基于CT 掃描圖像的上頜牙列的三維重建及有限元模型建模研究

邵玶等

[摘要]目的：研究根據(jù)不同的患者，不同的牙列情況，建立基于螺旋CT 掃描圖像的上頜牙列的三維重建模型和三維有限元模型，為上頜牙列的正畸矯治提供一定的理論指導。方法：選擇男女兩名自愿者作為建模素材，通過螺旋CT掃描技術得到頭部二維CT圖像，應用三維影像技術取出含上頜牙列部分圖像，對截取圖像重建三維模型，最后在ANSYS中建立上頜牙列的三維有限元模型。結果：獲得了細致逼真的上頜牙列三維重建影像和三維有限元模型。結論：綜合運用CT掃描、三維建模等技術可以獲得不同個體的上頜牙列三維有限元模型，為臨床上頜牙列的正畸矯治提供一定的理論依據(jù)。

[關鍵詞]CT圖像； 三維重建；實體模型；有限元模型

[中圖分類號]R783.5[文獻標識碼]A[文章編號]1008-6455（2012）10-0-0

對人體器官的螺旋CT圖像的實體建模屬于三維重建技術領域，是當前醫(yī)學研究的一個熱點課題。國內(nèi)外對CT圖像的三維重建進行了大量的研究，很多學者采用不同的方法對頭顱[1]、肱骨、下頜骨、足跖骨等進行三維重建，用于醫(yī)學研究。1979年，Artzy和Herman等首先利用CT掃描的二維圖像進行了三維重建工作，克服了以往只能從CT掃描的二維圖像中重疊相加進行思維綜合的缺點。因此，利用高分辨率CT掃描圖像在計算機上進行三維重建迅速得到了學者們的廣泛關注。尤其到了20世紀90年代，螺旋CT作為一種新的工具出現(xiàn)后，因具有快速掃描成像、容積數(shù)據(jù)采集、優(yōu)良的多軸面和三維重建圖像等優(yōu)點逐漸取代了傳統(tǒng)CT，使基于螺旋CT掃描圖像的計算機三維重建更加精確[2]。

對三維物體的描述方法目前應用較多的有：表面重建法、體素重建法以及截面重建法等。表面重建法采用多邊形對物體的表面進行擬合，忽略了物體內(nèi)部的信息，不利于進行一些分析處理或者實體制造。體素重建法不需要確立表面的幾何顯示，直接在體數(shù)據(jù)的基礎上進行顯示，速度慢，設備要求比較高，結果數(shù)據(jù)文件比較大，不利于遠程傳輸。而截面重建法的重建結果圖像只具備深度信息，不具備形狀信息，旋轉顯示的可視側面效果差，立體感不明顯，重建時不能任意旋轉不同側面，重建靈活性差。

本文擬利用螺旋CT圖像，研究面向?qū)嶓w模型的上頜牙列的三維模型建模方法，該方法的基本思想是：選取2個正在進行正畸治療的患者，對二者頭部拍攝CT圖像，對CT斷層圖像進行填充，對填充后圖像進行濾波，修整，然后三維重建實體模型，并根據(jù)重建的實體模型建立三維有限元模型。為后續(xù)的應力分析提供實驗基礎。

1材料和方法

1.1 建模素材與實驗設備：從臨床病例中選取男女兩位成年志愿者，男性志愿者A是牙合平面偏斜患者，治療前狀態(tài)，女性志愿者B是上頜前突患者，上頜左、右第四顆牙齒已拔除，治療中狀態(tài)，牙列有托槽。并且無明顯牙周疾患及牙槽骨吸收，無牙體缺損及明顯磨耗。

硬件64排螺旋CT機（美國GE公司），軟件 Mimics10.1（比利時Materalise公司），Ansys12.1 （美國Ansys公司）。

1.2 螺旋CT二維圖像的采集[3-4]：患者取仰臥位，下頜處于息止頜位，避免上、下牙列接觸重疊。采用美國GE公司64排LightSpeed VCT螺旋掃描CT機水平位薄層掃描被檢者頭部，掃描層厚 0.625mm，數(shù)字矩陣512×512，窗寬：2000，窗位：100。

1.3 CT 圖像的傳輸：由于螺旋CT 掃描機不具備直接圖像文件數(shù)據(jù)的傳輸功能，因此，將螺旋CT掃描圖像以DICOM格式存儲在內(nèi)置計算機上，然后通過光盤刻錄的方式導出至后續(xù)處理用微型計算機中，圖1是其中一層的CT掃描橫斷面圖像。

1.4 CT 圖像的三維重建：CT圖像中，不同的組織，就顯現(xiàn)出不同的灰度值。由于骨密質(zhì)，骨松質(zhì)的存在，使得所得到的CT圖像邊緣極不連貫，并且中央圖像灰度值分布也很不規(guī)律，存在大量的空穴，在這種情況下，如果不進行任何處理就進行三維重建，所得的三維模型含有眾多不規(guī)則孔洞，對于醫(yī)學圖像的復雜性，如果要利用程序全自動的解決這個問題，將會是十分困難的。因此，本文采用了人工填充的方法。對經(jīng)過上述處理后的橫斷面圖像進行牙列的三維面重建。圖2為人工填充后重建的2個患者上頜牙列的三維實體模型。

