喉关节的建模及数值模拟研究

张 毅 史廷春 郑文祥

(杭州电子科技大学生物制造研究中心， 杭州 310037)

喉关节的建模及数值模拟研究

张 毅 史廷春*郑文祥

(杭州电子科技大学生物制造研究中心， 杭州 310037)

运用MIMICS软件对喉关节进行个性化三维数字模型重建，并对重建喉模型进行有限元分析。为后续对喉关节进行针对结构特点的细化建模、材料遴选和具有关节的人工喉软骨支架的生物3 D打印提供必要依据。导入CT图像到MIMICS软件，对281层、层间距为1.25 mm的CT螺旋扫描图像进行图像去噪、分割和平滑处理，创建三维模型，对三维模型进行修复，得到完整、精确、清晰的喉关节三维模型。然后使用ANSYS有限元分析软件进行分析。验证主要还是通过与原始层片的比对。人体所有组织的灰度值都不相同，这个灰度在MIMICS中主要是阈值范围体现出来的。利用MIMICS软件不断试验找到喉关节的阈值范围，提取喉关节大概模型轮廓，此时的三维模型和真实人体喉关节外形结构差距比较大，所以需要利用各种方法不断对其相关处理，生成一个和人体喉关节结构相似的三维模型。获得了高精度的喉关节的三维模型，建立了三维坐标系下的可以从任意角度观察的健康人喉关节三维重建生物医学模型和三维有限元模型。该模型在外边轮廓上与真实喉关节具有较好的几何相似性，在喉发声上喉软骨和喉关节相互作用与真实喉关节具有很好的力学相似性。

喉关节；有限元；喉再造；三维重建

引言

喉内部组织中，喉关节控制着喉的发声、呼吸和吞咽功能。因先天畸形、喉癌切除或严重碎裂等引起的喉软骨缺损不仅会严重影响其日常呼吸、吞咽和发声等，而且会危及生命。喉部外伤和喉部疾病外科手术常带来喉腔的复杂缺损，由于损伤和疾病侵犯范围大，喉软骨的支撑作用丧失，术后常不能拔管。由于软骨缺乏再生能力，病损后难以自身修复，必须先建立喉软骨的三维模型并利用其它组织或替代材料进行修复与重建。因此建立喉关节的三维模型对喉软骨损伤康复研究有重要的指导意义。本研究在前期人工喉、人工耳廓支架等组织工程研究的基础上，利用MIMICS和ANSYS两个软件，从螺旋CT数据得到人体完整颈部层片数据，根据CT图像的灰度值分离出喉软骨及喉关节组织，赋予软骨组织材料属性，建立了具有高度仿真性的喉关节三维有限元模型，并对模型进行有限元分析[1]。

1 材料和方法

1.1实验设备和软件

实验设备：计算机：主频 3 GHz，内存2GB，Windows XP，硬盘250 GB。

软件：MIMICS10.01(比利时)软件，有限元分析软件Ansys(美国)。

1.2获取CT图像

通过螺旋CT扫描机扫描获取杭州整形外科医院某男性(29岁)颅脑的CT图片。在进行CT扫描时，为了满足后续建模工作的需要，应注意两点：(1)对患者头部进行CT断层扫描，在CT成像的过程中，头部在纵轴保持方向不变，每隔1.25 mm 间距扫描一次[2];(2)由于只需要鼻孔到肩部之间的颈部CT图片，为了节省后续的建模时间，扫描时从鼻骨以下开始扫描。将CT扫描所得数据存储成DICOM格式，导入到MIMICS中进行处理。

1.3三维模型的建立

用MIMICS软件对这些CT层片进行图像增强处理[3-4]，作区域增长分割出喉组织，接着对图像进行阈值分割，将灰度图像变为二值图像以达到分割目的[5-6]。每层图像经边缘分割、选择性编辑及除噪处理，去除冗余数据[7-10]，经3 D计算建立喉关节三维几何模型。

将喉软骨模型进一步分离出甲状软骨、环状软骨及环甲关节。如图1所示，图(a)为甲状软骨环状软骨及关节完整图，图(b)为甲状软骨图，图(c)为环状软骨。

图1 甲状软骨，环状软骨和环甲关节。(a)软骨及关节；(b)甲状软骨；(c)环状软骨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

环状软骨位于喉的最下方、呈环形，前方为环状软骨弓，后方为环状软骨板。环状软骨加压(creicoid pressure，CP)是临床麻醉尤其急诊麻醉中对饱胃病人进行全麻诱导时的一项标准操作。其定义是指全麻诱导期压迫环状软骨以压闭食管，防止胃食管内容物返流入咽部以预防发生吸入性肺炎的一种方法[11-13]。Vanner推荐对清醒病人用10N压迫环状软骨,待意识消失后压力可增大到30N，认为这是CP的合理压力[14-15]。以下对环状软骨进行受力分析，研究其力学相似性。

