下頜第一磨牙三維有限元模型的建立

[摘要]目的：建立下頜第一磨牙三維有限元模型。方法：通過螺旋cT掃描的方法，利用Mimics、Geomagic Studio7等圖像處理軟件，HyperMesh網(wǎng)格自動劃分軟件，通過特定的MSC.MARC有限元軟件建立下頜第一磨牙三維有限元模型。結果：準確的建立了牙本質、牙釉質、髓腔、牙槽骨、牙周膜等組織形態(tài)的三維有限元模型。結論：本實驗建模方法可行性強，方便快捷，具有良好的生物力學與幾何力學相似性。為臨床口腔醫(yī)師提供了一種簡捷而精確的有限元建模方法。

[關鍵詞]磨牙；三維有限元；模型

[中圖分類號]R783 [文獻標識碼]A [文章編號]1008—6455(2007)04—0494—03

近年來隨著計算機運算速度和軟件編程技術的高速發(fā)展，使計算機系統(tǒng)成為分析研究生物力學的有力手段，其中依靠先進計算機技術的有限元分析方法被廣泛應用于口腔醫(yī)學領域。由于圖像合成技術的成熟，所以建立在可視化牙齒模型三維重建基礎上的三維有限元方法越來越受到學者們的關注。最初，人們是應用各種實驗和力學計算方法對口腔內磨牙的應力分布進行研究，但因模型的粗糙、單一以及各組織部位不能緊密結合，所以造成后期分析不全面、不精確。近年來隨著計算機技術的不斷提高，這些問題得到了解決。本實驗研究，采用了先進的Mimics、Geomagic Studio 7等圖像處理軟件，HyperMesh網(wǎng)格自動劃分軟件，通過特定的MSC.MARC有限元軟件建立了下頜第一磨牙三維有限元模型。

1 材料和方法

1．1 材料：標本的選擇：選擇牙列完整、咬合關系正常、無牙周疾患及牙槽骨吸收、無后牙牙體缺損及明顯磨耗的成年男性志愿者1名，進行下頜第一磨牙三維形態(tài)數(shù)據(jù)測量。

1．2 方法

1．2．1 CT掃描：檢測者取仰臥位，微張口，頦部抬高，采用Philip Tomoscan CT掃描機進行掃描，掃描截面盡可能與牙體長軸垂直，約從下頜頦部下緣起始，至磨牙牙冠1mm平面止，掃描間距為0.70mm，共獲得40張斷層影像。

1．2．2 CT圖像處理：將DICOM格式導出的CT影像經挑選共獲得22張影像位圖，通過Photoshop、以及白編的Matlab程序進行降噪、增加清晰度和對比度的處理，以BMP格式最后保存。

1．2．3 三維有限元模型的建立：應用Mimics軟件將處理后的CT掃描圖像進一步的調整圖像閾值，使牙體不同組織問的對比更加明確，之后形成初步的三維圖像。將此圖像導入Geomagic Studio7軟件中進行模型的細化和精修，并最終形成有限元分析軟件可識別的三維實體模型。經過Parten軟件建立牙槽骨、牙周膜、牙釉質等組織，應用UG軟件建立髓腔并將不同位置輪廓線連接成表面。將各組織形態(tài)模型通過HyperMesh軟件自動劃分出網(wǎng)格，總節(jié)點14489個，組成73013個單元(其中釉質2199個，牙本質38011個，牙周膜11350個，牙槽骨19882個，髓腔1571個)。模型部分組織的材料參數(shù)選自有關文獻。再將劃分出來的網(wǎng)格模型導入MSC.MARC三維有限元軟件進行所需要的應力分析。

1．2．4 實驗條件假設：本實驗將模型中材料和組織假設為連續(xù)、均質和各項同性的線彈性材料。

1．2．5 邊界條件：牙槽骨近遠中面以及底部固定，即各點在X、Y、Z 3個軸的位移等于0，其余面為自由邊界。

2 結果

本研究應用了Mimics，Geomagic Studio7圖像處理軟件，HyperMesh網(wǎng)格自動劃分軟件與MSC.MARC三維有限元專用軟件，將薄層CT橫斷面圖片進行修改識別，建立了直觀、完整、具有適合生物力學研究的三維有限元模型。

3 討論

三維有限元法(Finite element method，F(xiàn)EM)是應力分析與電腦技術相結合的方法，其建立的模型直觀、省時、準確，結論明確。1974年該方法被引入口腔醫(yī)學領域，其優(yōu)越性非常明顯。有限元的基本原理是將連續(xù)的結構分割為若干個有限大小的單元，以單元的組合體替代原結構，建立有效的數(shù)字模型，進行力學分析。其特點在于被分析的結構可以是任意形狀和不同的組成材料等情況。一旦建立了模型，可分析研究各種不同的加載情況，對該模型各組成部分的應力變化情況，比以往其他應力測量方法全面、精確，此方法已被廣泛的應用于口腔各個學科中。

以往傳統(tǒng)的建立有限元模型的方法——“磨片切片法”，多是采用實物做切片測繪外形及測量根管尺寸的方法。此方法由于過程復雜，幾何相似性較差，很難精確地反映牙齒本身的實際情況，且其最大的缺點是建模過程中需要破壞標本。而本實驗通過CT圖像處理法，采用螺旋CT掃描，其照片準確、安全、無創(chuàng)傷、分辨率高，所得到的斷層信息可較清晰地顯示牙釉質、牙本質、牙髓腔等結構，不破壞標本的完整性，并且各斷層是每間隔0.70mm的連續(xù)掃描，使從CT掃描片通過圖像的數(shù)據(jù)化建立的有限元模型更具有可靠性與真實性。

常規(guī)的有限元建模，對輪廓的邊界坐標要進行測量或讀取，采用點、線、面、體的由底向上的建模方法。過程復雜，模型的修改存在一定難度，并且對實驗者的計算機專業(yè)知識及軟件知識要求較高，普通的臨床醫(yī)生應用困難。本實驗通過較為成熟、容易操作的Mimics軟件實現(xiàn)CT圖像與三維模型的轉換，在可視化的界面下對模型進行修改，縮短了建模時間，提高了建模的效率和可操作性。通過此方法成功的建立了表面形態(tài)和內部組織結構都與真實牙體組織高度一致的下頜第一磨牙有限元模型。

本實驗在CT斷層掃描圖像以及將DICOM格式影像轉換為MBP格式與國內大多數(shù)研究學者方法相近，但本實驗在劃分網(wǎng)格的過程中，應用了具有強大的幾何輸入功能，支持多種格式的復雜裝配幾何模型讀入及多種有限元文件的輸入和輸出的Hy－perMesh軟件，節(jié)省了網(wǎng)格劃分的時間，提高了模型的計算精確度。最后，分析所應用的MSC.MARC三維有限元軟件建立出的有限元模型與實體具有良好的幾何相似性與逼真的組織形態(tài)結構。并且可以根據(jù)不同的研究目的和要求添加各種不同的材料或組織，為今后進一步的研究奠定了基礎。