4.1　DICOM数据直接建模法建立上气道及其毗邻结构的三维有限元模型

随着计算机可视化技术的快速发展，特别是计算机断层射线扫描成像（CT）和核磁共振成像（MRI）技术中二维医学图像的清晰获取，人体不能被完全描述的内部信息以及各脏器不易得到的相对空间中的位置关系，可以通过三维有限元模型的重建得到直观的表达，为医生临床实践提供直观的参照。这些因素促使三维重建技术在医学诊断及研究领域的应用日益增多。有限元分析法的基础是有限元模型的建立，模型的准确与否直接关系到研究的结果和意义。目前，有限元三维建模的方法主要有磨片切片法、三维测量法、图像处理法和DICOM数据直接建模法。

三维有限元用于OSAHS患者气道流场方面的研究比较多。1998年，Shome等人[29]对OSAS患者治疗前后咽腔进行三维重建，模拟吸气时的气流特性，并对流场特性进行比较。2004年，Allen等人[30]建立了小儿OSAHS患者上气道的三维有限元模型，对其气体流场进行了模拟及分析。2006年，孙秀珍等[31]用表面重建的方法对人上气道进行三维重建并用有限元方法对腔体的气体流场进行数值模拟及分析，得出了三维重建能够真实反映实际解剖结构形态的结论。同年，Khaled F等[32]用有限元模型，动态地观测鼻咽横断面积的变化。2009年，王莹、孙秀珍等[33]基于OSAHS患者与正常人上呼吸道螺旋CT影像数据及Weibel模型A的气管—支气管模型，建立了精确量化的上呼吸道生物力学模型，并将患者与正常人的数值模拟结果进行比较，得出患者上呼吸道气流速度、压力和壁面剪切应力的分布以及数值均明显异于正常人。

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，赵燕玲等[49]建立了正常人群和OSAHS患者上气道及其毗邻结构的三维有限元模型，该模型涵盖了下颌骨、舌骨、上气道及其周围连接的肌肉组织结构，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和创造了条件。(https://www.daowen.com)

本实验采用DICOM数据直接建模法，将图像信息直接导入Mimics软件，对DICOM数据进行直接建模。此法简化了CT建模的程序，避免了因反复操作造成数据失真或丢失，真正实现了自动化辅助建模[41]。本实验所建立的上气道及周围组织模型包含了下颌骨、舌骨、舌体、颞下颌关节盘及口咽部肌肉、上气道及与其相连的肌肉结构等。假设各部分结构在加载下不发生相对滑动，限制与颈椎相连的肌肉部分的位移，对下颌骨限制与髁突相连的关节盘表面的位移，限制下颌角部位的位移。实验中，将下颌骨模型中的密质骨和松质骨分别进行单独建模，模型相比以前更精确。采用10节点的Solid 92四面体单元划分单元和节点，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。相较以往的模型，网格划分更为精细，节点更多，模型更为精确。而且本次实验中所加入相关软组织更多，观察相对更为全面。对下颌骨整体加载前伸位移分别为2.60、5.20、7.80、8.84、9.10、9.75、10.40、13.00 mm。

DICOM数据直接导入与三大软件Mimics 10.01、Imageware 10.0、Ansys 8.0的共同应用，避免了数据反复操作过程中的误差或丢失，同时也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，为建立高真实度和精确度的三维有限元模型提供了硬件基础。利用有限元分析法，对该模型加载下颌骨位置变化，观察上气道大小、形态产生的变化，为OSAHS患者上气道形态及病因研究提供一种新的方法，增加对下颌前伸矫治器治疗OSAHS机制的认识，为临床上矫治器的优化设计提供依据。