僅僅經(jīng)過填充就進行重建的三維模型，并不能直接用以建立三維有限元模型。由于醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)的獲取過程中，影響設備中各電子器件的隨機擾動不可避免地會產(chǎn)生噪聲，因此需要對獲得的橫斷面圖像進行濾波平滑，抑制噪聲，增強圖像特征，提高信噪比。尤其對于牙列上粘有托槽的B患者，其CT圖像有強烈的偽影干擾，必須通過處理去除偽影。圖3是優(yōu)化處理后得到的三維實體模型。

1.5 三維有限元模型：由于所研究的對象為復雜形狀實體模型，為保證所建有限元模型準確，選擇ANSYS有限元軟件進行仿真分析。將上頜牙列三維實體模型導入ANSYS。選取合適的空間單元，并自由網(wǎng)格劃分，保存上頜牙列網(wǎng)格模型文件并導入Mimics 10.1。在Mimics10.1的FEA模塊中，利用軟件自帶的“CT 圖像灰度-組織力學材料性質(zhì)”關系公式，對三維上頜牙列網(wǎng)格模型的各單元進行材質(zhì)分配。本研究將模型中各種材料和組織考慮為各向同性的線彈性材料，材質(zhì)分配完成后的體網(wǎng)格模型再次返回導入ANSYS12.1。至此得出完整的上頜牙列有限元網(wǎng)格模型。

2結果

獲得了兩個患者上頜牙列的螺旋CT三維重建實體模型，模型細致逼真、可被任意旋轉、剖開、透視、截取，從不同角度觀察重建影像形態(tài)還原性良好、重建效果滿意?；趯嶓w模型有限元模型網(wǎng)格均勻，能夠滿足后續(xù)力學分析。模型圖見圖3、圖4。

3討論

3.1 實體模型及有限元模型：能夠獲得可用于有限元力學分析的三維重建模型，一直是致力于有限元理論分析的國內(nèi)外學者感興趣的課題。早先采用的切片、磨片法因組織丟失、誤差大且不適合活體逐漸被淘汰[5]。上世紀90年代，國外知名公司如西門子公司、美國通用公司等都相繼開發(fā)了自己的具有三維重建功能的螺旋CT機。正是基于螺旋CT 技術和計算機技術的發(fā)展，才使三維重建技術在活體有限元模型建立并獲得理想、精確的生物力學研究結果中起到了重要的作用。

目前，醫(yī)學圖像三維重建的基本步驟包括，從外設獲得斷層數(shù)字（灰度）圖像序列；對斷層圖像進行分割，對斷層間進行插值以生成立方體體素數(shù)據(jù)；進行立體感顯示[6-10]。隨著今后影像學和計算機技術的進一步發(fā)展，三維重建技術必然在口腔醫(yī)學領域中具有更加廣闊的應用前景。

以往建立的醫(yī)學有限元模型由于軟件功能單一、網(wǎng)格劃分算法少、人體組織結構形狀不規(guī)則等原因，需要進行適當?shù)暮喕图僭O，在精度方面有一定的缺陷，而且模型創(chuàng)建過程環(huán)節(jié)多、成本高、周期長，進一步限制了其應用。以Mimics10.1建立實體模型并結合ansys12.1建立三維有限元模型，簡化了建模中提取輪廓線的過程，縮短了建模時間；再進一步的自動重劃功能中，能進行更加專業(yè)地半自動或手動劃分；通過掃描數(shù)據(jù)的亨氏單位，對體網(wǎng)格進行材質(zhì)分配，從而能顯著提高了有限元模型分析（FEA）結果的可靠性和精確性，在整個重建過程中最大限度地排除了人為的干擾，體現(xiàn)了便捷、準確的建模優(yōu)勢。

3.2 真實牙列：實驗采用某自愿者的真實牙列做實驗，能夠盡可能還原患者矯治過程，體現(xiàn)臨床矯治特點。以往人們采用仿真牙列進行實驗時，所有性能參數(shù)都是固定的，重建的三維模型也是相同的，力學仿真試驗結果有很大相似性。采用真實患者牙列實驗時，由于每個患者的骨質(zhì)密度不同，牙根形狀不同，對正畸力的反應不同，同一種矯治方案，對不同患者的矯治效果和矯治周期都會不同。因此，針對不同患者通過試驗可以指定個性化矯治方案。

3.3 托槽影響：拍攝CT時，托槽能對正常CT圖像形成強烈的干擾，在重建實體模型之前必須經(jīng)過細致處理，否則重建的實體模型無法輸入ANSYS進行有限元建模。

4結論

本文利用64排螺旋CT技術，結合Mimics和ANSYS軟件建立了上頜牙列的實體模型和三維有限元模型。實體模型形態(tài)細致逼真，模型形態(tài)與實體標本一致，可以被任意旋轉并從不同角度觀察，能得到上頜骨及牙列骨骼鮮明、直觀、整體的印象。模型可編輯性強，可進行任意分割、復制和存儲。上頜牙列的三維有限元模型具有非常精確的組織結構信息，為下一步的模型應力分析打下了良好的基礎。

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[收稿日期]2012-07-05 [修回日期]2012-08-30

編輯/張惠娟