2.3 三维有限元模型的建立
2.3.1 基础图像数据的采集
选用美国GE公司Lightspeed pro 16螺旋扫描CT机，扫描测试对象甲状软骨至眼眶下缘这一实验需要区域。摄片体位：志愿者取仰卧位，身体平直左右对称无偏斜，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，扫描间距为0.625 mm，扫描线与颌平面平行。扫描过程中保证拍摄过程中体位不变。共得到218层CT图像，以DICOM格式数据文件刻录盘，如图1。
2.3.2 下颌骨、颞下颌关节、上气道及其周围结构的三维有限元模型的建立
将扫描所获得医学数据影像以DICOM格式文件导入Mimics 10.0软件中，软件打开后可见4个视图窗口：矢状面（侧视图）、冠状面（前面视图）、横断面（顶面视图）和3D视图（如图2所示）。根据实验需要手动设置相应视图方向，设定完成后顺利读入建模数据。
图1 CT典型图层
图2 Mimics 10.0界面
Mimics 10.0软件中具有分割模块功能可以根据各种组织不同的灰度值来分割识别各类组织，依据其具有的阈值分割技术来判断，根据不同组织间阈值大小不同来设定不同的阈值区间进而识别不同组织，骨（bone）：226-3071、-5-135及气道（自定义）：-1024-（-490）与软组织（soft tissue）：226-3071。阈值设置应准确，否则会影响组织的提取，造成组织丢失或噪点过多。本次研究所关注的颞颌关节及关节盘涉及其相关联的较多肌肉（咬肌、颞肌、翼内肌、翼外肌），在CT中对所需要的肌肉分别建模已保证模型的准确性，肌肉的边缘由下颌骨边缘确定，这一过程主要在Ansys软件内完成。下面以关节囊模型建模过程为例来说明。
（1）将CT数据导入Mimics软件中，对原始CT图像进行扫描筛选，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。方法：点击视图页面中Segmentation中的Thresholding
，将Predifined thresholds set定义CT值为soft tissue（CT），点Apply键进入下一步，由此识别出所需的软组织部分，如图3。
（3）获得软组织原始蒙罩后，就要具体提取关节盘部分，选择轴状面视图。方法：在刚才已经分割好的图片上点击
（region growing）键，并在关节盘部分选择区域生长，关节盘部分自动显示出红色区域，如图4。
图3 软组织原始蒙罩
图4 感兴趣组织新蒙罩
（4）为了在大量组织结构中选出实验所需要的组织为其后计算建立基础，需要擦除不需要的结构。方法：利用软件中Edit mask模块中的Edit，以擦除功能将多余组织擦除，需要我们对所需组织结构解剖形态清晰，并对所需要组织进行空洞的填充，如图5。
图5 空洞填补前后对比
（5）对关节盘所在的所有层面重复以上操作后，初步的关节盘几何模型就可以建立，如图6。
图6 关节盘几何模型
注意的是，此时的关节盘几何模型还不是实体模型，为了之后的分析需要，需将现所得到几何模型在其他相关实验软件中进行更为复杂和精细的处理。
此时所得到的几何模型粗糙模糊，因此需要对现有的几何模型进行全面细化，使其变光、变顺。对模型的各个面和边缘进行微调，使模型质量进一步提高。Magics软件中是带有使模型表面光顺功能的，而Magics中的FEA功能[41]可对模型进行划分，方便其后的数据分析处理。
（6）在Mimics软件中识别出所有软组织，此处给出所有包含肌肉、气道、关节囊和关节盘在内的所有组织，以STL格式输出到Geomagic 12软件中，如图7。
图7 关节盘及肌肉面模型
（7）在Geomagic软件中经过去除噪声、平滑、去除特征等网格，医生操作后，将模型光顺如图8、图9，（图8：肌肉及关节盘、关节囊模型；图9：包含气道及周围肌肉的模型），存为STL格式。
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图8 肌肉及关节盘模型
图9 包含气道及周围肌肉的模型
（8）将光顺过的模型以STL格式导入Mimics软件中，用Poluyline命令将其进行切割，对模型进行网格划分，以上模型处理在尽可能优化了模型的同时，也简化了模型进行有限元分析的工作量[42]。运用同样方法分别重建出所需各个软组织的三维实体模型获得IGES格式后输入到逆向工程软件Imageware 13中，如图10。
图10 Imageware 13中
通过Mimics中的Boolean Operations（布尔运算），可以实现下颌骨、颞下颌关节、气道及周围组织的整合，主要运用运算中包括Unite（加）、Minus（减）和Intersect（相交）等公式。经由Mimics三维重建后的模型并不能直接在有限元软件中进行读取和分析，相关图像以.iges格式导出另存，导入到逆向工程软件Imageware中。
（9）在Imageware中IGES格式的所有模型以线框方式显示，如图11。
图11 Imageware中线框图
（10）在Imageware中对每层图线根据解剖结构进行组织线条的光滑及剪切工作，以获得公共表面的线段，方便在Ansys软件中采用从底到上的方式建立几何模型，如图12。
图12 构建B-spline样条曲线
（11）重复以上过程将下颌骨、下颌骨的松质骨和皮质骨、髁突和颞下颌关节盘，以及肌肉分别连成条曲线。对已生成面模型取点，此时在软件中需要对模型的曲线、曲面进行拟合，在拟合操作的同时改变点、线的部分位置，使生成的模型表面更加光滑、平顺。此部分工作由于点云数量巨大，工作量繁重，生成的曲线以IGES格式保存以导入Ansys软件进行体模型建立。
（12）在Ansys构建：关节盘、关节囊、下颌皮质骨、下颌松质骨、颞肌、咬肌、翼内肌、翼外肌、上气道硬腭平面、舌骨、牙根。获得面模型如图13。
（13）在Ansys中建立好模块化几何模型，如图14。
图13 面模型
图14 几何模型
（14）在Ansys中划分网格后施加边界条件，获得有限元模型，如图15。
图15 有限元模型
（15）将体网格文件导回Mimics中，赋予模型中不同解剖部位不同的材质常数，根据已有的灰度值求出相关组织的弹性模量。
依据以上计算过程，得到骨的弹性模量为2 700 MPa，泊松比为0.3；肌肉弹性模量为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，见表2。自动与手动相结合的模型网格处理，得到所需模型相关组织结构的所有单元数和节点总数为：280 360个单元，590 195个节点。
（16）对该模型进行划分网格、加载约束条件后即生成的包含下颌骨、颞下颌关节、上气道及周围组织的三维有限元模型。为方便实验后数据读取与结果的实现，全部采用模块化模型。
表2 所需组织结构的材料常数
