下頜骨截骨整形手術三維有限元模型的建立

[摘要]目的:為研究下頜骨截骨整形手術的生物力學原理，建立了生物力學相似性較高的無牙下頜骨和顳下頜關節(jié)三維有限元模型。方法:以顱頜面系統(tǒng)正常的女性青年志愿者為標本，經(jīng)過薄層CT斷層掃描得到DICOM格式文件，經(jīng)Mimics和Ansys軟件建模，采用只受拉的Link10單元模擬下頜韌帶和咀嚼肌約束，采用接觸單元對關節(jié)窩進行約束。結果:建立了包括顳下頜關節(jié)、肌肉和韌帶的正常下頜骨三維有限元模型?？筛鶕?jù)實驗設計建立實驗分模型。結論:提高了模型的相似性，為進一步研究下頜角截骨整形生物力學奠定了基礎。

[關鍵詞]下頜角截骨整形;三維有限元;生物力學

[中圖分類號]R782.2[文獻標識碼]A[文章編號]1008-6455(2010)03-0344-04

Establishment of three-dimensional finite element model for mandibular angle osteotomy

ZHANG Jin1， LUO Qi 1， WANG Jing-peng1， LIU Da-lie1， HUANG Shi-qing2

(1.Department of Plastic Surgery，Zhujiang Hospital，the South Medical University， Guangzhou 510282，Guangdong，China;2.Institute of Applied Mechanics，Jinan University， Guangzhou 510632， Guangdong，China)

Abstract:ObjectiveTo study the biomechanics of mandibular angle osteotomy， a more precise method for establishment of the three-dimensional (3D) finite element model of edentulous mandible and Temporomandibular Joint (TMJ) is presented.MethodsThe CT images of a young female volunteer were analyzed and managed with DICOM standard and Mimics software. Tension-only Link10 element and contact element were both used for boundary condition in ANSYS software.ResultsA whole 3D finite element model comprising the mandible， TMJ， muscles and ligaments was established. Conclusion A 3D finite element model of mandible and TMJ with highly biomechanical similarity was established for the further study of the biomechanics in the mandibular angle osteotomy.

Key words: mandibular angle osteotomy; 3D finite element method; biomechanics.

隨著計算機技術不斷進步，有限元法逐漸成為力學研究中最為重要的分析方法之一，并廣泛應用于工程設計制造領域，近年來在生物力學研究中也得到廣泛的應用。由于生物體在幾何形狀和材料性質上的特殊性和復雜性，快速、準確地建立生物組織結構的三維有限元模型是生物力學有限元研究的難題，同時也是進行三維有限元分析的基礎。以往的生物力學研究由于有限元模型建立手段的限制，只能采取手工或者多種軟件結合方式針對單一組織結構建立具有共性的有限元模型。隨著醫(yī)學影像技術的進步計算機軟件系統(tǒng)的發(fā)展，使用統(tǒng)一標準的數(shù)字化影像文件結合單一軟件建立三維有限元模型成為可能。本文應用薄層CT掃描技術，采用DICOM標準格式導入Mimics軟件處理，最終應用Ansys有限元軟件快速有效建成無牙下頜骨和TMJ三維有限元模型。

1材料和方法

1.1 樣本來源:選擇顱頜系統(tǒng)發(fā)育正常的健康女性青年志愿者，I類磨牙關系，牙周健康，無TMJ 疾患。

1.2 試驗設備:①CT掃描機:采用飛利浦Brilliance 64排螺旋CT 掃描機;②試驗所用計算機系統(tǒng)硬件配置:CPU Core 2 雙核2.8G，4G DDR2內存，640G硬盤;③試驗用計算機操作系統(tǒng):Windows XP Professional Sp3;④試驗用軟件:Mimics12.0(Materialise's Interactive Medical Image Control System):Ansys12.0(Analysis System)。

1.3 方法

1.3.1 CT掃描:頭顱固定架對患者頭顱進行固定，進行顱頜面(全顱)的軸向斷層掃描，連續(xù)無間隔掃描。掃描基準線平行于眶-耳平面。層厚0.67mm，掃描參數(shù)為120kV，230mas，掃描矩陣512×512。顳下頜關節(jié)區(qū)及下頜骨連續(xù)進行170 層掃描。所得圖像經(jīng)聯(lián)機工作站處理DICOM格式數(shù)據(jù)文件，刻錄存盤。

