CN103050042A

CN103050042A - 一种声带质量分布模型及其构建方法

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Publication number: CN103050042A
Application number: CN2012105137266A
Authority: CN
Inventors: 陈东帆; 黄昭鸣; 陈维涛; 卢海丹; 韩兴乾; 周晨; 王曜宇
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2032-12-04
Also published as: CN103050042B

Abstract

本发明公开了一种声带质量分布模型的构建方法，包括：获取声带的核磁共振图像；根据图像提取声带的边界轮廓，形成声带表面的网格图；根据网格图构建三维声带模型；根据三维声带模型，制作快速成型模型与数控成组模型；将快速成型模型与数控成组模型组合，得到声带质量分布模型。本发明通过快速成型技术制作声带的快速成型模型。通过本发明制作的声带质量分布模型可以模拟三维病理声带实体，能够更好地模拟声带的正常振动，为声带疾病治疗技术、病理噪音测量与研究提供了实验基础。

Description

一种声带质量分布模型及其构建方法

技术领域

本发明属于物理模型仿生领域，特别涉及一种声带质量分布模型及其构建方法。

背景技术

声带的弹簧-质量块模型首先是由Flanagan和Landgraf提出来的，如图1(a)所示。在这个模型中，质量块M象征着声带的长度、表面积和质量，弹簧K和阻尼B象征着声带组织的弹性和粘性。该系统受一个力F作用，这个力是由于声门上的空气压力Ps作用在声带内表面产生的。

然后，Ishizaka和Flanagan提出了二质量块模型，如图(b)。这个模型是迄今为止被引用最多的，因为它不仅结合声道耦合，而且表面还具有波浪状运动能力。在此模型中，声带是双侧对称的。每个声带由两个质量块组成，分别由两个非线性弹簧和阻尼器连接到刚性壁上。这个刚性壁被用来模拟甲状软骨。一个在两个质量块之间的线性弹簧实现波状运动。

之后，Titze于1973年提出了十六自由度的质量块模型，该模型试图模拟声带的各种活动，包括声带的垂直和水平运动及其相位差。该模型认为：声带是由两部分所构成，就是与声韧带(固有层中层和深层)紧密连接的粘膜和声带肌(甲杓内肌)。这两部分在振动时有不同的表现。双自由度系统则假设这两部份之间的联系是很松散的，而十六自由度模型中整体质量和张力的差异更多地解释了粘膜和声带肌之间地垂直相位差。另外，粘膜和声带肌之间的连接随着音调的变化而变化，音调会随着声带张力及长度变化。

质量块模型能够较好地模拟正常声带振动，但由于其离散性较难来模拟病理声带，也较难来模拟声带的特征。另外，每个质量块都需要相应的弹簧振子，使得计算量急剧增加，边界条件难以确定，无法应用于临床，故创立四十年来鲜有进展。在相当程度上影响了人喉功能障碍的基础研究及其相应治疗技术的进一步发展。

发明内容

本发明克服了背景技术中的上述缺陷，提出了一种声带质量分布模型的构建方法。

本发明提出了一种声带质量分布模型的构建方法，包括：

步骤一：获取声带的图像；

步骤二：根据所述图像提取所述声带的边界轮廓，形成所述声带表面的网格图；

步骤三：根据所述网格图构建三维声带模型；

步骤四：根据所述三维声带模型，制作快速成型模型与数控成组模型；

步骤五：将所述快速成型模型与数控成组模型组合，得到声带质量分布模型。

其中，所述步骤一中的图像通过核磁共振成像、电声门图、喉内窥镜获得。

其中，所述步骤二进一步包括：对所述边界轮廓进行平滑处理。

其中，所述步骤四中，所述快速成型模型通过快速成型技术制作得到。根据声带的生理分层结构，在快速成型制造过程中，使用不同密度、杨氏模量、泊松比的材料，生成不同厚度的快速成型模型。

其中，所述步骤五中，通过螺栓紧固装置将所述快速成型模型与数控成组模型组合；将快速成型模型安装在数控成组模型上的夹紧槽里，通过紧固螺栓夹紧，制成模拟声带振动的质量分布模型。

