張 毅 史廷春 鄭文祥

(杭州電子科技大學(xué)生物制造研究中心， 杭州 310037)

喉關(guān)節(jié)的建模及數(shù)值模擬研究

張 毅 史廷春*鄭文祥

(杭州電子科技大學(xué)生物制造研究中心， 杭州 310037)

運用MIMICS軟件對喉關(guān)節(jié)進行個性化三維數(shù)字模型重建，并對重建喉模型進行有限元分析。為后續(xù)對喉關(guān)節(jié)進行針對結(jié)構(gòu)特點的細化建模、材料遴選和具有關(guān)節(jié)的人工喉軟骨支架的生物3 D打印提供必要依據(jù)。導(dǎo)入CT圖像到MIMICS軟件，對281層、層間距為1.25 mm的CT螺旋掃描圖像進行圖像去噪、分割和平滑處理，創(chuàng)建三維模型，對三維模型進行修復(fù)，得到完整、精確、清晰的喉關(guān)節(jié)三維模型。然后使用ANSYS有限元分析軟件進行分析。驗證主要還是通過與原始層片的比對。人體所有組織的灰度值都不相同，這個灰度在MIMICS中主要是閾值范圍體現(xiàn)出來的。利用MIMICS軟件不斷試驗找到喉關(guān)節(jié)的閾值范圍，提取喉關(guān)節(jié)大概模型輪廓，此時的三維模型和真實人體喉關(guān)節(jié)外形結(jié)構(gòu)差距比較大，所以需要利用各種方法不斷對其相關(guān)處理，生成一個和人體喉關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)相似的三維模型。獲得了高精度的喉關(guān)節(jié)的三維模型，建立了三維坐標系下的可以從任意角度觀察的健康人喉關(guān)節(jié)三維重建生物醫(yī)學(xué)模型和三維有限元模型。該模型在外邊輪廓上與真實喉關(guān)節(jié)具有較好的幾何相似性，在喉發(fā)聲上喉軟骨和喉關(guān)節(jié)相互作用與真實喉關(guān)節(jié)具有很好的力學(xué)相似性。

喉關(guān)節(jié)；有限元；喉再造；三維重建

引言

喉內(nèi)部組織中，喉關(guān)節(jié)控制著喉的發(fā)聲、呼吸和吞咽功能。因先天畸形、喉癌切除或嚴重碎裂等引起的喉軟骨缺損不僅會嚴重影響其日常呼吸、吞咽和發(fā)聲等，而且會危及生命。喉部外傷和喉部疾病外科手術(shù)常帶來喉腔的復(fù)雜缺損，由于損傷和疾病侵犯范圍大，喉軟骨的支撐作用喪失，術(shù)后常不能拔管。由于軟骨缺乏再生能力，病損后難以自身修復(fù)，必須先建立喉軟骨的三維模型并利用其它組織或替代材料進行修復(fù)與重建。因此建立喉關(guān)節(jié)的三維模型對喉軟骨損傷康復(fù)研究有重要的指導(dǎo)意義。本研究在前期人工喉、人工耳廓支架等組織工程研究的基礎(chǔ)上，利用MIMICS和ANSYS兩個軟件，從螺旋CT數(shù)據(jù)得到人體完整頸部層片數(shù)據(jù)，根據(jù)CT圖像的灰度值分離出喉軟骨及喉關(guān)節(jié)組織，賦予軟骨組織材料屬性，建立了具有高度仿真性的喉關(guān)節(jié)三維有限元模型，并對模型進行有限元分析[1]。

1 材料和方法

1.1實驗設(shè)備和軟件

實驗設(shè)備：計算機：主頻 3 GHz，內(nèi)存2GB，Windows XP，硬盤250 GB。

軟件：MIMICS10.01(比利時)軟件，有限元分析軟件Ansys(美國)。

1.2獲取CT圖像

通過螺旋CT掃描機掃描獲取杭州整形外科醫(yī)院某男性(29歲)顱腦的CT圖片。在進行CT掃描時，為了滿足后續(xù)建模工作的需要，應(yīng)注意兩點：(1)對患者頭部進行CT斷層掃描，在CT成像的過程中，頭部在縱軸保持方向不變，每隔1.25 mm 間距掃描一次[2];(2)由于只需要鼻孔到肩部之間的頸部CT圖片，為了節(jié)省后續(xù)的建模時間，掃描時從鼻骨以下開始掃描。將CT掃描所得數(shù)據(jù)存儲成DICOM格式，導(dǎo)入到MIMICS中進行處理。

1.3三維模型的建立

用MIMICS軟件對這些CT層片進行圖像增強處理[3-4]，作區(qū)域增長分割出喉組織，接著對圖像進行閾值分割，將灰度圖像變?yōu)槎祱D像以達到分割目的[5-6]。每層圖像經(jīng)邊緣分割、選擇性編輯及除噪處理，去除冗余數(shù)據(jù)[7-10]，經(jīng)3 D計算建立喉關(guān)節(jié)三維幾何模型。