1.3.2 CT圖像的處理:CT掃描所獲得DICOM格式數(shù)據(jù)文件導入Mimics12.0軟件。根據(jù)實驗設計要求通過對蒙罩(Mask)的分割(segementation)操作，在CT圖像上確定需要進行三維成像的組織結構邊界，提取出不含下牙列的下頜骨和顳下頜關節(jié)窩，設定參數(shù)后重建三維圖像。得到的三維模型是原始三維表面模型，表面粗糙，直接利用其進行表面網(wǎng)格劃分將會產(chǎn)生單元形狀畸形，單元數(shù)量過多等問題，影響到后續(xù)力學計算的速度和結果分析精確性。因此必須利用Mimics的Remesh模塊對三維模型的表面進行平滑(smooth)，見圖1。再通過Remesh模塊對模型表面的三角形面片數(shù)量和質量進行優(yōu)化。表面三角形數(shù)量由126178減少到18008個，且三角形底邊與高之比均大于0.3，符合有限元分析要求，見圖2。

1.4 三維有限元模型建立:將優(yōu)化好的表面網(wǎng)格輸出為Ansys12.0軟件可以識別的Ansys element文件，在Ansys12.0導入該文件，選擇10節(jié)點四面體單元Solid92進行三維網(wǎng)格劃分，生成實體模型，共生成161788單元189057節(jié)點。

材料力學參數(shù):下頜骨的皮質骨、松質骨及其他組織(髁突軟骨、關節(jié)盤等)均為各向同性、均勻連續(xù)的線彈性材料。骨組織力學參數(shù)由下頜骨CT值計算得出。利用頜骨CT值、表觀密度和骨彈性模量之間的對應關系，根據(jù)構成骨的像素的灰度值(CT值)來進行插值計算，得到此骨的表觀密度，并由表觀密度推算出它的彈性模量[1]。

在本模型中，骨表觀密度由CT值(Hounsfield)導出。根據(jù)以下公式計算出單元的表觀密度 :

骨組織彈性模量由以下經(jīng)驗公式計算:

由已知水的CT值和表觀密度，皮質骨平均CT值和表觀密度，取已知皮質骨最大彈性模量，公式(2)簡化為:

則得，k =4249 GPa(g/cm3)-3，

由于不同部位下頜骨皮質骨和松質骨的CT值有一定變化，所以測量下頜骨五個部位，求得皮質骨最大CT值平均為1600HU，松質骨最大CT值平均為600HU，導入公式(1)和(3)計算出該模型皮質骨和松質骨的彈性模量分別為14963.78 MPa和1179.75MPa。

將Ansys前處理模塊中生成的實體模型導回，在Mimics的FEA模塊中根據(jù)下頜骨各單元CT值分別賦材料性質。

1.5 模型的邊界約束設計:對咀嚼肌、下頜韌帶采用桿單元模擬其約束，桿單元材料定義為只受拉不受壓的非線性材料，單元橫截面積與各自模擬的肌肉和韌帶截面積相同。根據(jù)Spronsen等[5-6]的研究結果獲得咀嚼肌的有關參數(shù)(見表1)。參考周學軍等[7]的實驗結果，獲得關節(jié)韌帶的參數(shù)(表2)，并采用“面-面接觸對” 模擬牙合面和關節(jié)窩之間的連接。

2結果

建立了一個包括下頜骨、顳下頜關節(jié)、肌肉和韌帶的下頜骨三維有限元總體模型，可根據(jù)實驗不同需要調用，見圖3。

3討論

與傳統(tǒng)實驗性應力分析相比，有限元技術具有更多的優(yōu)點。但有限元方法分析結果受諸多因素的影響。例如:模型的相似性，單元劃分的粗細程度，載荷情況及邊界條件與真實情況的差異等，均影響分析結果的精確性[8]。提高有限元分析結果的可靠性，模型精確程度及邊界條件設置等都是十分重要的。由于牙頜組織中的牙齒、牙周膜、牙槽骨、頜骨以及修復體的結構外形多樣性、不規(guī)則性、受力的復雜性，如何準確獲取上述結構的幾何形態(tài)并將其計算機數(shù)字化，建立完整準確的下頜骨三維有限元模型是有限元分析能否實現(xiàn)的關鍵。

生物體三維有限元建模方法經(jīng)歷了數(shù)代演進，主要包括:①磨片、切片法[9-10];②三維測量法[11-12];③CT圖像處理法;④DICOM數(shù)據(jù)直接建模法等[13]。磨片、切片法是破壞性建模方法并且磨切片厚度難以控制，圖像的拍攝處理，邊緣提取等環(huán)節(jié)都可能產(chǎn)生誤差，因此該方法目前很少采用。三維掃描測量的方法進行數(shù)據(jù)采集的成本高，數(shù)據(jù)采集后處理的時間長，生成CAD模型后還要進行數(shù)據(jù)轉換后才能供有限元建模使用，且測量只能得到表面數(shù)據(jù)，不能夠區(qū)分結構材料性質的變化，更適用于實物的測量反求。CT圖像處理方法需要人工把CT膠片上的每一張圖像掃描轉換為計算機能識別的位圖格式，并且使用圖像處理軟件中人工定位配準。不僅需要花費大量的人力、物力，而且在通過膠片掃描傳遞數(shù)據(jù)的過程中容易丟失很多信息;配準精度也直接影響著所建立模型精確性[13-15]。

