Construction of the Three-dimensional Finite Element Model of the Upper Airway and Vicinity Structure of a Healthy Adult
ABSTRACT
Objective:There is a high incidence of obstructive sleep apnea and hypopnea syndrome（OSAHS）in common people, it affects patient's living quality and health severely.It can lead to obstructive sleep apnea and hypopnea syndrome when anywhere is narrow or block in upper airway.It is a basis to study healthy adult's upper airway for studying upper airway of a patient of OSAHS.Our study was to construct a three-dimensional finite element model of the upper airway and vicinity structure of a healthy adult.
Methods:We chose a healthy young man who has no tooth lack as a test target.We scanned target's upper airway and vicinity structure continuously with thin-section CT scanning.It was 0.625 mm per section and obtained 177 section images.The images preserved in DICOM pattern.The section images of a healthy adult's upper airway acquired by thin-section CT scanning and digital image processing were utilized to construct a three-dimensional finite element model by Mimics and Ansys software.
Results:A satisfactory three-dimensional finite element model of a healthy adult's upper airway and vicinity structure was constructed which including bone:18594 elements, 3588 nodes; soft tissue:29991 elements,5622 nodes; upper airway:14447 elements,2939 nodes.
Conclusion:It is feasible, accurate and flexible to establish the three-dimensional finite element model of a healthy adult's upper airway and vicinity structure by means of thin-section CT scanning technology and Mimics and Ansys software.It is a basis for more analysis of OSAHS.
Key words:upper airway; three-dimensional finite element model; thin-section CT;Mimics software; Ansys software
1引言
上气道（upper airway）是指鼻咽顶至环状软骨下端之间的上呼吸道，它是人体内气体进出的通道。特殊的解剖结构，使其成为阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征（obstructive sleep apnea and hypopnea syndrome, OSAHS）发病的重要部位。上气道中的咽部是气道中的软性管道，其上的鼻腔和其下的气管都由骨性或软骨性结构支撑，而咽部缺乏骨性或软骨性结构的支撑，因此咽部的解剖结构决定了咽部是OSAHS患者上气道发生阻塞的重要区域。呼吸道畅通，呼吸运动才可正常进行，如果通道受阻，就会引发病变。OSAHS发生的主要机制是在睡眠期间由于多种原因引起上气道阻塞或通气不畅，造成呼吸暂停，导致低通气及睡眠紊乱。上气道通畅或塌陷是上气道内负压与上气道扩张肌功能相互拮抗的结果。吸气时横膈肌及肋间肌的扩胸作用产生上气道内负压，同时上气道扩张肌随呼吸周期有节律地收缩对抗负压以维持上气道通畅。由各种不利因素导致上气道负压大于扩张肌收缩力时，则上气道塌陷。大量研究证实，绝大多数OSAHS患者气道阻塞部位位于上气道中软腭和舌根后方的口咽部。因此，对上气道的研究成为研究OSAHS发生机制的重要方面。OSAHS由于发病率逐年升高，对健康的危害越来越大，具有潜在的致死性，近年来受到了医学界的广泛重视，而作为健康人群的上气道研究也逐渐得到重视。只有以健康人群的上气道研究为对照，才能显示OSAHS患者上气道的异常。深入研究健康人群与OSAHS患者上气道的差异，才可能找到OSAHS可能的致病原因，为治疗提供指导。
睡眠呼吸暂停综合征（sleep apnea syndrome, SAS）由美国学者Guilleminault于1976年首次提出，其定义为：在大约7小时的睡眠中，反复发生呼吸暂停在30次以上或平均每小时睡眠呼吸暂停超过5次以上。睡眠呼吸暂停可分为三种类型，即阻塞型、中枢型、和混合型，其中以阻塞型最多见。临床上绝大多数呼吸暂停患者同时伴有低通气（hypopnea）。低通气指口鼻腔呼吸气流降低50%以上，并伴有4%以上的血氧饱和度下降。近年来学者们多采用阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征（OSAHS）这一概念[1]。OSAHS以睡眠期间上气道反复发生阻塞引起呼吸暂停为特征，导致低通气及睡眠紊乱，一般表现为睡眠打鼾、低氧血症及白天嗜睡等，在人群中发病率较高，严重影响患者的生活质量和身体健康。Young的流行病学调查结果显示[2]，在美国OSAHS的发病率男性为4%、女性为2%，尤其以中老年肥胖男性居多。高雪梅等的调查结果显示，我国OSAHS的患病率约为3.1%[3]。临床统计结果显示，未经治疗的OSAHS患者5年病死率高达11%~13%，全球每天约有3000人的死亡与OSAHS有关。作为一种发病率高且严重影响人类生活甚至威胁患者生命的疾病，OSAHS近年来已经引起了国内外学者的高度重视。近年来，随着多学科研究的深入，OSAHS被认为可能是高血压、肺心病及脑梗死等心脑血管系统疾病的病因所在，患者由于睡眠期间长期低氧继而诱发全身性病变，引起心、脑、肾等并发症，甚至猝死。因此，可以认为OSAHS是一种有潜在致死性的睡眠呼吸紊乱性疾病。OSAHS患者工作效率下降，占用医疗资源和交通事故的发生率也明显高于正常人群，因而其危害性逐渐引起了人们的高度重视，对OSAHS患者的诊治工作也日益受到医学界的重视。OSAHS的发生受多种因素的影响，其中上呼吸道解剖性狭窄是其主要发病原因之一[4]。一般认为上气道形态及其周围组织结构异常是OSAHS重要的发病机制[5]。上气道任何部位的狭窄或阻塞都可以导致OSAHS的发生。因而许多学者对OSAHS的研究集中在上气道狭窄或阻塞。大量研究证实，绝大多数OSAHS患者气道阻塞的部位主要位于软腭和舌根后方的口咽部，并在多数情况下为阻塞性呼吸暂停的始发部位和主要阻塞部位，因此口咽部成为众多学者研究OSAHS的重点内容。由于上气道位置隐蔽、解剖结构复杂，借助二维或三维影像学检查可对上气道大小及其周围结构进行定量分析，有助于确定上气道的狭窄或阻塞部位，为制订正确的治疗方案提供重要参考。20世纪80年代以来，人们对上气道形态的认识，随着多种影像学研究手段的介入而逐步深入。