2.1面网格模型的优化

MIMICS的FEA模块可以将扫描输入的数据进行快速处理，输出相应的文件格式，用于有限元分析(FEA)，用户可用扫描数据建立3 D模型，然后对表面进行网格划分以应用在FEA分析中[16]。使用Remesh命令会自动调用软件Magics来对所需模型进行优化处理,提高三角片质量。使用MIMICS基于断层扫描图片得到三维模型后，继而使用FEA模块的Remesh功能将模型进行网格划分，对FEA的输入数据进行最大限度的优化。另外Magics可以探测到交差的或者网格质量差的三角片并清除它们，这样也会简化模型并减少有限元分析的工作量[17]。

在图2中，图(a)为网格划分前的模型。网格重划前对面网格单元质量的检测，使用的标准是三角形的高比边长(H/B)，设定的值为0.25。图(b)中着色的三角片是质量小于设定值0.3的三角片，显示质量达不到此要求的三角占19%，合格的占81%。

图2 网格划分前的模型。(a)网格划分前的模型；(b)网格质量检测直方图Fig.2 Unoptimized mesh model. (a) Primitive mesh model；(b) Quality testing histogram

在图3中，图(a)为网格重新划分优化后的模型。图(b)为网格重划后质量检测直方图，显示低于质量标准的三角片面单元已经全部去除，规范了面网格的质量，在此基础上生成的体网格的质量提高，三角片数量由186 467大大减少到8 380，使计算的时间缩短，且计算的结果可信度增高。

图3 网格优化后的模型。(a)网格优化后的模型；(b)网格质量检测直方图Fig.3 Optimized mesh model. (a)Optimized mesh model；(b) Quality testing histogram

在Mimics软件中FEA模块下使用Remesh功能将3D模型表面网格重新划分，并且对模型表面进行平滑等优化处理，最后输出为Lis文件(基于单元的Lis文件)，用于在Ansys中生成体网格模型[18]。

2.2面网格模型转换为体网格模型

将Lis文件导入到ANSYS中(read input from)，导入后选择solid92单元类型并进一步压缩节点和单元，然后生成体网格模型如图4。

图4 环状软骨体网格模型Fig.4 Cricoid cartilage volume mesh model

2.3对模型进行有限元分析

运用有限元分析软件ANSYS对环状软骨有限元模型施加载荷，进行有限元分析。

2.3.1材料设定

喉软骨具有非线性、各向异性和非均质性等力学特性，其力学参数不易确定。在进行受力分析时，必须对模型性质作一定简化。本文将环状软骨设为各向同性、均质连续的线弹性材料，由于聚氨酯材料的弹性模量在60 MPa左右，设材料的弹性模量为：60 MPa，泊松比为：0.47。

2.3.2载荷设定

本研究模拟成年人使用CP临床麻醉时的受力情况，沿环状软骨板方向对环状软骨施加30N载荷，得出环状软骨的受力情况。

边界条件：固定环状软骨弓，即X、Y、Z轴上远端各节点的位移为0，选取环状软骨板中心表面8 000个节点为施力点。基于模拟CP,环状软骨弓为约束端，做支撑，向环状软骨板施加30 N压力，分析环状软骨的应力情况，具体分布如图5所示。

图5 加载力示意(A：正面施加30 N压力；B：对称面为约束端)Fig.5 The loading force diagram (A:the measured parameters for 30 N load； B:the constraints side)

3 结果

在如下图6所示加载力后计算该状态下的环状软骨弓的应力分布，在ANSYS中观察von mises stress的分布，其中颜色从白到黑逐渐过渡，代表力的值从小到大逐渐变化，黑色代表应力的最大值。从应力和应变图可以看出，当环状软骨弓固定，沿环状软骨板施加载荷时，载荷应力密集分布区域主要集中在环状软骨弓，环状软骨弓上段1/3处内侧及外侧较为集中。原因在于施加载荷过程中，环状软骨弓内侧主要承受CP压应力，外侧主要承受拉应力。

图6 受力分布图。(a)为正面受力分布；(b)为侧面受力分布Fig.6 The force distribution of cricoid. (a) The front of cricoid；(b) The back of cricoid

4 讨论和结论

CP应用于临床麻醉已有40余年，成为对有误吸可能的高危病人实施麻醉时常规采用方法。CP应用的安全性和有效性也受到越来越多麻醉医生的重视[19]。对环状软骨的集中受力点进行描述，并对受力集中部位和容易发生骨折的情况进行分析。可得出环状软骨弓内侧是主要受力点且承受压力最大，可以推断出环状软骨上段1/3处内侧及外侧的结构是最容易骨折脆裂的部分，为后期环状软骨支架的制备等研究提供事实依据。