本實驗采用DICOM數(shù)據(jù)直接建模法其過程為:①CT掃描輸出DICOM格式數(shù)據(jù)文件;②DICOM數(shù)據(jù)的讀入專用軟件。分割圖像，生成3D模型，優(yōu)化表面網(wǎng)格;③通過與有限元分析軟件的良好的數(shù)據(jù)接口，直接導入有限元分析軟件前處理模塊生成體網(wǎng)格;④根據(jù)各單元的CT值給單元賦材料性質;⑤最后將賦完材料性質的實體導入有限元分析軟件進行裝配，完成建模。

DICOM格式數(shù)據(jù)文件直接建模，可以直接讀取數(shù)據(jù)并處理，避免反復的數(shù)據(jù)導入、導出，文件格式的轉換造成的數(shù)據(jù)失真或丟失，大大提高了模型的精確度。本研究將DICOM數(shù)據(jù)直接導入Mimics軟件直接生成三維模型，再通過Ansys element文件接口將模型導入Ansys12.0，由表面單元直接生成體單元，避免了過去由面生成體以后再劃分體單元，造成的體單元質量下降。利用DICOM文件中包含的CT值信息，根據(jù)模型每個單元密度賦材料性質，使數(shù)據(jù)得到最大限度的利用。避免了過去建模中將皮質骨和松質骨進行分割，分別建模的繁瑣，同時極大提高了模型的精度。

三維有限元模型的幾何相似性、單元的大小、形狀、數(shù)目、載荷情況、邊界條件與真實情況的差異等，均影響應力分析結果。目前根據(jù)不同研究需要已建立的下頜骨三維有限元模型[7， 16-18]，邊界約束設計也各不相同，周學軍等[7]考慮到肌肉的柔索性質，即只能限制物體沿著柔索伸長方向的運動，而不能限制物體在其他方向的運動[19]，采用纜索元模擬肌肉約束，更符合分析下頜骨經(jīng)矯形力作用下的受力情況。史真等建立了下頜牽張成骨三維有限元模型[20]，李勇等正常人下頜升支矢狀截骨術的三維有限元模型[21]李慧超建立了下頜角整形手術術前術后模型[22]，F(xiàn)rivo等建立了單側TMJ有限元模型[23]。柳大烈等建立了咬肌牽動的顴骨復合體三維有限元模型用于研究顴骨縮小整形手術的生物力學[24]。因此，本實驗在ANSYS軟件中采用只受拉的Link10單元模擬咀嚼肌及韌帶的約束。此外，與以往主要研究咬合力的有限元模型不同的是，在研究下頜角整形手術時，必須考慮顳下頜關節(jié)及其韌帶作用，本實驗在模擬嚼肌、顳肌、翼內肌和翼外肌約束的同時，模擬了顳下頜關節(jié)韌帶包括顳下頜韌帶、莖突下頜韌帶、蝶下頜韌帶對顳下頜關節(jié)的約束，提高了模型的生物和力學相似性。為進一步研究下頜截骨整形手術提供了基礎。

下頜角截骨整形的一種方法是通過沿截骨線進行鉆孔后鑿斷。目前用有限元法模擬下頜截骨整形手術的研究還鮮見報道。Remmler等[25]用有限元法建立預測模型，進行顱面部牽張成骨的術前分析，認為有限元法能以數(shù)學形式反映顱面組織的材料特征、物理特征和反應特性，可以模擬多種外科手術、生理活動和頭部外傷。利用本模型的下一步實驗，擬通過布爾運算模擬下頜角截骨，在下頜角部根據(jù)實驗手術設計改變工況和邊界條件，加載沖擊載荷，模擬手術操作過程，分析不同條件下下頜骨及相關結構的生物力學變化。同時還可以模擬不同體積的下頜角骨組織截除后正常咬合時和下頜骨受到撞擊時生物力學性能的變化。

需要強調的一點是，由于有限元需要對復雜的實體中的一些次要結構和因素進行簡化，再加上一些實驗條件假設，所以，有限元的計算結果的絕對值很難代表人體的真實值，而且生物體的個體差異也無法考慮到實驗模型中。目前尚無法達到完全模擬復雜的人體生物力學環(huán)境建立計算模型。

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[收稿日期]2009-11-13[修回日期]2010-02-05

編輯/張惠娟