將喉軟骨模型進一步分離出甲狀軟骨、環(huán)狀軟骨及環(huán)甲關(guān)節(jié)。如圖1所示，圖(a)為甲狀軟骨環(huán)狀軟骨及關(guān)節(jié)完整圖，圖(b)為甲狀軟骨圖，圖(c)為環(huán)狀軟骨。

圖1 甲狀軟骨，環(huán)狀軟骨和環(huán)甲關(guān)節(jié)。(a)軟骨及關(guān)節(jié)；(b)甲狀軟骨；(c)環(huán)狀軟骨Fig.1 Thyroid cartilage, cricoid cartilage and joint. (a) Cartilage and joint；(b) Thyroid cartilage；(c) Cricoid cartilage

2 模型的有限元分析

環(huán)狀軟骨位于喉的最下方、呈環(huán)形，前方為環(huán)狀軟骨弓，后方為環(huán)狀軟骨板。環(huán)狀軟骨加壓(creicoid pressure，CP)是臨床麻醉尤其急診麻醉中對飽胃病人進行全麻誘導(dǎo)時的一項標準操作。其定義是指全麻誘導(dǎo)期壓迫環(huán)狀軟骨以壓閉食管，防止胃食管內(nèi)容物返流入咽部以預(yù)防發(fā)生吸入性肺炎的一種方法[11-13]。Vanner推薦對清醒病人用10N壓迫環(huán)狀軟骨,待意識消失后壓力可增大到30N，認為這是CP的合理壓力[14-15]。以下對環(huán)狀軟骨進行受力分析，研究其力學(xué)相似性。

2.1面網(wǎng)格模型的優(yōu)化

MIMICS的FEA模塊可以將掃描輸入的數(shù)據(jù)進行快速處理，輸出相應(yīng)的文件格式，用于有限元分析(FEA)，用戶可用掃描數(shù)據(jù)建立3 D模型，然后對表面進行網(wǎng)格劃分以應(yīng)用在FEA分析中[16]。使用Remesh命令會自動調(diào)用軟件Magics來對所需模型進行優(yōu)化處理,提高三角片質(zhì)量。使用MIMICS基于斷層掃描圖片得到三維模型后，繼而使用FEA模塊的Remesh功能將模型進行網(wǎng)格劃分，對FEA的輸入數(shù)據(jù)進行最大限度的優(yōu)化。另外Magics可以探測到交差的或者網(wǎng)格質(zhì)量差的三角片并清除它們，這樣也會簡化模型并減少有限元分析的工作量[17]。

在圖2中，圖(a)為網(wǎng)格劃分前的模型。網(wǎng)格重劃前對面網(wǎng)格單元質(zhì)量的檢測，使用的標準是三角形的高比邊長(H/B)，設(shè)定的值為0.25。圖(b)中著色的三角片是質(zhì)量小于設(shè)定值0.3的三角片，顯示質(zhì)量達不到此要求的三角占19%，合格的占81%。

圖2 網(wǎng)格劃分前的模型。(a)網(wǎng)格劃分前的模型；(b)網(wǎng)格質(zhì)量檢測直方圖Fig.2 Unoptimized mesh model. (a) Primitive mesh model；(b) Quality testing histogram

在圖3中，圖(a)為網(wǎng)格重新劃分優(yōu)化后的模型。圖(b)為網(wǎng)格重劃后質(zhì)量檢測直方圖，顯示低于質(zhì)量標準的三角片面單元已經(jīng)全部去除，規(guī)范了面網(wǎng)格的質(zhì)量，在此基礎(chǔ)上生成的體網(wǎng)格的質(zhì)量提高，三角片數(shù)量由186 467大大減少到8 380，使計算的時間縮短，且計算的結(jié)果可信度增高。

圖3 網(wǎng)格優(yōu)化后的模型。(a)網(wǎng)格優(yōu)化后的模型；(b)網(wǎng)格質(zhì)量檢測直方圖Fig.3 Optimized mesh model. (a)Optimized mesh model；(b) Quality testing histogram

在Mimics軟件中FEA模塊下使用Remesh功能將3D模型表面網(wǎng)格重新劃分，并且對模型表面進行平滑等優(yōu)化處理，最后輸出為Lis文件(基于單元的Lis文件)，用于在Ansys中生成體網(wǎng)格模型[18]。

2.2面網(wǎng)格模型轉(zhuǎn)換為體網(wǎng)格模型

將Lis文件導(dǎo)入到ANSYS中(read input from)，導(dǎo)入后選擇solid92單元類型并進一步壓縮節(jié)點和單元，然后生成體網(wǎng)格模型如圖4。

圖4 環(huán)狀軟骨體網(wǎng)格模型Fig.4 Cricoid cartilage volume mesh model

2.3對模型進行有限元分析

運用有限元分析軟件ANSYS對環(huán)狀軟骨有限元模型施加載荷，進行有限元分析。

2.3.1材料設(shè)定

喉軟骨具有非線性、各向異性和非均質(zhì)性等力學(xué)特性，其力學(xué)參數(shù)不易確定。在進行受力分析時，必須對模型性質(zhì)作一定簡化。本文將環(huán)狀軟骨設(shè)為各向同性、均質(zhì)連續(xù)的線彈性材料，由于聚氨酯材料的彈性模量在60 MPa左右，設(shè)材料的彈性模量為：60 MPa，泊松比為：0.47。