本发明还提出了一种声带质量分布模型，按本发明构建方法制备获得，包括：根据声带的核磁共振图像提取声带的边界轮廓，并且生成声带表面的网格图；根据声带的表面的网格图以及声带的三层生理结构快速成型生成声带的快速成型模型；将快速成型模型与数控成组模型生成可以模拟人体声带振动的质量分布模型。

本发明通过快速成型技术，直接读取三维声带模拟CAD数据，快速制造出病理声带质量模块，实现声带模型设计、制造高度以及速度高度一体化。本发明声带质量分布模型的构建方法在成型过程中无需使用专用夹具、模具、刀具等，可以制造任意复杂形状的、连续的三维的病理快速成型模型。

本发明声带质量分布模型可以模拟三维病理声带实体，能够更好地模拟声带的正常振动，为声带治疗技术、病理噪音测量与研究提供了实验基础。

通过本发明制作的声带质量分布模型能够发出两个以上音域的声音，发音方式更真实，还能够满足解剖学、病理学研究的需要，可以调节与生理特征相关联的参数。

本发明的声带质量分布模型能够模拟声带的瞬时反应，如轻声咳嗽等，而且能够模拟不同年龄段的正常及病理声带。

本发明声带质量分布模型能够模拟真实人体的声带的振动情况，为探索人体的发声机制提供技术支持。

附图说明

图1为背景技术质量块模型的示意图；其中，图1(a)是单质量块模型示意图；图1(b)是双质量块模型示意图；图1(c)是十六质量块模型示意图。

图2为本发明声带模型的示意图。

图3为本发明声带质量分布模型的正常模型及病理模型的示意图；其中，图3(a)是正常声带模型示意图；图3(b)是喉噗模型示意图；图3(c)是声带息肉模型示意图；图3(d)是声带沟模型示意图。

图4为本发明中提取气管轮廓线的示意图；其中，图4(a)为核磁共振成像提取的气管图像；图4(b)为气管内空气部分的图像；图4(c)为通过圆形覆盖的气管图像；图4(d)为提取得到的气管截面视图。

图5为本发明声带质量分布模型的病理声带模拟示意图；其中，图5(a)是病理声带的喉内窥镜图；图5(b)是病理声带网格图；图5(c)是病理声带的快速成型模型的示意图。

图6为本发明声带质量分布模型的构建过程的示意图。

图7为本发明声带质量分布模型的构建方法的流程图。

图8为锯齿状声带轮廓的网格图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

本发明的声带质量分布模型的构建方法，如图7所示，包括以下步骤：

步骤一：获取声带的图像。图像获取的方式包括核磁共振成像、电声门图、喉内窥镜。当图像通过核磁共振成像技术获得，扫描时测试对象取仰卧位，眶耳平面与水平面垂直，扫描平面分别垂直于髁突长轴，进行斜矢状向扫描，层厚0.74mm，无间隔扫描，共获取双侧TMJ断层影像71张。扫描时选常规喉部MRI扫描程序和主要技术参数。被试者采取仰卧位，冠状扫描范围从鼻尖至颈部边缘，轴位扫描范围取声门上下50mm的距离。最后应用MRI机自带的软件将所获取的DICOM影像学数据转化为BMP格式的图像。

步骤二：根据图像提取声带的边界轮廓，形成声带表面的网格图。使用MIMICS软件对声带的边界轮廓进行光滑处理，降低噪声对于声带轮廓的影响，提取声带的边界轮廓，并形成声带表面的网格图。MIMICS软件中的Segmentation菜单下提供了一些图像分割工具，能够实现最基本的分割算法(除了微分算子)。MIMICS软件的图像分割是交互式进行的，因此分割效果很大程度上取决于分割的流程设计。

步骤三：根据网格图构建三维声带模型。三维声带模型通过三维成像软件实现，三维成像软件通过直接读取网格图的数据，在计算机中生成三维声带模型。然后制作快速成型模型，本发明通过快速成型(RP，Rapid Prototype)技术，根据计算机中的三维声带模型，制作快速成型模型。

步骤四：根据三维声带模型，制作数控成组模型，数控成组模型为一个长方体空心铝块，数控成组模型的长方体铝块上方设置有一个带有紧固螺栓的方形凹槽，通过紧固螺栓固定快速成型模型。