针对上气道的狭窄或阻塞，目前学者们采用的影像学研究方法主要包括X线头影测量法、计算机体层扫描技术（CT）和核磁共振技术（MRI），借助这些影像学研究手段来探讨OSAHS患者上气道的解剖形态特点及阻塞部位[6-9]。与OSAHS患者相比，健康人群的上气道及周围组织形态则缺乏研究。曾祥龙、高雪梅指出[10]，无鼾人群上气道形态是OSAHS研究的基础，只有以无鼾人群为背景，才能显示OSAHS患者上气道的异常。无鼾人群上气道的性别差异、增龄变化等对OSAHS患者群体也具有非常重要的参考意义。无鼾人群上气道及周围组织形态存在与OSAHS患者类似的解剖特点，反映了上气道随各种生理因素的变化而变化；同时又存在与OSAHS患者的显著差异，反映了解剖形态异常是重要的致病因素。既往研究证明，健康人群和OSAHS患者的上呼吸道各部位测量值存在明显差异[11-12]。健康人群上气道结构正常值可以为OSAHS的进一步研究及临床诊断治疗提供参考依据。既往国内外缺乏专门针对无鼾人群上气道的研究，现有的大部分资料来自研究OSAHS时设立的对照组，仅有少数研究主要以无鼾人群作为研究对象。以往的研究文献中，虽然有些研究建立了上气道及周围结构的正常参考值，但大多以研究OSAHS时设立的对照组作为数据来源，不仅样本量小，而且各研究间采用的方法不同，加上种族和地区差异，使得这些参考值相互之间缺乏可比性。
至今，在OSAHS的诊断和治疗方面，诊断OSAHS的“金标准”仍为多导睡眠图（polysomnography, PSG），此检查要求训练有素的技术人员在实验室对OSAHS患者进行整夜睡眠监测，监测内容包括呼吸运动、SaO2和脑电检查情况等。目前治疗OSAHS的方法有：（1）一般治疗，包括减肥、改变睡眠体位、戒烟戒酒；（2）器械治疗，常用的有正压通气治疗；（3）口腔矫治器治疗；（4）药物疗法；（5）手术疗法等。总体可分为非手术治疗和手术治疗两类。在非手术治疗中，经鼻或口鼻面罩持续无创气道正压通气治疗（continuous positive airway pressure, CPAP）的原理是通过机械泵将空气压缩、湿化后经患者戴用的鼻面罩以正压（范围2～20 cmH2O）输入上气道，此法是目前治疗OSAHS最有效的非手术方法，但由于需要专门设备、专业技术人员进行操作而限制了其应用。在非手术治疗中采用较多、较易被患者所接受的方法是口腔矫治器治疗。口腔矫治器（OA）被广泛用于治疗轻、中度OSAHS患者，其优势在于安全、无创伤、治疗可逆、体积小、使用方便并且价格低廉，其中以下颌前移式口腔矫治器最为常用。其治疗原理可能是：通过前伸下颌，改变下颌、舌、软腭和腭垂的位置关系，稳定下颌和舌，增加舌肌张力，从而达到扩大和稳定气道的目的。下颌前移可以影响上气道的形态，使得包括腭咽和舌咽在内的多个区域出现三维方向的形态变化，这种变化构成了口腔矫治器治疗OSAHS的形态基础[13]。手术治疗OSAHS的目的在于消除或减轻使上气道阻塞的各种异常解剖或病理因素，增加上气道的稳定性。常用的手术方法有扁桃体及腺样体切除术、鼻腔手术、舌成形术、腭垂—腭—咽成形术、气道造口术以及正颌外科手术。手术治疗OSAHS需要在术前对患者上呼吸道的狭窄或阻塞部位做出正确的定位，以确保手术的疗效，但手术存在并发症且手术的疗效尚不十分满意，尚不能治愈所有类型的OSAHS患者。目前诊断OSAHS的“金标准”PSG，既耗时，费用又高，大多数患者从未到医院诊治，使得以多导睡眠监测为基础的OSAHS研究很受限，因此人们希望寻找一种更加简便有效的手段研究OSAHS，为OSAHS的治疗提供指导，为口腔矫正器治疗OSAHS提供有力的理论支持。而且随着OSAHS发病人数逐年增多，其危害性越来越被人们所认识，积极寻找其他方便、经济、快捷的研究方法，对目前我国人口众多、医疗资源有限的现状尤为重要。目前研究OSAHS较多采用的影像学研究方法如X线头影测量法、CT和MRI，因其对人体有一定放射线损害，有时需诱导患者进入睡眠以诱发阻塞性睡眠呼吸暂停，操作上存在一定不便，且重复性差，因而给研究OSAHS带来许多困难，因此人们希望寻找一种可以重复操作的手段来研究OSAHS。近年来随着计算机运算速度的加快及计算方法的不断进步，利用计算机进行数字化医学研究已成为当今医学研究的一个热点。基于计算机技术的理论应力分析方法——三维有限元分析方法因具有实验应力分析方法无可比拟的优越性而被学者们大量运用。目前，有限元分析法已经逐渐成为力学研究中最为重要的分析方法，在生物力学研究中得到了广泛的应用。有限元分析法作为理论应力分析方法，其基本原理是将连续的结构分割为有限个单元，以单元的组合体替代原结构，进行力学分析。与实验应力分析方法相比，其特点和优点在于被分析的结构可具有任意形状、不同的组成材料和各种边界条件，一旦建立了有限元模型，可方便地探讨各种不同的加载状况。与传统实验应力分析相比，有限元分析方法具有很多的优点：（1）可以准确地表达和分析任何复杂几何形状和边界条件的研究对象；（2）可以对同一模型中力学性质不同的材料进行分析；（3）可以对模型进行复杂载荷的分析；（4）模型可以反复使用而不改变其力学性质；（5）可根据研究需要对模型进行修改，并保证模型和加载条件的同一性；（6）借助计算机处理庞大的数据，计算结果准确，省时省力。运用有限元分析方法建立的模型与实物具有空间结构及解剖形态的相似性，模型可任意旋转观察、切割及调整，已在口腔医学领域广泛应用。而快速、准确地建立组织结构高度相似的三维有限元模型是有限元研究的首要问题，是进行三维有限元分析的基础。由于上气道结构复杂，目前国内外学者采用三维有限元的研究方法建立上气道模型进行OSAHS的研究还鲜见报道。
2005年，哈佛大学医学院学者Yaqi Huang等用建立正常人上气道有限元模型来研究解剖因素对咽部塌陷的影响[14]，建立的模型是二维结构的有限元模型，包含的组织有硬腭、软腭、舌体、咽腔及会厌软骨等，他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。2005年国内学者孙秀珍等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[15]，采用表面重建的方法利用CT扫描数据对5名健康志愿者（上呼吸道常规体检均未见明显异常，均无打鼾史）的上呼吸道进行了三维重建和相应的有限元剖面，得到的有限元模型在形态上能较真实地反映出上呼吸道的解剖结构特征；应用此模型对上呼吸道的流场进行了数值模拟，模拟的结果能够较好地符合实际资料，证实了重建上呼吸道结构和数值模拟方法的可行性。它的特点是可以排除物模试验中各种不确定的干扰因素，能捕捉到通过实验很难观测到的现象，进而可以为OSAHS的研究提供一种高效的分析方法。2009年北京大学工学院生物医学工程系的荣起国、赵雪岩等学者做了阻塞性睡眠呼吸暂停综合征的生物力学研究[16]，利用CT扫描数据，将所获得的DICOM影像学数据以CT无损压缩的方式导入Mimics 10.0软件和Ansys软件，建立了一个由硬腭水平位置至气管约第2、3软骨下端的人体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，计算结果表明在OSAS事件发作期，最易发生塌陷的部位是软腭后区，其次是舌后区和会厌后区；正常的上气道解剖结构在异常的压力作用下仍然可能发生狭窄和塌陷；OSAS事件发作期的呼吸过程中，软腭后区、舌后区、会厌后区等各个平面的前后径变化均大于左右径的变化，这些结论与既往的研究结果一致。他们的研究结果还包括解剖结构异常不是OSAS发病的必要条件，这与既往众多学者的研究结果不一致。究竟解剖结构异常是不是OSAS发病的必要条件，此二者何为因何为果，需要在今后继续深入研究去证实。
这些研究结果都是以健康人的上气道为研究对象，Yaqi Huang等采用MRI扫描数据建立了健康人上气道的二维有限元模型，研究解剖因素对咽部塌陷的影响。他们所建模型的缺陷是二维结构，不能反映真实的上气道形态，因而所得结果对OSAHS的研究意义有限。孙秀珍等建立的人体上呼吸道的三维有限元模型，只包含了上气道及相邻的黏膜等软组织，是为了应用此模型对上呼吸道的流场进行数值模拟，找出气流的流动与上呼吸道状态之间的规律性关系，进而为临床提供一种理论判断方法，这对有关上呼吸道疾病的早期预测、预防以及矫正手术的量化分析具有一定的研究价值。荣起国、赵雪岩等建立的人体上气道三维有限元模型，包含了头颈部所有的肌肉软组织及骨骼结构，采用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。在这些OSAHS研究课题中，所有研究者的目光都集中在上气道内气流压力的变化引起气道的形态改变上，关注的重点是气道气流压力变化对上气道的影响方面，而对OSAHS发病机理及引起气道结构形态改变的外力因素没有涉及。这些上气道模型的缺陷在于仅仅着眼于患者气流的变化，而对引起气流变化的原因没有涉及，因此对发病机理的研究没有特别显著的推动作用。我们拟建立的健康成人上气道及周围结构的三维有限元模型是以CT扫描图像为数据，建立包括下颌骨、舌骨、气道及周围软组织等在内的有限元模型，后续研究中直接加力于下颌骨及舌骨上，观察上气道的形态变化，利用三维有限元方法研究OSAHS的发病机理，为口腔矫治器治疗OSAHS提供理论依据。