2.3.2載荷設(shè)定

本研究模擬成年人使用CP臨床麻醉時的受力情況，沿環(huán)狀軟骨板方向?qū)Νh(huán)狀軟骨施加30N載荷，得出環(huán)狀軟骨的受力情況。

邊界條件：固定環(huán)狀軟骨弓，即X、Y、Z軸上遠端各節(jié)點的位移為0，選取環(huán)狀軟骨板中心表面8 000個節(jié)點為施力點?；谀MCP,環(huán)狀軟骨弓為約束端，做支撐，向環(huán)狀軟骨板施加30 N壓力，分析環(huán)狀軟骨的應(yīng)力情況，具體分布如圖5所示。

圖5 加載力示意(A：正面施加30 N壓力；B：對稱面為約束端)Fig.5 The loading force diagram (A:the measured parameters for 30 N load； B:the constraints side)

3 結(jié)果

在如下圖6所示加載力后計算該狀態(tài)下的環(huán)狀軟骨弓的應(yīng)力分布，在ANSYS中觀察von mises stress的分布，其中顏色從白到黑逐漸過渡，代表力的值從小到大逐漸變化，黑色代表應(yīng)力的最大值。從應(yīng)力和應(yīng)變圖可以看出，當環(huán)狀軟骨弓固定，沿環(huán)狀軟骨板施加載荷時，載荷應(yīng)力密集分布區(qū)域主要集中在環(huán)狀軟骨弓，環(huán)狀軟骨弓上段1/3處內(nèi)側(cè)及外側(cè)較為集中。原因在于施加載荷過程中，環(huán)狀軟骨弓內(nèi)側(cè)主要承受CP壓應(yīng)力，外側(cè)主要承受拉應(yīng)力。

圖6 受力分布圖。(a)為正面受力分布；(b)為側(cè)面受力分布Fig.6 The force distribution of cricoid. (a) The front of cricoid；(b) The back of cricoid

4 討論和結(jié)論

CP應(yīng)用于臨床麻醉已有40余年，成為對有誤吸可能的高危病人實施麻醉時常規(guī)采用方法。CP應(yīng)用的安全性和有效性也受到越來越多麻醉醫(yī)生的重視[19]。對環(huán)狀軟骨的集中受力點進行描述，并對受力集中部位和容易發(fā)生骨折的情況進行分析?？傻贸霏h(huán)狀軟骨弓內(nèi)側(cè)是主要受力點且承受壓力最大，可以推斷出環(huán)狀軟骨上段1/3處內(nèi)側(cè)及外側(cè)的結(jié)構(gòu)是最容易骨折脆裂的部分，為后期環(huán)狀軟骨支架的制備等研究提供事實依據(jù)。

本研究使用MIMICS軟件，對CT圖像進行處理，快速建立喉軟骨組織的三維數(shù)字化模型，分析了天然喉軟骨的應(yīng)力應(yīng)變情形，驗證了臨床上采用的外力大小的正確性。而對聚氨酯材料的分析，是為研制具有關(guān)節(jié)的聚氨酯彈性喉軟骨支架奠定前期基礎(chǔ)。聚氨酯材料具有良好生物相容性、可調(diào)整的彈性、人體內(nèi)的穩(wěn)定不降解性，使之成為關(guān)節(jié)喉軟骨支架的重要候選材料。建立的數(shù)字化模型可以直接轉(zhuǎn)換為有限元軟件能夠讀取的數(shù)據(jù)格式供進一步生物力學(xué)研究應(yīng)用。模型重現(xiàn)的組織形態(tài)、結(jié)構(gòu)相似性好。運用該方法重建數(shù)字模型有很好的可重復(fù)性，并可以擴展到人體其它部位的三維數(shù)字化模型的建立[20]。本研究只建立了喉環(huán)狀軟骨，甲狀軟骨和環(huán)甲關(guān)節(jié)三維模型，并對環(huán)狀軟骨進行進行相關(guān)的力學(xué)測試和有限元受力分析。為后期模型支架的打印和醫(yī)學(xué)實驗的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。

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ResearchonReconstructionandFEMAnalysisofLaryngealJoints

ZHANG Yi SHI Ting-Chun*ZHENG Wen-Xiang

(HangzhouDianziUniversity,ResearchCenterforBio-manufacturing,Hangzhou310037，China)

laryngeal joints; finite element; laryngeal reconstruction; three-dimensional reconstruction

10.3969/j.issn.0258-8021.2014.02.015

2013-08-20， 錄用日期:2014-02-11

國家自然科學(xué)基金(61272389)

R322

D

0258-8021(2014) 02-0241-05

*通信作者。E-mail: stc@hdu.edu.cn