步骤五：将快速成型模型安装在数控成组模型上的凹槽里，旋转下方的紧固螺栓，将声带快速成型模型紧固到数控成组模型上，得到声带质量分布模型，。

本发明构建方法制备得到的声带质量分布模型，可以模拟不同年龄段的正常或病理声带的几何特性。例如，纵向为声带长度指向，横向为声带宽度指向，正常成年男性声带的宽度是16mm，长度是9mm，深度是5mm。根据不同年龄段形成不同的质量块，按照16∶9排列在底座上，如图2所示。质量分布模型设置在弹簧片上，可以模拟人体声带在发声过程中的振动。

声带的三层组织包括肌层、声韧带层及粘膜层，根据声带三层组织的结构特点，本发明构建形成了质量分布模型，其中，本发明构建形成的声带质量分布模型将声带物理模型分为快速成型模型与数控重组模型的组合，既可以模拟声带的正常振动，还可以模拟声带的各种病理特征。本发明采用质量分布模型，如图3(a)所示。本发明的质量分布模型可以模拟声带的各种病理特征，包括：对声带振动长度的模拟，可以通过调节纵向的自由度来模拟声带振动部分的长度，例如，喉噗具有较小的纵向自由度，如图3(b)所示。对声带质量的模拟，即通过在不同位置质量的大小模拟不同的病例声带组织，例如，声带息肉在局部位置具有较大的质量，如图3(c)所示。对声带韧度的模拟，即通过使用不同弹性系数的材料来模拟不同韧度的声带病理，例如，声带沟在纵向位置具有较大的韧度，如图3(d)所示。对声带发育的模拟，即通过不同的质量模型组合表现不同年龄段的声带特征。

实施例1构建三维声带模型

本实施例中，通过核磁共振成像技术对声带部位进行MRI断层扫描，从而获取声带的图像。为获取理想的图像，对MRI断层扫描的位置的选取基本原则为：不损大、不歪曲生物结构的形状结构尺寸信息；并尽量减少所用切片数；要注意采样到台阶、尖点、局部顶、局部底、最大直径处、最小直径处等关键位置；以及一些过渡位置。选定扫描区域通过核磁共振扫描成像技术得到的声带图像。

通过核磁共振成像技术获得的声带图像可以清楚记录声带的外形及表面特性。MRI图像是一种二维灰度图像，每一点的灰度值反映了该处的组织密度。在提取声带边界轮廓线的过程中，将一系列二维MRI图像文件导入MIMICS软件，利用分割工具把图像分成各具灰度特性的不同材料区域，即形成不同的Mask，利用图像编辑功能对图像边界进行选取，将物体与背景、软骨和软组织分隔开，使重建图像更准确，并抽取出感兴趣的目标区域的边界。在MIMICS软件中设置合适的图像阈值(Image Thresholds)来选择所要提取的区域的轮廓，即提取指定灰度范围的数据点集构成一个Mask，这个方法参照体数据场本身的信息，作为分割的第一步。例如，将图像阈值设置为0和196，如此便提取出空气及其以下灰度的部分，如图4(b)中所示的突出部分。

为了突出显示需要成像的部分，在这里需要将无用部分擦除，在Mask工具栏下使用橡皮擦功能将气管以外的颜色全部擦除，同时修复因各项干扰而成像短缺的气管内壁，如图4(b)所示。由此可以生成以气管内空气为原型的三维模型。

由于图4(b)显示的是气管内空气部分，如果只根据这一部分建模的话就会得到一个以气管内空气为实体的模型，它反映了气管内部的填充状态，除此之外，还需要是与之相对应的气管壁模型，所以就要用到Mask中的布尔操作，事实上气管内壁属于软组织范畴，核磁共振图像中很难把它从周围其他组织分割出来。由于重点是提取气管内壁的特征，所以为了简化气管壁与外部肌肉组织的关系，本实施例采用了直径跨度100mm-150mm的若干个圆形Mask覆盖掉气管部分，如图4(c)所示。这样既保留了气管内壁的主要特征，也避免了重复分割气管壁与外部相连接的软组织的繁杂工作。