综上所述，由于OSAHS的发病率逐年升高，对人们健康的危害性越来越严重，而在OSAHS的检查、诊断、治疗方面仍然存在许多不能令人满意之处，并且作为OSAHS的研究基础，对健康成人上气道形态结构的研究还远远不够，现有OSAHS所建立的有限元模型还有许多不足，因此我们拟采用三维有限元的研究方法，运用计算机图像处理功能，结合薄层CT断层扫描技术，建立健康成人上气道及周围结构的三维有限元模型，利用此模型研究健康成人上气道的形态和功能变化，并结合OSAHS患者上气道及周围结构的三维有限元模型进行对比观察，研究OSAHS可能的发病机制，为治疗提供理论指导，并为临床采用口腔矫治器治疗OSAHS提供更加丰富的理论依据，借此寻找一种更为方便、经济、高效的方法研究OSAHS，并探索一种新的方法和途径。
2材料与方法
2.1研究对象和主要设备
2.1.1研究对象
选择一名牙列完整、面型正常的健康青年男性志愿者作为测试对象。所选健康志愿者，面部左右对称，侧貌协调，无上呼吸道慢性疾病病史，近3个月无上呼吸道急性病史，体重指数正常，无打鼾史，既往无上呼吸道外伤和手术史，上呼吸道常规体检均未见异常。
2.1.2主要设备
螺旋CT（美国GE公司Lightspeed pro 16螺旋扫描CT ADW 4.3工作站）、Mimics 13.0软件（materialise's interactive medical image control system）、Ansys 8.0软件（Analysis System）。
2.2方法
2.2.1健康成人上气道及周围结构的三维有限元模型的建立
2.2.1.1 CT图像数据采集
测试对象为一名牙列完整、面型正常的健康青年男性志愿者，测试对象取仰卧位，身体置于床面中间，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。颌平面垂直向下，扫描线与颌平面平行进行扫描，连续扫描，层厚0.625 mm。扫描范围：环状软骨下端至眼眶下缘。扫描过程中保持测试对象头部位置固定，头部固定后射线方向与测试对象上气道相对位置保持不变，因而保证了输出的每张CT片其中心点都通过同一长轴，即每张图像坐标位置相对恒定。选取上气道范围的CT图像177层。所得图像以DICOM格式数据文件刻录存盘。典型层如图1所示。
图1健康成人上气道及周围结构的CT图像
2.2.1.2 Mimics软件简介
Materialise公司的交互式医学图像控制系统materialise's interactive medical image control system（缩写为Mimics），是显示和分割CT图像以及对图像进行三维重建、渲染的交互工具，此软件也可处理MRI图像。Mimics是扫描数据和快速成型STL文件格式、CAD和有限元之间的接口。Mimics软件是一个拥有三维可视功能的图像处理软件，它支持所有通用的扫描文件格式，另外，作为CAD或有限元网格的接口也可用。其结构如图2所示。
图2 Mimics软件模块关系图
2.2.1.3三维实体模型的建立
将CT扫描所获得的DICOM格式数据文件导入Mimics 13.0软件中，经过转换后即可打开为3个视图：矢状面、冠状面和横断面，在CT图像上确定需要进行三维成像的组织范围（如图3所示）。
图3 Mimics 13.0软件界面
利用Mimics 13.0软件自带的阈值分割技术，将所需的组织如骨骼、肌肉、气道等通过不同的灰度值进行边缘自动识别，可以分别识别出骨（bone）:226-3071、软组织（soft tissue）:-188-151及气道（airway）:-1024-（-490），经过区域生长法将各个目标结构的边缘识别出来，图4是软组织（舌体部分）的图像。通过阈值分割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，为此，在该软件中再利用Edit mask模块中的擦除功能将多余的组织擦除，这是一项耗费时间、工作量巨大且需要对所需建模的组织断层图像的解剖结构非常熟悉、将边缘认识清晰的工作。
经过上述编辑方法编辑的图像还无法用于建模，还需要将图像中由于阈值分割而形成的空洞和不光滑边缘进行填充，填充后的图片如图5所示。
填充组织后，利用软件自带的计算功能，即可重建出各个组织的三维实体模型。由于上气道周围相关肌肉比较细小而且起止点比较复杂，在普通的CT影像下分离每一条关键的肌肉是一件极其困难的事，将本课题所关注的四块肌肉（颏舌骨肌、下颌舌骨肌、颏舌肌及舌体）分别建模有困难，因此对肌肉的建模采取如下简化方法：将肌肉和周围软组织作为一个整体进行建模，与气道接触处的肌肉边缘由气道的边缘确定，舌体的边缘由下颌骨的边缘确定，建立的实体模型如图6所示。
图4经过区域生长处理后的软组织图片
图5经过空洞填充后的软组织图片
图6各组织的三维几何模型
2.2.1.4三维有限元模型的建立
在Mimics 13.0的Remesh模块中对上述模型进行网格划分工作。通过Fixing模块中的光顺处理、减少尖锐面及去除零碎面等工作后，将模型中存在的小的碎片、碎面及尖角等去除，这项工作对后续网格划分极为关键，需要反复做多次才可。模型的光顺处理结束后即可进入网格划分阶段。在此阶段，需要先将几何模型划分为面网格，然后再利用Mimics 13.0软件自带的转换功能将面网格转化为体网格，将体网格输出为Ansys软件可以识别的格式即可导入有限元分析软件中进行有限元模型的构建。在此模型的构建过程中，为了能利用此模型观察气道的变化情况，需要将模型中的气道先划分网格，在今后的有限元分析中再定义该模型的材料属性为气道。将三种模型导入Ansys 8.0软件中，所得骨—软组织—气道的有限元模型如图7所示。
所划分的网格单元采用10节点的Solid 92四面体单元，其划分单元数及节点数分别为：骨18594单元，3588节点；软组织29991单元，5622节点；气道14447单元，2939节点。
图7健康成人上气道及周围结构的三维有限元模型
2.2.2实验条件假设
在本项目中，为了简化分析计算与建模方便起见，在模型的构建中进行了如下假设与简化：
（1）将下颌骨模型全部作为皮质骨进行建模，未对其中的松质骨进行单独建模，因此，该模型会在今后的计算分析中存在微小的误差。
（2）将连接下颌骨和舌骨之间的肌肉作为整体进行建模，没有对连接肌肉和骨之间的骨膜进行建模，只是在模型中对肌肉与骨的连接部分进行了共面处理，在今后的计算分析中也会带来微小的误差。
（3）所有组织都假定为各向同性、均质材料。
2.2.3模型的边界约束条件
在今后的有限元分析中，此模型作为健康人体模型，可对其进行力学加载以研究上气道在载荷作用下的各种应力及变形行为。由于该项研究的力学因素鲜有文献报道，因此在本模型中可以考虑以下加载方式：
（1）将下颌骨髁突部分进行三维固定，限制其所有自由度，限制下颌骨的刚性移动，而不限制其转动；
（2）为模拟人在睡眠状态下的力学行为，可以考虑以下颌骨后移作为加载方式，后续将继续这样的研究。
2.2.4查阅相关文献，建立健康成人上气道及周围结构的有限元模型
有限元模型所用材料的力学特性如表1所示。
表1有限元模型所用材料的力学特性
3结果
本研究采用薄层CT扫描技术，对按标准筛选出的健康青年男性志愿者的上气道及周围结构进行连续薄层扫描，层厚0.625 mm，筛选出目标图片177张，所得CT图片的数据信息经过 Mimics 13.0图像处理软件处理，将所需的组织如骨骼、肌肉、气道等通过不同的灰度值进行边缘自动识别，再将薄层CT横断面扫描图片进行边缘化处理，得到健康成人上气道及周围结构的三维实体模型，经Ansys 8.0三维有限元专用软件处理，建立包含下颌骨、舌骨、上气道、上气道周围肌肉及软组织的健康成人上气道三维有限元模型，计算机按要求划分网格后，所划分的网格单元采用10节点的Solid 92四面体单元划分单元和节点，得到的单元数及节点数分别为：骨18594单元，3588节点；软组织29991单元，5622节点；气道14447单元，2939节点。建立的健康成人上气道及周围组织的三维有限元模型与真实的上气道解剖结构具有高度相似的几何形态，获得的模型真实可靠，能够全面准确地再现上气道复杂的结构，模型中的上气道形态、结构完整，数据精确，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，为后续的力学加载及进一步深入分析奠定了良好的基础。
