（bone）：226-3071、软组织（soft tissue）：-188-151及气道（airway）：-1024-（-490）。准确的阈值设置是提取组织的关键，可以结合视图，检查阈值为当前设定值时提取的组织是否合适。如果阈值最小值设置得太低，会提取许多噪点；反之，阈值最小值设置得太高，会有许多组织丢失[43]。
图1 CT的典型图层
由于CT对软组织识别的局限性，本课题中所需肌肉（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简化方法：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，与下颌骨接触处的肌肉边缘由下颌骨的边缘确定，这一过程主要在Ansys软件内完成。下面以舌骨为例说明建模的过程。
（1）将CT数据导入Mimics软件中，初始界面如图2所示。对原始CT扫描图像进行筛选，选出所需组织所在的CT层面。
（2）点击Segmentation模块中的Threshold进行阈值选取，定义CT值为bone（CT），由此识取出所需的骨组织部分，如图3。
（3）如图6，获得骨组织的原始蒙罩后，就要具体提取舌骨部分，选择轴状面视图，并在舌骨部分选择区域生长，舌骨部分自动显示出黄色区域。
区域生长通过在灰度级中观察两个空间邻接像素之间或像素集合的平均灰度级间的最小差分，从而产生不同的区域。它能将具有相同特征的联通区域分割出来，并能提供很好的边界信息和分割结果。但是噪声和灰度不均一可能会导致空洞和过分割，所以为了不遗失所需组织，并避免给后续分析带来麻烦，有必要对空洞进行填充。
图2 Mimics初始界面
图3 阈值选取
图4 各组织的选取图
图5 皮质骨和松质骨分离
图6 区域生长
图7 区域生长完成
（4）如图8，为了彻底提取出所需要的组织并方便后续计算，需要擦除其他不需要的部分，并对所需要组织进行空洞填充。
图8 空洞填充前后
（5）对舌骨所在的所有层面重复以上操作后，初步的舌骨几何模型就可以建立了。
图9 舌骨几何模型
需要注意的是，这里的舌骨几何模型还只是一个壳模型，不是实体模型，然而之后的分析需要对三维实体模型进行分析研究，因此，要进一步生成体模型，这时要借助其他建模软件。
在进行体模型生成之前，还需要对当前的面模型进行优化光滑处理，并对面单元进行校正，提高单元质量。Magics是Mimics自带的对模型进行重划分的FEA软件[44]，可以有效解决这个问题，大大简化了后续的计算分析。(https://www.daowen.com)
（6）点击FEA模块中的Remesh按钮，自动调用Magics软件。
在工具栏中选择Smoothing和Triangle reduction，分别对模型进行光滑处理和重新划分网格并清除网格质量差的三角片，不仅最大化地优化了模型，而且减少了有限元的分析量[45]。
图10 打开Remesh窗口
Mimics中的Boolean Operations（布尔运算）包括Unite（加）、Minus（减）和Intersect（相交），通过加运算可以实现气道、下颌骨、舌骨的整合。此时，Mimics三维重建后的模型是面网格格式的模型，读入到有限元软件中是不能直接进行有限元分析的。将其以.iges格式导出另存，导入到逆向工程软件Imageware中。
图11 模型光滑
图12 减少质量差的三角片
（7）从Mimics中将文件以.iges格式导出，之后导入Imageware软件，在Imageware中将点云连接成B-spline样条曲线，为之后在Ansys中进一步工作做准备。
图13 点云
（8）选取部分点云。
（9）如图14所示，Creat-3D curve-3D B-spline打开线构建窗口。
（10）如图15，开始构建B-spline样条曲线。
（11）将所有点云连成B-spline样条曲线后，删除点云，只留下样条曲线并保存，所存文件即为下一步过程所要使用的.iges格式文件。
（12）曲面的创建。
（13）重复以上过程，将气道、下颌骨的松质骨和皮质骨、髁突与颞下颌关节盘以及肌肉分别连成B-spline样条曲线。对已生成面模型取点，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，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。此部分点云数量巨大，工作量繁重，生成的曲线以.iges格式保存并导入Ansys软件进行体模型建立。
（14）在Ansys 8.0软件中采用布尔运算等前处理方法将从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。肌肉模型则是利用Ansys中已建立好的骨、肌肉软组织、气道的面通过共面处理获得的简化肌肉模型，该模型真实还原了颏舌肌、下颌舌骨肌、颏舌骨肌等关键肌肉，根据CT片中生理解剖关系进行连接。生成的几何模型如图19所示。
（15）将体网格文件导回Mimics，将图像的CT值与单元材料属性建立函数关系从而给不同的下颌骨单元赋予不同的材质，各单元材料特性依据CT值—密度—弹性模量间的经验关系进行计算，其原理为CT扫描后的颅骨影像数据含有骨灰度值（CT值），在Mimics中，由经验公式根据灰度值可计算出密度，然后由密度求出弹性模量。
图14 打开线构建窗口
图15 构建B-spline样条曲线
图16 打开线构建窗口
图17 曲面构建
图18 面模型
图19 几何模型
表2 材料属性
经验公式中，Gv（Grayvalue）代表下颌骨的灰度值（CT值）。
经经验公式得出，骨的弹性模量为2700 MPa，泊松比为0.3；肌肉的弹性模量为20 MPa，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 MPa，泊松比为0.49。网格采用自动与手动相结合的方式进行划分，单元采用10节点的Solid 92四面体单元，皮质骨、松质骨、肌肉及气道得到的单元数和节点数分别为：562920、50141、336789个单元，544929、84869、303134个节点。
图20 有限元模型
（16）对该模型进行划分网格、加载约束条件后即生成如图20所示的包含上气道、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。