在Mask编辑栏下进行布尔操作，将图4(c)中的圆形遮盖部分减去图4(b)中的突出部分所示的空气部分，就得到了气管外壁截面视图，如图4(d)中突出部分所示。

本实施例中，采用MRI扫描喉部结构的断层图像，应用MIMICS软件提取轮廓边缘坐标，通过自调整域值来判断边界，然后，轮廓边缘点拟合为封闭的轮廓线，以轮廓线形成面，通过对MIMICS软件进行二次开发，添加菜单项，根据获取声带的外形尺寸及表面参数自动生成声带的网格图。图8显示的是锯齿状声带轮廓的网格图。

图8说明声带的表层粘膜层具有不平整现象，因此通过核磁共振图像获取的声带表面网格图会显示个别网格区域具有小突起现象。即在网格图上显示的数字为1，高于四周的网格为0的区域。

在计算机中通过三维图像软件(例如Solidworks)，将网格图的数据导入三维图像软件中进行三维声带模型的构建。如图5所示的本实施例的三例声带病理模拟的全过程，即从喉核磁共振图像到病理声带图像，根据该病理声带的核磁共振断层扫描图像生成的网格图，将该网格图导入三维图像软件中，构建得到的与原病理声带相同的三维声带模型。

实施例2：声带轮廓边界的光滑处理

图像边界分割后，由于检测出的边缘点太多，组织的轮廓边界很不光顺，呈锯齿状，而且图像中还有很多孤立的因噪声干扰引起的小岛，如图8所示，平滑声带的网格图中，出现了需索因噪声引起的数值改变，会在三维成像中出现许多锯齿。因此，必须对轮廓线上的点进行精简，对图像的阈值进行设置，使轮廓线上的边界变的光滑。

实施例3：声带质量分布模型的构建

本实施例中先将三维声带模型的数据通过快速成型技术，如图6所示，然后生成快速成型模型以及数控成组模型。

快速成型的采用新的方法，使用不同的密度、杨氏模量、泊松比的材料，分别生成快速成型模型的不同组织。快速成型模型能够模拟人体声带的物理结构。

数控成组模型是支撑声带快速成型模型的装置，能够带动声带的快速成型模型一起振动，来模拟声带的振动。数控成组模型由长方体铝制夹紧装置与紧固螺栓组成。数控成组模型通过紧固螺栓与快速成型模型固定，得到声带质量分布模型。声带质量分布模型安装在弹簧片上，通过弹簧片的振动模拟人体声带的振动。

本发明的保护内容不局限于以上实施例，在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims

1.一种声带质量分布模型的构建方法，其特征在于，包括：

步骤一：获取声带的图像；

步骤三：根据所述网格图构建三维声带模型；

2.如权利要求1所述声带质量分布模型的构建方法，其特征在于，所述步骤一中声带的图像通过核磁共振成像、电声门图、后内窥镜获得。

3.如权利要求1所述声带质量分布模型的构建方法，其特征在于，所述步骤二进一步包括：对所述边界轮廓进行平滑处理。

4.如权利要求1所述声带质量分布模型的构建方法，其特征在于，所述步骤四中，所述快速成型模型通过快速成型技术制作得到。

5.如权利要求1所述声带质量分布模型的构建方法，其特征在于，所述步骤五中，通过螺栓紧固装置将所述快速成型模型与数控成组模型组合；将快速成型模型安装在数控成组模型上的夹紧槽里，通过紧固螺栓夹紧，制成模拟声带振动的质量分布模型。

6.如权利要求1所述声带质量分布模型的构建方法，其特征在于，根据声带的生理分层结构，在快速成型制造过程中，使用不同密度、杨氏模量、泊松比的材料，生成不同厚度的快速成型模型。

7.一种声带质量分布模型，其特征在于，按权利要求1-6所述的构建方法制备获得。

8.如权利要求7所述的声带质量分布模型，其特征在于，根据声带的核磁共振图像提取声带的边界轮廓，并且生成声带表面的网格图；根据声带的表面的网格图以及声带的三层生理结构快速成型生成声带的快速成型模型；将快速成型模型与数控成组模型生成可以模拟人体声带振动的质量分布模型。