4讨论
4.1上气道大小、形态的影响因素及健康成人上气道的研究意义
上气道是指自鼻咽顶至环状软骨下端之间的上呼吸道，主要作用是人体内气体进出的通道，其特殊的解剖结构，使它成为OSAHS发病的重要部位。作为气体通道，上气道自上而下可分为四段：鼻咽段指鼻咽顶至腭平面；腭咽段（又名口咽上段）指腭平面至软腭尖；舌咽段（又名口咽下段）指软腭尖至会厌尖；喉咽段指会厌尖至会厌根。常把腭咽段和舌咽段称作口咽段。
4.1.1影响上气道大小、形态和稳定性的重要因素
影响上气道大小、形态和稳定性的重要因素是颅颌面骨骼形态结构和气道周围的软组织。上气道大小的异常改变是气道周围软硬组织共同作用的结果。颅颌面骨骼形态结构对上气道大小的影响包括两个方面：一方面，颅颌面骨骼的大小、位置及形态的异常改变了气道局部骨性构架的大小，从而影响上气道的大小、形态；另一方面，颅颌面骨骼形态异常改变了上气道周围相关肌肉的附着位置及功能活动，亦影响上气道的大小和稳定性。决定上气道大小的骨性解剖因素是下颌骨位置与舌骨位置。下颌后缩或小下颌时，颏舌肌的附着点及颏棘点后移，使舌根后移，最终使上气道狭窄。舌骨位置低可能使更多的舌体进入咽腔，造成气道局部狭窄。贾培增、傅民魁、曾祥龙[17]的研究证实，下颌前伸使得舌咽、喉咽和口咽的平均矢状径增大，舌咽和喉咽的最小矢状径也增大。
决定气道大小或是否通畅的最主要、最直接的软组织因素是舌的大小、位置以及舌肌的张力，李长涛等的研究结果（OSAHS患者舌体长及软腭后间隙小）证实了这一点[18]。颏舌肌是上气道扩张肌群中的重要组成部分，其肌电活性的改变也是导致气道结构改变的重要原因[18]。下颌舌骨肌参与口底的构成，也可降下颌骨。颏舌骨肌可以牵拉舌骨向前移动，当舌骨相对固定时亦可降下颌骨[19]。
上气道周围骨骼和肌肉共同作用的结果使上气道大小发生改变。既往的许多研究证实这些骨骼和肌肉对上气道和呼吸功能有影响。李长涛等的研究证实上下中切牙越唇倾，下颌体长度越短，呼吸紊乱越严重[20]，这与既往研究一致。而下颌后缩的患者具有上下中切牙唇倾、下颌体长度短的特征[21]。曾祥龙、唐志慧的研究[21-22]发现：三种不同矢状骨面型间鼻咽段和腭咽段矢状径无显著性差异，然而从悬雍垂尖向下，随ANB角的增大，咽腔矢状径有减小的趋势，Ⅱ类患者的舌咽矢状径小于Ⅲ类患者，悬雍垂尖腭咽深度（U-MPW）和会厌软骨处舌咽深度（V-LPW）也较Ⅲ类患者小，差异接近显著性。这些发现提示，尽管上气道上段（鼻咽、腭咽）的大小与矢状骨面型没有直接的关系，但矢状骨面型会对上气道下段（舌咽）的发育产生较为明显的影响。随着矢状骨面型从Ⅲ类、Ⅰ类至Ⅱ类变化，舌咽矢状径有依次减小的趋势，这与下颌大小、位置有关，即Ⅲ类、Ⅰ类、Ⅱ类矢状骨面型下颌的尺寸逐渐减小、位置逐渐后缩。下颌大小、位置对舌咽发育的影响为临床上OSAHS多见于Ⅱ类患者，罕见于Ⅲ类患者提供了解释，同时也为采用下颌前移式口腔矫治器治疗轻中度OSAHS患者奠定了理论基础。这些研究均证实上气道大小的改变是下颌骨、舌骨及上气道周围肌肉及软组织共同作用的结果，其中下颌骨的位置变化对上气道大小的影响尤为明显，下颌后缩的患者上气道间隙变小，随着下颌骨的前移，上气道间隙逐渐变大，这为临床上采用多种治疗方法治疗OSAHS奠定了理论基础，同时也为我们建立健康成人上气道及周围结构的三维有限元模型及后期力学加载提供了理论指导。本研究旨在通过先建立健康成人上气道及周围结构的三维有限元模型，为进行理论应力分析奠定基础，然后根据下颌骨的移动对上气道大小的影响进行力学加载，在下颌骨上施加一个生物力，使下颌骨后移，运用理论应力分析的方法证实下颌后缩可能是引发OSAHS的一个因素，为OSAHS的研究提供更丰富的资料。
4.1.2健康成人上气道的研究意义
随着对OSAHS的深入研究，正常颅颌面人群上气道形态结构也越来越受到人们的关注，许多学者[23-24]都认识到探讨正常人群上气道的重要性。研究正常人群上气道结构可以为OSAHS的临床诊断治疗提供参考依据，对揭示OSAHS的发生机制也具有特殊意义。建立健康人体正常上气道参考值不仅能够为进一步研究OSAHS提供正常对照，而且作为参照，可以用于临床工作中。曾祥龙、高雪梅[10]研究指出，无鼾人群上气道形态的研究是OSAHS研究的基础部分，只有以无鼾人群为背景，才能显示OSAHS患者上气道的异常。我们的研究也是以健康成人为研究对象，利用薄层CT扫描技术建立健康成人上气道及周围结构的三维有限元模型，研究健康成人上气道及周围结构的形态及功能变化，为后期的力学分析奠定基础，借助健康成人的上气道模型研究OSAHS可能的发病因素，为利用三维有限元的方法研究OSAHS进行尝试，并借助此模型与OSAHS患者的上气道及周围结构的三维有限元模型进行对比，以便更好地研究OSAHS。
4.2影像学方法在上气道研究中的应用
近年来，OSAHS的发病率越来越高，对人体健康的危害性越来越严重，引起了医学界和OSAHS患者的高度重视。国内外学者一直在尝试利用各种手段对OSAHS进行研究，包括影像学方法、纤维鼻咽喉镜法、上气道压力测定法、声反射技术等，采用较多的是影像学方法。影像学方法中较多利用X线头影测量研究上气道和颅颌面软硬组织的形态结构及利用CT、MRI测量无鼾人群和OSAHS患者上气道各平面的矢状径和截面积。
4.2.1 X线头影测量在上气道研究中的应用
X线头影测量是口腔正畸学领域中一种传统测量手段，被广泛应用于颅面部软硬组织的测量分析，自1983年以来，此项技术被引入应用于OSAHS患者上气道和颅面软硬组织形态结构的研究[25]，探讨疾病的病因，帮助选择治疗措施等。我国学者刘月华等较早开始采用X线头影测量对无鼾人群及OSAHS患者进行研究，得到了一系列有价值的研究结果。刘月华等通过对正常人群上气道结构的X线头影测量研究发现，男性各气道间隙虽大于女性，但代表口咽部气道大小的软腭后上气道间隙（PNS-UPW）、软腭中后气道间隙（SPP-SPPW）以及舌根后气道间隙即生命间隙（PAS）男女间无显著性差异。然而，软腭、舌的长度、厚度、截面积以及倾斜度男性均明显大于女性；男性会厌骨的位置较靠后下方，而舌骨位置较女性偏下前方。再者，牙颌颅面各硬组织单位结构线距测量值男性明显大于女性。因此可以认为，无鼾症正常牙合中国人群中男性上气道较女性相对狭窄，此可能是男性鼾症或OSAS发病率明显高于女性的潜在形态学背景之一[23]。刘月华等通过对OSAHS患者舌骨位置的X线头影测量研究发现，患者牙颌颅面结构表现出Angle Ⅱ类高角型错牙合特征，与国外的研究结果一致[26]。多数头影测量研究发现OSAHS患者存在明显的颅颌面形态异常，包括前颅底短、颅底角减小[27]、上下颌长度短[27-29]、下颌位置后缩[27,30]、Ⅱ类骨骼型、下颌平面陡、下面高增大、下颌向后下旋转、颏后缩[30]。这些研究充分说明在OSAHS的发病原因中，解剖结构是非常重要的致病因素。X线头影测量作为二维的测量手段有许多局限性，例如：它所得到的图像是二维的静态图像，所得到的信息不能简单外推至颅颌面和上气道的三维解剖结构；X线头影测量至今只能用于研究清醒个体，而且多数头颅侧位片均采取直立站位或坐位[28,31]，因此不能完全真实地反映睡眠中上气道的情况和潜在的阻塞部位。
4.2.2 CT及MRI检查在上气道研究中的应用