本研究使用MIMICS软件，对CT图像进行处理，快速建立喉软骨组织的三维数字化模型，分析了天然喉软骨的应力应变情形，验证了临床上采用的外力大小的正确性。而对聚氨酯材料的分析，是为研制具有关节的聚氨酯弹性喉软骨支架奠定前期基础。聚氨酯材料具有良好生物相容性、可调整的弹性、人体内的稳定不降解性，使之成为关节喉软骨支架的重要候选材料。建立的数字化模型可以直接转换为有限元软件能够读取的数据格式供进一步生物力学研究应用。模型重现的组织形态、结构相似性好。运用该方法重建数字模型有很好的可重复性，并可以扩展到人体其它部位的三维数字化模型的建立[20]。本研究只建立了喉环状软骨，甲状软骨和环甲关节三维模型，并对环状软骨进行进行相关的力学测试和有限元受力分析。为后期模型支架的打印和医学实验的研究奠定了良好的基础。

[1] 李鹏，梁瑞，申龙朵,等.应用mimics和ansys软件建立下颌骨三维有限元模型的方法学研究[J]. 实用口腔医学杂志,2012,28(6):709-713.

[2] 李银波，洪波，高上凯,等.人体CT切片图像中骨骼的分割[J].生物医学工程学杂志,2004,21(2):169-173.

[3] Nusinov NS, Gay WD. A method for obtaining the reverse image of an ear[J].The Journal of Prosthetic Dentistry,1980,44(1):68-71.

[4] Coward TJ. A comparison of prosthetic ear models created from data captured by computerized tomography, magnetic resonance imaging, and laser scanning[J]. International Journal of Prosthodontics, 2007,20(3):275-285.

[5] Crawford CR, King KF. Computed tomography scanning with simultaneous patient translation [J]. Med Phys, 1990,17(6):967-982.

[6] Polacin A, Kalender WA. Marchal CT. Radiology [J]. 1992,185(1):29-35.

[7] 鲍春雨,刘晋浩. 基于CT图像人体脊柱腰椎节段逆向工程研究[J]. 机械设计， 2008,9(25):16-18.

[8] Subburaj K, Nair C, Rajesh S,etal. Rapid development of auricular prosthesis using CAD and rapid prototyping technologies[J]. International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery， 2007,36(10):938-943.

[9] Tamas Sandor. Segmentation of brain CT images using the concept of region growing[J]. International Journal of Bio-Medical Computing, 1991,29(2):133-147.

[10] Zhang J, Yan CH. Fast segmentation of bone in CT images using 3D adaptive thresholding[J]. Computers in Biology and Medicine, 2010,40(2):231-236.

[11] Hartsilver EL, Vanner RG, Bewley J,etal. Gastric pressure during emergency caesarean section under general anaesthesia[J]. British journal of anaesthesia, 1999,82(5): 752-754.

[12] Vanner RG, O’dwyer JP, Pryle BJ,etal. Upper oesophageal sphincter pressure and the effect of cricoid pressure[J]. Anaesthesia, 1992,47(2): 95-100.

[13] Vanner RG, Pryle BJ. Regurgitation and oesophageal rupture with cricoid pressure: a cActaver study [J]. Anaesthesia, 1992,47(9): 732-735.

[14] Ruth M J, Griffiths R. Safe use of cricoid pressure [J]. Anaesthesia, 1999,54(5): 498-498.

[15] 余海,王泉云.环状软骨加压的临床应用新进展[J]. 华西医学,2002,17(3):432-434.

[16] 王丽珍.基于 CT 扫描之腰椎椎体有限元分析[D].长春:吉林大学,2007.

[17] 焦培峰,齐向东,祁佐良.下颌角的 CT 三维重建模拟整形术[J].解剖学报,2006,37(5):449-451.

[18] Zheng WX, Shi TC, Yue XY.The research of laryngeal reconstruction with personalized artificial larynx using tissue engineering[J].Advanced Materials Research, 2013,655(6):1939-1944.

[19] Asai T, Barclay K, McBeth C,etal. Cricoid pressure applied after placement of the laryngeal mask prevents gastric insufflation but inhibits ventilation[J]. British journal of Anaesthesia, 1996,76(6): 772-776.

[20] 傅栋,靳安民,闵少雄,等.腰椎运动节段数字模型建立及三维可视化研究[J].南方医科大学学报,2007,27(9):1376-1378.

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， 录用日期:2014-02-11

国家自然科学基金(61272389)

R322

D

0258-8021(2014) 02-0241-05

*通信作者。E-mail: stc@hdu.edu.cn