基於 CT 影像建立睡眠呼吸中止症的解剖結構與有限元模擬
概述
理解如何保持氣道通暢，能夠幫助我們分析人類咽部被動機械變形對上氣道塌陷的作用。本研究使用 Simpleware 軟體根據 CT 掃描創建詳細 3D 解剖模型，並使用有限元分析 (FEA) 來檢查變形，結果與體內檢查和文獻吻合，為更全面地模擬人體上呼吸道塌陷和阻塞性睡眠呼吸中止症治療提供了起點。
亮點
- 從 CT 取得人體上呼吸道影像數據
- 在 Simpleware ScanIP 中重建 36 個不同的解剖結構
- 在 Simpleware FE 中生成 FE 網格，並套用內氣道壓力邊界條件
- 在 ANSYS Workbench 中進行氣道變形模擬
影像處理和網格生成
使用多層掃描儀獲取氣道正常的 79 歲男性的 CT 掃描數據。
Simpleware ScanIP 用於 DICOM 檔案的 3D 重建和分析，對整個影像集應用二值化中值濾波器以減少雜訊，使用雜訊曲率流濾波器來促進區域內平滑並抑制區域間平滑，消除雜訊並增強灰階邊界。分割 36 個組織、骨骼、軟骨、韌帶、肌肉和膜的獨立解剖結構，採用遞歸高斯平滑對分割結構進行平滑處理，進一步降低雜訊水準並減弱銳利邊緣，將模型的下側裁剪到聲帶附近，以減少 FEA 計算需求。
圖：FEA 3D 模型渲染。 每個數字、顏色都代表一個特定的結構。
使用 Simpleware FE 建立由正四面體元素組成的網格，在模擬之前進行了局部網格細化與額外的網格改進，多部分網格在接觸介面上有共享節點，在氣道壁上定義的節點集施加內氣道壓力邊界條件，並在立方體域邊界與模型的介面處定義節點集，這裡也應用了固定邊界條件。
模擬結果
完成劃分的網格和節點集以 .cdb 格式匯入 ANSYS Workbench 進行模擬，在 ImageJ 中分析橫截面積，證明網格已收斂，在小變形的限制下估算被動咽組織的特性，並以線性彈性作為合理的假設。
在不同氣道壓力下分析口咽部和腭咽部的橫截面積，以確定面積隨著大氣壓力（零）壓力變化的壓力斜率。將斜率結果與已發表的放鬆、麻醉正常受試者的體內實驗數據比較，顯示結果一致，有助於進一步基於影像的建模研究，以及口腔壓力治療的新醫療設備設計。
圖：基於 3D CT 的人類咽部 FEA 模型中總體和定向局部變形的矢狀剖面圖。 (A) 總變形 (B) 橫向定向變形 (C) 前後方向變形 (D) 垂直方向變形
參考資料
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