由于采用X线头影测量研究上气道存在很多局限性，因此近年来对上气道的研究更多采用CT和MRI检查。CT断层影像可全面准确地再现比较细微或复杂的结构，且表现的形态、结构完整，数据精确，因此被越来越多的学者用来研究上气道。用于研究上气道的CT机要求为多层螺旋CT机（multi-slice spiral computed tomography, MSCT）或超快速CT机，以进行吸、呼气相的扫描。扫描时需调整机架的角度使扫描线与上气道的长轴垂直或平行于颈1～2和颈2～3椎间隙，以减少测量的误差。CT是目前国内外广泛应用的医学检查设备，其操作方便，功能完善，采用卧位检查，接近睡眠时的体位，用于上气道的研究能够较真实地反映睡眠中上气道的情况和潜在的阻塞部位，其软组织成像清楚且无重叠干扰。CT可以精确地测量上呼吸道各平面的横截面积、冠状径和咽壁软组织厚度等资料，测量结果数字化[32]。其上气道仿真内窥镜三维成像的方法，可真实还原图像的三维结构[33]。与MRI相比，CT费用低，费时少。同时，骨组织显像清楚，可以观察颅颌面骨畸形引起的上气道狭窄[34]。对OSAHS的研究采用CT检查方法相对简单易行，无创无痛，可反映OSAHS患者上气道生理及病理状态下的阻塞情况，除了可反映患者上气道解剖结构狭窄异常外，还可测量上气道的顺应性大小。检测结果对OSAHS患者治疗方案的选择、手术疗效的预估具有重要意义。国内外许多学者对CT在OSAHS研究中的作用和结果进行了研究[33,35]。李树华等对所研究的正常人上呼吸道CT测量做了统计，计算出了正常参考值以供临床参考，见相关文献[32]。李树华等[36]还对34例患者进行了睡眠期的CT扫描及纤维内窥镜检查，结果显示，在OSAHS发作期，有24例患者表现为单纯一个位点的阻塞，其中23例患者表现为软腭后区的阻塞，1例患者表现为舌后区的阻塞；另外11例表现为多部位的阻塞，其中软腭后区与舌后区联合阻塞3例，舌后区与会厌后区联合阻塞5例，上气道弥漫阻塞3例。蒋奕等[37]对57例OSAHS患者进行了清醒状态下上气道螺旋CT 扫描，其中3例解剖结构正常，单纯软腭后区狭窄26例，单纯舌后区狭窄9例，单纯会厌后区狭窄3例，软腭后区与舌后区联合狭窄5例，舌后区与会厌后区联合狭窄4例，上气道弥漫狭窄5例，4个层面均显示狭窄2例。以上研究结果显示，上气道无论是在清醒状态下的狭窄，还是在睡眠状态下的阻塞，最易发生阻塞的部位是软腭后区，其次是舌后区和会厌后区。正常人在Mueller动作时上气道由于咽侧壁的增厚而变小，可模拟呼吸暂停的发生，模拟上气道阻塞时的气道壁塌陷情况，利用CT可以直观地显示Mueller动作时上气道容易塌陷、阻塞的位置，进行阻塞定位检查[34,38]。近年来随着科学技术的发展，螺旋CT及其智能化的工作站为图像处理及数据传输提供了极为方便的强大功能，使得CT在OSAHS的研究中显示了它的独特优势。MRI以其无辐射损害、软组织分辨率高、能够多层面多方位成像的优势，在上气道检查中的应用也日趋广泛。测量指标包括咽腔的最小截面积、前后和左右径；咽侧壁和咽后壁软组织厚度，并可测量软腭中部平面咽旁脂肪间隙的截面积、软腭厚度和长度、软腭截面积[39]。但由于MRI对骨组织显影不如CT清晰，而且扫描时间较长，因此它的应用不及CT普遍，但作为一种研究手段，MRI对软组织的显影具有其他影像学检查所不具备的优势，相信在今后的研究中可以与CT相结合发挥更大的作用。
4.2.3以CT扫描技术为基础的三维有限元研究法在上气道研究中的应用
将CT扫描技术与图像处理软件、有限元分析软件相结合的三维有限元方法用于上气道的研究，建立上气道的三维有限元模型，国内外至今还很少报道。2005年哈佛大学医学院学者Yaqi Huang等建立正常人上气道有限元模型来研究解剖因素对咽部塌陷的影响，所建模型是二维结构的模型，难以反映真实的上气道结构，所得结果对OSAHS的研究参考意义不大，但对有限元方法用于OSAHS的研究进行了尝试和探索。2005年国内学者孙秀珍等进行的人体上呼吸道三维有限元重建与流场数值模拟的研究，采用表面重建的方法对5名健康志愿者（上呼吸道常规体检均未见明显异常，均无打鼾史）的上呼吸道进行了三维重建和相应的有限元剖面，得到的有限元模型在形态上能较真实地反映出上呼吸道的解剖结构特征；应用此模型对上呼吸道的流场进行了数值模拟，模拟的结果能够较好地符合实际资料，证实了重建上呼吸道结构和数值模拟方法的可行性。它的特点是可以排除物模试验中各种不确定的干扰因素，捕捉到通过实验很难观测到的现象，进而可以为OSAHS的研究提供一种高效的分析方法。但他们建立的模型只包含了上气道及周围的黏膜和软组织，没有把与上气道有关的骨组织纳入研究范围，不能构成系统，只能从气流的角度进行研究。2009年北京大学工学院生物医学工程系的荣起国、赵雪岩等学者进行的OSAHS的生物力学研究，利用CT扫描数据，将所获得的DICOM影像学数据以CT 无损压缩的方式导入Mimics 10.0软件和Ansys软件，建立了一个从硬腭水平位置至气管约第2、3软骨下端的人体上气道三维有限元模型，采用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。荣起国、赵雪岩等所建立的健康成人上气道的三维有限元模型是将头颈部所有的软组织与骨组织都纳入建模范围，加载的方式也是以气流作为动态载荷，模拟OSAHS发生过程中上气道出现阻塞的部位。而我们所建立的健康成人上气道及周围结构的三维有限元模型将下颌骨、舌骨、气道及周围的软组织作为一个完整的系统建模，剔除了其他对上气道形态影响不太大的组织结构，为后期的力学加载奠定了良好的基础，虽突出了与上气道形态关系密切的组织结构，简化了后期的计算及分析过程，但对结果不会产生太大的影响。
4.3健康成人上气道三维有限元模型的特点和优点
本研究利用计算机图像处理功能，结合薄层CT断层扫描技术，利用Mimics 13.0软件和Ansys 8.0软件建立了健康成人上气道及周围结构的三维有限元模型，建立的模型包括下颌骨、舌骨、上气道及周围软组织结构。模型建成后，可以通过此模型研究健康成人上气道及周围结构的形态及功能变化，研究OSAHS的发生机制，并结合OSAHS患者上气道及周围结构的三维有限元模型进行对比研究，尝试以三维有限元的手段研究OSAHS，为后期OSAHS模型的建立和生物力学分析奠定基础，这在国内外有关OSAHS的研究中报道还不多。
4.3.1薄层CT扫描技术在健康成人上气道三维有限元建模中的应用及优点
本研究采用层厚为0.625 mm的薄层CT扫描技术扫描健康成人的上气道及周围结构，所得影像真实可靠，能够全面准确地再现上气道复杂的结构，且获得的上气道形态、结构完整，数据精确。以往建立三维有限元模型时数据采集常采用CT胶片扫描或照相技术，容易导致图像的细节和信息在采集和传输过程中丢失，工作繁重，且建模差异较大，不但影响模型的准确性和质量，而且影响计算结果的准确性。我们采用层厚为0.625 mm的薄层连续无间隔扫描，最大限度地保证了上气道信息的完整、解剖结构的准确，所得扫描信息可以完全准确地再现上气道的解剖结构，确保在此基础上建立的健康成人上气道的三维有限元模型与真实的上气道及周围结构具有高度的几何相似性，确保建立的健康成人上气道的三维有限元模型的准确性及质量。利用螺旋CT自带的工作站的数字图像传输技术，直接由CT机输出扫描图像信息到图像工作站，获得的全部断层图像清晰、真实，这样的操作过程使图像失真、信息丢失的可能性降到了最低限度，充分保证了所采集的上气道及周围组织结构的图像信息与真实解剖结构具有高度的几何相似性。相比于以往采用数字胶片传输信息，采用CT自带的工作站的数字图像传输技术传输信息，方便快捷，信息丢失的可能性大大降低，不仅提高了工作效率，也提高了所建模型的准确性，为后期的工作奠定了良好基础。CT图像中软硬组织的灰度值相差明显，容易识别，可以清晰分辨组织边界，在Mimics13.0软件中可以依据所得CT图片的灰度值自动识别组织边界，大大减轻了工作量，提高了工作效率。
4.3.2健康成人上气道三维有限元模型建模过程的优点
采用医学CT、MRI图片作为研究对象进行人体组织结构三维有限元模型的建立工作，需要对所感兴趣的组织及器官分别进行数据提取，是一个繁杂、艰难、专业程度要求非常高的过程。
4.3.2.1传统技术路线建立三维有限元模型的过程
利用专用软件将CT图片转换为其他软件可读的格式，如．bmp格式。这里采用的转化软件一般为医学专用软件DicomWorks，在该软件中可以读取CT片的基本信息如缩放比例、像素值、图片大小、层距、螺旋CT拍摄的机器数据等，同时还可以在该软件中进行降低噪声、增强对比度等操作，以将感兴趣的组织与其他组织以较高的对比度显示出来。所采用的CT片数量较大时需要逐层进行操作，是一件费时且枯燥的工作。
