2.3 三维有限元模型的建立
2.3.1 CT图像数据采集
采用美国GE公司Lightspeed（16排）CT机，对测试对象进行数据采集。摄片体位：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，头部两侧对称，勿吞咽和咀嚼，上下齿自然对合，舌尖抵上切牙舌面。扫描范围：甲状软骨至眼眶下缘。颌平面垂直向下，扫描线与颌平面平行进行连续扫描，扫描过程中保证体位不变，保证输出的每张CT片的中心点都通过同一长轴。扫描参数：球管电压与电流120 kV/230 mA，层厚0.625 mm。共得到218层CT图像，如图1所示，以DICOM格式数据文件刻录存盘。
图1 OSAHS患者上气道CT图像
2.3.2 三维有限元模型建立过程
将CT扫描所获得的DICOM格式数据文件导入Mimics 10.01软件，转换后可见矢状面、冠状面和横断面视图。在CT图像上分别确定需要进行三维成像的组织范围，如图2所示。
图2 导入Mimics 10.01后的颅骨CT
在软件分割模块中利用各种组织的不同分割识别范围可以分别识别出骨密质（bone）：226-3071；气道（自定义）：-5-135；肌肉：-1024-（-490）。由于本课题所关注的颏舌骨肌、下颌舌骨肌、颏舌肌分别建模有困难，因此将肌肉作为一个整体进行建模，同时为了更接近真实解剖结构，建立了气道周围软组织模型；气道周围肌肉组织建立至颈椎结合面处，在Mimics软件中利用编辑功能选取对应的组织和区域，输出为.iges格式后输入反求工程软件Imageware 10.0进行线框模型的构建。根据结构要求进行每条线上控制点的移动获得比较光顺的B样条曲线，将所有模型曲线依然以.iges格式导入有限元分析软件Ansys中进行面、体模型的构建。本课题所建立的模型包括下颌骨（骨密质、骨松质）、颞下颌关节盘、舌骨、气道（从硬腭平面至第3颈椎平面处）、肌肉（包含软腭、硬腭、下颌骨—舌骨—气道—1～3颈椎连接的肌肉组织）。
下面以下颌骨面模型的建模过程为例说明。
对图片进行阈值选取（Thresholding）：根据重建组织密度范围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。具体操作方法：点击视图页面Segmentation进入Thresholding，将Min设置为226，Max设置为3071，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3所示。
获得骨组织的原始蒙罩后，所有骨组织都被选出。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。具体操作方法：在刚才已经分割好的图片上点击region growing键，点击图片中的下颌骨组织，与下颌骨同样灰度值的组织变为黄色表示被选中，如图4所示。
图3 阈值选择后骨组织的原始蒙罩
图4 通过区域生长获得的新蒙罩
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，并在擦除多余组织过程中将产生的空洞填补。具体操作方法：通过Edit mask模块进入Erase，利用擦除功能将多余的组织擦除；再通过Edit mask模块进入Draw，利用填补功能将产生的空洞进行填补。这项工作需要对所需建模的组织断层图像边缘有清晰的认识，如图5所示。
完成下颌骨选取及填补空洞后，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，需要进一步光滑化处理。在光滑化过程中需选取更适用于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、三角形减少等方式提高生成三维实体模型的质量。具体操作方法：点击软件右上图标中的Caculate 3D from Masks，生成三维面模型，运用上述方法在Mimics 10.01软件中分别重建出下颌骨、舌体、舌骨、上气道、颞下颌关节盘的三维面模型（如图6所示）。
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图5 下颌骨的骨密质、骨松质分离
图6 三维面模型
将得到的实体以.iges格式导出另存。打开Imageware逆向工程软件并将其导入，此时得到的是所有组织的点云数据，对点云数据进行分层、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。将生成的曲线以.iges格式保存，以便导入有限元模型进行体模型建立，如图7所示。
图7 点云图、线框图
将从Imageware中得到的曲线模型在Ansys 8.0软件中运用布尔运算等前处理方式使模型连接为面，生成体模型，即可得几何模型。在几何模型构建过程中，需要区分不同组织和结构的边界，利用从下至上（Down to Up）的方式，利用B样条曲线生成自由曲面，然后生成体模型的方法建立上述各个组织模型。需要注意的是肌肉模型在建立过程中，因为肌肉要与各个组织连接，所以其连接与位置关系极其复杂。同时为了减小分析模型的大小，需要将模型建立为模块化模型，通过共面方式连接所有组织，共生成25个体模型。生成的几何模型如图8所示，然后对该模型进行网格划分，定义材料常数见表2。
表2 模型定义材料常数
采用10节点Solid 92单元、自由网格划分，骨密质、骨松质、肌肉和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。
加载约束条件：在下颌骨密质骨牙位上施加位移载荷，得到有限元模型，如图9所示。
图8 几何模型
图9 有限元模型
2.3.3 在模型构建中进行的假设与简化
将下颌骨模型分为骨密质和骨松质进行建模，因此模型的几何相似度比前期已有的模型要高。
将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，在今后分析计算中会带来微小的误差。
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。