基于核磁共振成像和有限元建模的嘴唇前突机制的研究

摘要

嘴唇是人类的发音器官之一，不仅可以辅助产生语音，还可以在视觉上辅助听众对言语进行感知。因此对于嘴唇运动及其变形机制的研究是语音生成领域的一个重要方面，对于揭示人类语音产生的基本控制原理有着非常重要的意义。
　　目前国内外对于嘴唇的运动及其生理控制机制的研究非常有限，还没有研究成果可以合理的揭示嘴唇的运动是如何产生的，特别是对于嘴唇前突的动作，其生理控制机制长期以来一直都没有被发现。嘴唇产生运动的方式与舌头是类似的，它们都是依靠肌肉的收缩引起软组织产生形变而运动，而不依靠人类的骨骼系统。目前最有效的探究人类发音器官的生理控制机制的手段是通过构建生理模型的方法进行生物力学仿真。
　　本课题的主要目的是基于肌肉可视化和构建生理模型的方法探究嘴唇前突的生理控制机制。通过对国内外相关研究成果的分析研究，我们提出了一个嘴唇前突的可能的生理控制机制，在口周肌肉群中，我们重点关注口轮匝肌的唇周部，因为它更靠近口腔侧的唇组织，这样的几何形态预示着它的收缩会引起嘴唇内侧和外侧唇组织不同比例的收缩。为了验证我们提出的嘴唇前突的生理控制机制，本文通过物理实验和有限元分析的方法对口轮匝肌唇周部的生理作用进行了分析，并基于高清的核磁共振图像提取了下唇和下颚的生理形态，在ArtiSynth平台上构建了下唇-下颚的动态的三维复合生理模型。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 国内外研究现状

1．3 本文创新工作

1．4 论文结构

第二章 嘴唇前突机制的提出

2．1 嘴唇前突的形态特征

2．2 与嘴唇前突相关的研究

2．2．1 唇周肌肉的解剖学结构

2．2．2 关于口轮匝肌唇周部和唇缘部的研究

2．3 嘴唇前突机制的假设

2．4 本章小结

第三章 嘴唇前突机制的初步验证

3．1 口轮匝肌唇周部的作用

3．1．1 实验目的

3．1．2 实验材料

3．1．3 实验设计

3．1．4 实验结果

3．2 有限元数值分析技术

3．3 模型的构建及数值分析

3．3．1 结构单元剖分

3．3．2 单元形函数矩阵

3．3．3 利用最小势能原理建立有限元方程

3．3．4 引入强制(给定位移)边界条件

3．3．5 求解控制方程

3．3．6 数值模拟结果与讨论

3．4 本章小结

第四章 基于核磁共振图像提取嘴唇及下颚的三维形态

4．1 MRI数据库

4．1．1 数据库介绍

4．1．2 MRI数据的采集

4．1．3 核磁共振图像三种切面的介绍

4．2 图像预处理

4．3 下嘴唇轮廓的提取及单元的划分

4．3．1 数据标记

4．3．2 单元的划分

4．4 下颚的提取及可视化

4．4．1 牙模填充

4．4．2 图像分割

4．4．3 三维可视化

4．5 本章小结

第五章 生理计算模型的构建

5．1 ArtiSynth

5．1．1 ArtiSynth简介

5．1．2 系统的总体架构

5．2 下唇模型的构建

5．2．1 单元的划分

5．2．2 生物软组织的材料属性

5．2．3 粘弹性和不可压缩性

5．2．4 肌肉模型

5．3 下颚模型的构建

5．4 碰撞处理

5．5 仿真结果分析及讨论

5．5．1 口轮匝肌唇缘部与唇周部之间功能差异的比较分析

5．5．2 进一步验证嘴唇前突的生理控制机制

5．5．3 结论

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