利用专业软件将上述转换格式的图片进行组织分割与数值提取。一般采用Matlab计算软件或专用自制软件，需要将每张CT片上感兴趣的组织分别进行分割，采用人工取点的方式依次辨认每层CT片数据上的组织，遵循“陡密疏缓”的原则在组织边缘进行打点工作，该工作的结果以文本格式中的三维坐标形式给出。这项工作要求打点人员熟悉解剖结构、课题要求及力学模型的构建及分析过程，按照一定取点顺序和规则进行相关组织边缘的数据提取工作。此项工作中经常犯的错误是所打的点无法满足后续建模要求，比如打点时要求同一组织在相邻两层CT图片中取点数量相近，否则容易出现两条曲线在空间无法生成平滑曲面的现象；打点时要求取点位置在相邻的上下CT片中近似，否则建模时会出现曲面扭曲的现象；一些细小的组织如突起、凹坑等很容易因为点数量多而被忽略，不予考虑建模等，导致模型与生理解剖结构差异较大，因此这一过程对工作人员要求非常高，一般由工程类反求工程人员执行。
将从上一步骤得出的文本格式的点坐标值导入反求工程软件Imageware中进行点的重新排列、拟合、光顺处理等工作，完成从坐标值—点云—B样条曲线—自由曲面的构建过程，该过程称为“反求”，亦即几何模型的获得是从点到线再到面的过程，与一般CAD软件构建模型的过程相反，因此处理方式也异于通常意义上的CAD（Computer-Aided Design，计算机辅助设计）建模过程。该过程中要求建模人员依次调整每个点的位置从而实现上下两层图像之间的曲面光滑，以方便后续分析与计算，因此，在大量点被人工修改后很多组织已与原来打点时的外廓有很大差异。
面模型构建后，需要将上述模型导入专用的大型CAD处理软件如pro/E、UG、SolidWorks等中进行体模型构建及修改。将模型中明显变形的线、面进行修改使其外形显得光滑，然后生成体模型。这里的体模型是指能够在封闭模型中充满材料的模型，面模型则是指仅仅包含表面轮廓的薄层组织，我们分析的组织大部分都是体模型，因此要将体模型生成后再进行分析与计算。
将上述体模型存为有限元软件如Ansys、Abquas等可读的格式，一般为．iges格式。.iges格式为以线框显示的文件格式，通用性较高，是一般计算软件和CAD软件的通用格式。在有限元软件中检查模型，修补破损的面、线等，对模型进行合并等工作，然后进行有限元模型构建。在这里需要查阅文献或者做实验得出各个组织的材料属性如弹性模量、泊松比等参数值，采用一定的单元类型进行网格划分，添加约束与载荷后即可进行分析与计算。
上述过程即为传统反求工程常采用的建模过程与方法，从以上可以看出在建立模型的过程中存在如下问题：
工作量大，对工程人员的医学解剖要求较高（或对医学工作人员的工程背景要求极高）。在层厚为0.625 mm的CT片中共有177张需要进行取点工作，工作量大，要求取点人员熟悉软件和组织，在提取过程中能清楚地理解所取得的点对后续分析及建模过程的影响，这在生物医学工程领域中要求非常高。
人工干预过多，造成组织几何相似性不高。生物医学工程中的有限元力学分析结果很大程度依赖于模型的几何相似性，若组织的几何模型在构建过程中只为了光顺处理就可丢失很多特征，从而影响有限元的计算结果。在传统建模过程中，模型的边缘识别、特征点提取、曲线曲面构建全部依赖人工，而为了模型的表面光顺则会在构建模型过程中进行点、线的手动修改，这种修改只基于模型的光滑而牺牲模型的解剖结构。因此，在用传统方式进行建模过程中，手工干预的大量使用使模型的几何相似性不高。
建模过程繁琐，设计软件门类多，对设计人员限制较大，分析过程长。由于医学研究的对象是各类器官，其形状不规则、形态不统一，因此在建模时需要调用各类行业软件，如在上述建模过程中用到了计算软件（Matlab）、反求工程软件（Imageware）、CAD（Pro/E、UG、SolidWorks）、CAE（Ansys）等四大类行业软件，仅仅是软件的学习就是一项艰苦而漫长的工作，不符合医学研究的实际要求。各类软件的使用技巧和方法对医学工作人员是一项巨大挑战，因此一般都是寻求与工科合作，这样就在研究过程中削弱了医学研究的基础。
4.3.2.2 Mimics13.0建立健康成人上气道及周围结构的三维有限元模型的过程
将薄层CT扫描信息导入图像处理软件Mimics 13.0中。Mimics 13.0是比利时Materialise公司最新研发的产品，除了能导入显示医学图片外，还可以实现模型的构建与网格划分。在此软件中，不需像前述过程转换CT图片的格式和大小，可以较为方便地进行数据导入工作。
在该软件中对CT图片进行重新排序，为了降低工作量，可以去除不需要的图片，还可将增强图片的对比度、过滤噪声等工作一次性完成。
在该软件的Edit命令中选用Threshold将感兴趣的组织依次根据阈值进行识别。在该软件中通过阈值设置将组织以不同颜色高亮度显示，通过拖动鼠标观察所有图层的组织是否点亮，如已点亮即可实现分割。同时该软件还具有区域生长等功能，能够对感兴趣的组织边缘进行动态生长，获得较好的外形数据。将所选用的CT图片进行分割后还可以用编辑命令对组织进行修改，如上气道周围有许多骨组织，只需保留下颌骨和舌骨，其他骨组织则可用软件自带擦除功能进行去除，也可以对边缘识别不太清晰而又确实是目标组织的解剖结构进行补选，以使其能够尽量精确地显示CT中的组织边缘。
对各个组织分别进行构建，并填充其中的空洞等。由于软件在识别CT图片时是基于灰度值进行选择的，有些组织由于灰度值误差而出现空洞，这就需要建模人员在熟悉解剖结构的基础上对图片进行填充。由于Mimics 13.0建模时采用的方式是层积式，所以要耐心地将每一层图像的空洞进行填充以避免在网格划分时出现组织误差而无法实现有限元模型的构建。当所有工作结束后，利用软件自带的三维建模功能键即可对已编辑好的图片生成三维实体模型。
在remesh模块中进行模型的光顺处理、减小不规则面及尖角处理，划分面网格，将面网格转换为体网格。Mimics 13.0新增功能之一就是可以将面网格转换为四面体单元的体网格，该网格可作为有限元分析时的单元及其上的节点进行有限元计算。若模型中的碎面、尖角、空洞过多致使网格无法划分，必须返回建模程序进行模型修改后才能进行，因此在此模块中可以同时进行模型检查。
在Mimics 13.0中还可以根据所选组织对各材料属性赋值。在Material模块中将划分好网格的模型导入，即可通过程序运算计算出组织的弹性模量和泊松比，该值可作为后续有限元分析的材料属性进行赋值，然后导入有限元软件Ansys中进行有限元模型构建。在Mimics软件中划分的网格模型导入Ansys中后有些单元会出现错误连接，即相邻两单元的边不重合等，这样会影响后续计算过程中的数据传递，所以要在软件中进行网格检查，显示出错误单元后进行修复与修改，然后建立有限元模型。
上述在Mimics软件中进行的建模过程依赖程序计算组织的灰度值进行组织边缘识别，避免了在建模过程中随意改变组织边缘、组织形状等缺陷，而且该软件可以对CT片实现批处理，大大降低了劳动强度，但同时要求建模人员对组织的识别能力较强，这种建模过程能尽可能减少人工干预，最大限度地保留解剖结构中的微小几何特征，可以使下颌骨上的颏孔、棘突等特征在该模型上清晰可现，这部分特征在进行手工建模时基本被忽略。因此，采用Mimics建模有较高的几何相似性，可为后续有限元分析过程打下良好的基础。
4.4口腔生物力学研究的方法
研究生物力学的方法、手段很多，用于口腔生物力学研究的方法主要有以下几种。
（1）实验应力分析法：是利用物理模型或实物对构件进行应力、应变和位移的分析，是复合材料力学等基础理论研究的必要手段。实验应力分析法包括电测法、光测法、脆性涂层法和电场比拟法等。
（2）理论应力分析法：是指用材料力学和弹性理论求得应力分布的理论解答。理论应力分析涉及基本物理学法则的运用和一些基本公式，如应力—应变的关系等。理论分析常需进行大量复杂数据的处理，可借助电子计算机寻求数值计算结果，即目前应用的有限单元分析法（finite element analysis），又称有限元法。
4.4.1有限元分析方法的优点
（1）可用于各种问题的力学研究，所分析的结构可以具有任意的形状。
（2）能计算出模型内任意处的应力值和位移值。
（3）可根据需要对模型进行修改，能保证模型和加载条件的同一性。
（4）使用计算机，可以处理庞大的数据，计算结果准确，并能根据程序自动给出应力图，使结果更为直观。
有限元分析方法具有其他研究方法无可比拟的诸多优点，因而在许多研究领域中都得到了广泛的应用。有限元分析法诞生以来，备受各国学者的青睐，在口腔生物力学的研究领域中也得到了广泛的应用。自1973年Thresher首先将有限元分析法应用于口腔医学后，该方法逐渐成为口腔生物力学研究领域中一种有效的分析工具，显示出极大的优越性，为口腔疾病治疗、医疗器械的优化设计等提供了理论依据，而建立高真实度和精确度的三维有限元模型是有限元分析能否实现的关键。近年来随着电子技术的快速发展，工作站的数据处理能力逐渐增强，有限元分析方法在口腔临床医学中得到越来越多的应用[40]。三维有限元法（finite element method, FEM）是应力分析与电脑技术相结合的方法，其建立的模型直观、省时、准确，结论明确[41]。与传统实验应力分析法相比，它具有可信度高、高效、成本低等优点。但是有限元法受诸多因素的影响，这些因素都会导致最终的实验结果出现偏差。模型的相似性就是关键因素之一，建立三维模型能否准确、真实地模拟实验条件直接关系到有限元分析结果的真实可靠。因此，本研究采用这种目前最先进的生物力学研究方法建立健康成人上气道及其周围结构的三维有限元模型，尝试用全新的方法研究OSAHS。我们采用了层厚为0.625 mm的薄层CT连续扫描结合Mimics 13.0、Ansys 8.0软件建模的方法，保证了模型与真实的上气道具有高度的解剖相似性，为模拟准确、真实的实验条件奠定了基础。
4.4.2三维有限元建模方法及采用CT扫描建模的优点
在口腔医学领域的研究中，常用的三维有限元建模方法有以下几种：（1）CT图像处理法；（2）磨片切片法；（3）3D软件建模法；（4）三维测量法等。3D软件建模法只能应用于结构和形态相对简单的三维有限元模型的建立中，磨片切片法及三维测量法不适用于上气道的三维建模，因此我们采用CT图像处理法。CT扫描建模有很多优点：（1）不损坏模型；（2）适用于任何复杂形态和各种密度的三维结构；（3）扫描间距可以根据需要调节，每个断层面的解剖结构清晰可辨，能较真实地代表原物的结构；（4）实用、简单、快捷、误差小。由于上气道解剖结构非常复杂，我们通过层厚为0.625 mm的薄层CT连续扫描进行重现，保证了模型准确的解剖结构，为模型的几何相似性奠定了基础，而且最大限度地保证了信息的完整，为后期有限元分析奠定了坚实的基础。在数据传输方面，直接将螺旋CT扫描获得的资料通过CT自带的ADW工作站进行数据传输，避免了数据的丢失，保证了模型的可靠性。将CT技术和有限元方法有机地结合起来，应用于三维模型的重建，即CT扫描建模法，其重现的人体组织的形态、结构相似性好，能适应口腔组织结构复杂的要求。
4.5健康成人上气道及其周围结构三维有限元模型的优点和不足
本模型采用螺旋CT扫描图像处理法，其照片准确、安全、无创伤、分辨率高，所得到的断层信息可较清晰地显示骨骼、肌肉、气道等结构，并且各断层是层厚为0.625 mm的连续扫描，这使从CT扫描片通过图像的数据化建立的有限元模型更具有可靠性与真实性。在本模型的建立中，只选择了与下颌骨、舌骨有联系的肌肉与软组织、上气道作为研究对象，与上气道的大小变化关系不大的其他组织一概略去，简化了模型，提高了建模的精度，为后期有限元分析计算提供了方便，使其在后期的力学加载中，简化了计算，精简了不必要的干扰因素，使计算结果更便于分析，且不影响计算结果的准确性。在建模过程中利用软件自带的阈值分割技术，通过规定组织的灰度值范围将所需的组织如骨骼、肌肉及软组织、气道通过不同的灰度值进行边缘自动识别，提高了建模的效率，减少了主观因素的影响。本研究网格划分是通过软件自带的网格划分功能实现的，所以具有通用性；使用的有限元软件是Ansys 8.0，建立的有限元模型与实体具有良好的几何相似性与逼真的组织形态结构，并且可以根据不同研究目的和要求添加各种不同的材料或组织，为今后进一步的研究奠定了基础。在目前查阅的有关上气道三维有限元建模的文献中，2005年国内学者孙秀珍等进行的人体上呼吸道三维有限元重建与流场数值模拟的研究，采用表面重建的方法对5名健康志愿者的上呼吸道进行了三维重建和相应的有限元剖分，应用此模型对上呼吸道的流场进行了数值模拟，研究重点是气体流场的分析。2009年北京大学工学院生物医学工程系荣起国、赵雪岩等学者进行的阻塞性睡眠呼吸暂停综合征的生物力学研究，建立了一个由硬腭水平位置至气管约第2、3软骨下端的人体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。我们建立健康成人上气道及其周围结构的三维有限元模型，选择的目标组织为下颌骨、舌骨、上气道及周围软组织，后期实验中直接在下颌骨或舌骨上加载，直观地观察下颌骨、舌骨的位置变化对上气道的影响，利用三维有限元方法研究OSAHS的发生机制，为口腔矫治器治疗OSAHS提供理论指导。孙秀珍等进行的人体上呼吸道三维有限元重建与流场数值模拟的研究，是从呼吸内科的角度研究气体流场，重点是气体在上气道中流动的特点及规律。我们建立的健康成人上气道及周围结构的三维有限元模型是从口腔科的角度建立包括下颌骨、舌骨、上气道及其周围结构的三维有限元模型，目的是后期借助此模型利用三维有限元方法研究下颌骨的移动对上气道大小形态的影响，并研究与下颌骨相联系及与下颌骨移动关系密切的肌肉在上气道大小形态变化中所起的作用，尝试以三维有限元方法研究OSAHS可能的发病机制，为临床治疗OSAHS提供更加丰富的理论依据。以上几位学者都是以研究OSAHS为目的，选择健康志愿者的上气道作为研究对象，我们采用的方法与他们相同。我们建立的健康成人上气道及其周围结构的三维有限元模型是从研究OSAHS的角度出发，只选择了与上气道形态变化密切相关的下颌骨、舌骨、上气道及周围的软组织，简化了模型的构成，为后期在下颌骨上加载奠定了基础，突出了后期研究的重点，为后期的计算减少了干扰因素，简化了计算过程及分析的内容，对计算结果却不会产生大的影响，为利用三维有限元这一最先进的工具研究OSAHS进行了有益的尝试，这在OSAHS的研究中还极为少见。三维有限元在口腔领域中被广泛采用，但绝大部分是用来研究硬组织结构及口腔材料，涉及软组织的还很少。我们建立的健康成人上气道及其周围结构的三维有限元模型将软组织与骨组织都纳入研究范畴，并将二者联系在一起，可以探讨相关肌肉在下颌骨移动中的作用，这在上气道三维有限元模型中还不多见。
三维有限元模型的几何相似性是所建立的三维有限元模型是否具有研究意义的关键所在。本研究采用Mimics 13.0软件建模，利用其自带的阈值分割技术对CT片中不同组织的不同灰度值进行自动识别，避免了以往建模过程中的人为干预，保证了模型高度的几何相似性，为后期分析计算奠定了基础，保证了计算结果与真实人体组织的相似性。
连接上气道及下颌骨、舌骨的肌肉、软组织在调节上气道的大小形态中起着非常重要的作用，但由于这些肌肉比较细小而且起止点非常复杂，目前在普通CT影像下分离每一条关键的肌肉是一件极其困难的事，因此目前只能把肌肉和软组织作为整体建模，不能区分出重要的肌肉并进行单独的加载实验，这是本模型的不足之处，期望能够在今后的工作中找到新方法来分离这些肌肉，以建立更加接近真实的上气道模型。
本研究通过较为成熟、容易操作的Mimics 13.0图像处理软件及Ansys 8.0三维有限元专用软件，建立了包含下颌骨、舌骨、上气道及其周围结构的健康成人上气道三维有限元模型，实现了CT图像与三维模型的转换，在可视化的界面下对模型进行修改，缩短了建模时间，提高了建模的效率和可操作性。此模型的建立为OSAHS的研究奠定了坚实基础，为研究OSAHS探索了全新的方法和手段。
5结论
（1）采用薄层 CT断层扫描，所得影像可全面准确地再现上气道及其周围细微、复杂的结构，且表现的形态、结构完整，数据精确，所得信息以DICOM数据格式存储，可直接导入Mimics 13.0软件，以此为基础建立的健康成人上气道及其周围结构的三维有限元模型精确度高、相似性好。
（2）使用Mimics 13.0软件可以直接读取CT图像的DICOM数据，无须进行任何格式的转换，可以利用CT片各组织的灰度值进行边缘自动识别，避免了以往方法中人为描图提取CT图像轮廓线的繁琐过程，避免了在反复操作过程中所造成的数据信息丢失，减少了工作量，缩短了建模时间，保证了模型的高度的几何相似性。
（3）大型有限元分析软件 Ansys 8.0功能强大，能与多数CAD软件接口，可实现数据的共享和交换。它能提供一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地建立有限元模型，进行分析计算，并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，使用方便，结果显示清晰、直观。
（4）使用薄层CT扫描技术，将图像处理软件Mimics 13.0和三维有限元分析软件Ansys 8.0结合起来建立健康成人上气道及其周围结构的三维有限元模型，精度高，速度快，建立的模型与真实的解剖结构具有高度相似的几何形态，为后期的力学加载奠定了良好的基础，可以为OSAHS研究提供新的途径和方法。
中英文缩略词表
参考文献
[1] 傅民魁．口腔正畸学[M]．第5版北京：人民卫生出版社，2007:275.
[2] Young T, Palda M, Dempsey J, et al.The Occurrence of sleep disordered breathing in middle-aged adults[J].N Eng J Med,1993,328:1230-1235.
[3] 高雪梅，赵颖，曾祥龙，等．北京地区鼾症和睡眠呼吸暂停综合征的流行病学调查[J]．口腔正畸学杂志，1997,4:162-165.
[4] Isono S, Remmers J E.Anatomy and physiology of upper airway obstruction// Krtger MH.Principles and practice of sleep medicine[M].Philadelphia:Saunder,1994:642-656.
[5] Caples S M, Gami A S, Somers V K.Obstructive sleep apnea [J].Arm Intern Med,2005,142（3）:187-197.
[6] 高萍，李五一，党玉庆，等．OSAHS不同呼吸时相上气道变化的多层螺旋CT评价[J]．中国临床医学影像杂志，2008,19（8）:536-540.
[7] 徐袁瑾，卢晓峰，张志愿，等．OSAHS患者上气道磁共振影像研究[J]．临床口腔医学杂志，2008,24 （6）:353-355.
[8] Lane F, Donnelly.Obstructive Sleep Apnea in Pediatric Patients Evaluation with Cine MR Sleep Studies[J].Radiology,2005,236（3）:768-778.
[9] Moriwaki H, Inoue Y, Namba K, et al.Clinical significance of upper airway obstruction pattern during apneic episodes on ultrafast dynamic magnetic resonance imaging[J].Auris Nasus Larynx,2009,36 （2）:187-191.
[10]曾祥龙，高雪梅．无鼾人群上气道形态的研究进展[J]．中华口腔医学杂志，2007,42（4）:216-218.
[11]Caballero P, AJvarez Sala R.Garcia Rio F, et al.CT in the evaluation of the upper airway in healthy subjects and in patients with obstructive sleep apnea syndrome[J].Chest,1998,113:111-116.
[12]Avrahami E, Englender M.Relation between CT axial cross-sectional area of the oropharym and obstuctive sleep apnea syndrome in andults[J].AJNR Am J Neurorachol,1995,16:135-140.
[13]金煌，卢晓峰．口腔矫治器治疗阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征及上气道形态的变化[J]．上海口腔医学，2008,17（1）:100-102.
[14]Yaqi Huang, David P White, Atul Malhotro.The Impact of Anatomic Manipulations on Pharyngeal Collapse:Results From a Computational Model of the Normal Human Upper Airway [J].Chest, 2005,128:1324-1330.
[15]孙秀珍，于驰，刘迎曦，等．人体上呼吸道三维有限元重建与流场数值模拟[J]．航天医学与医学工程，2006,19（2）:129-133.
[16]赵雪岩，黄任含，荣起国，等．阻塞性睡眠呼吸暂停综合征的生物力学研究[J]．北京大学学报：自然科学版，2009,45（5）:737-742.
[17]贾培增，傅民魁，曾祥龙．下颌前伸对阻塞性睡眠呼吸暂停综合征患者上气道形态的作用[J]．北京大学学报：医学版，2003,35（6）:663-667.
[18]李长涛，高雪梅，李瑛，等．OSAS患者的颅面上气道结构的矢状面测量分析[J]．实用口腔医学杂志，2005,21（4）:460-462.
[19]皮昕．口腔解剖生理学[M]．第5版．北京：人民卫生出版社，2004:116.
[20]李长涛，戴嵘，高雪梅，等．OSAHS患者颅面上气道形态学与睡眠呼吸功能的相关性研究[J]．中国医刊，2006,41:25-27.
[21]曾祥龙．现代口腔正畸学诊疗手册[M]．北京：北京医科大学出版社，2000:591.
[22]曾祥龙，唐志慧．矢状骨面型与上气道形态和舌骨位置关系的研究[J]．现代口腔医学杂志， 2004,18（3）:231-234.
[23]刘月华，曾祥龙，傅民魁，等．正常人群气道结构的X线头影测量研究[J]．口腔正畸学，1997,4 （1）:10-14.
[24]黄敏方，周嫣，陈世稳，等．正常男性青、老年人上气道结构的矢状面测量分析[J]．临床口腔医学杂志，2002,18（6）:419-422.
[25]Finkelstein Y, Wexler D, Horowitz E, et al.Frontal and lateral cephalometry in patients with sleep-disordered breathing[J].Laryngoscope,2001,111（4 Pt1）:634-641.
[26]刘月华，曾祥龙，傅民魁，等．阻塞性睡眠呼吸暂停综合征患者舌骨位置的X线头影测量研究[J].现代口腔医学杂志，1999,13（1）:21-23.
[27]Battagel J M, Johal A, Kotecha B.A cephalometric comparison of subjects with snoring and obstructive sleep apnoea[J].Eur J Orthod,2000,22（4）:353-365.
[28]Dempsey J A, Skatrud J B, Jacques A J, et al.Anatomic determinants of sleep-disordered breathing acmss the spectrum of clinical and nonclinical male subjects[J].Chest,2002,122（3）:840-851.
[29]Seto B H, Gotsopoulos H, Sims M R, et al.Maxillary morphology in obstructive sleep apnoea syndrome[J].Eur J Orthod,2001,23（6）:703-714.
[30]Lowe A A, Fleetham J A, Adachi S, et al.Cephalometric and computed tomographic predictors of obstructive sleep apnea severity[J].Am J Orthod Dentofacial Orthop,1995,107（6）:589-595.
[31]Battagel J M, Johal A, Smith A M, et al.Postural variation in oropharyngeal dimensions in subjects with sleep disordered breathing:a cephalometric study[J].Eur J Orthod,2002,24（3）:263-276.
[32]李树华，曲胜，董莘，等．正常成人上呼吸道CT测量及其意义[J]．中国临床解剖学杂志，2002,20 （6）:447- 450.
[33]刘嘉琳，黄绍光，李庆云，等．螺旋CT对OSAHS患者上气道功能的研究[J]．上海第二医科大学学报，2005,25（5）:502-504.
[34]刘嘉琳，李庆云，黄绍光，等．阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征患者上气道螺旋CT影像阻塞位点研究[J]．上海医学，2005,28（11）:955-957.
[35]张频，赖美华，郭璇．16层螺旋CT对阻塞性睡眠呼吸暂停综合征上气道成像的研究[J]．广州医学院学报，2005,10（23）:517-518.
[36]李树华，董莘，曲胜，等．阻塞性睡眠呼吸暂停综合征发生阻塞部位上呼吸道的CT测量[J]．解放军医学杂志，2002,27（5）:450-452.
[37]蒋奕，郑小华，叶果．阻塞性睡眠呼吸暂停综合征上气道狭窄的CT定位研究[J]．现代临床医学， 2007,33（6）:447-448.
[38]何建德，石慧敏，卢晓蜂．上气道三维CT重建在睡眠呼吸障碍中的应用价值[J]．中国口腔颌面外科杂志，2006,5（4）:168-170.
[39]林忠辉，张红蕾，李传福，等．阻塞性睡眠呼吸暂停综合征患者上气道MRI观察[J]．中华耳鼻咽喉科杂志，2000,2（35）:51-54.
[40]朱静．有限元分析方法在口腔临床中的应用进展[J]．上海生物医学工程，2003,24（3）:53-55.
[41]史俊南．现代口腔内科学[M]．北京：高等医学教育出版社，2000:166-168.
（赵燕玲 李松青 曲爱丽）