上頜單端游離缺失及可摘義齒支架的三維有限元建模

[摘要]目的：利用三維有限元專用軟件技術(shù)，建立精確且能廣泛應(yīng)用的上頜游離端缺失及整鑄義齒的三維有限元模型。方法：利用DCTP120螺旋CT掃描獲得DICOM 格式數(shù)據(jù)文件后導(dǎo)入MIMICS10.0軟件，采用閾值分割與手動(dòng)分割相結(jié)合的處理方法，計(jì)算得到頜骨、牙列和支架初步幾何模型，并結(jié)合CATIA軟件、ANSYS13.0三維有限元專用軟件等技術(shù)建立三維有限元模型。結(jié)果：成功建立了26，27缺失的包含上頜骨、余留全牙列、牙周膜、黏膜及支架材料的鑄造可摘局部義齒的三維有限元模型。結(jié)論：該有限元建模具有省時(shí)、便捷、精確、可重復(fù)性強(qiáng)及上手容易等特點(diǎn)，為進(jìn)行口腔修復(fù)學(xué)領(lǐng)域生物力學(xué)的分析研究打下基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]上頜單端游離缺失；可摘局部義齒；三維有限元模型

[中圖分類號(hào)]R783 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1008-6455（2013）01-0176-03

3D finite element modeling of oral soft and hard tissue and RPD in the Maxillary single end free missing

JIA Ru，WANG Jun-tao，LU Yi

（Department of Prosthodontics，School of Stomatology，Xi 'an Jiaotong University，Xi'an 710004，Shaanxi，China）

Abstract： Objective Use three dimensional finite element special software technology to build a more accurate and more extensive application of maxillary distal-extension absence and the whole casting denture of three dimensional finite element model. Methods Use DCTP120 spiral CT scanning to get D ICOM format data documents and then guide them into MIMICS10.0 software.Using threshold segmentation and manual segmentation processing method，calculate an get the preliminary three-dimensional geometric model of the jaw bone，teeth column and support.And then combine with CATIA software， ANSYS13.0 three dimension finite element technology such as special software to construct a three dimensional finite element model. Results The FEM of the casting RPD in which 26，27 are missing was successfully set up，including maxilla，after full dentition， periodontal，mucosa，teeth and support material. Conclusion The finite element modeling has the features of timesaving，convenient，precise，better repeatability and easy to fit in，etc.So it can lay the foundation for biomechanics analysis research in oral prosthetics field.

Key words：maxillary single end free missing；removable partial denture；three-dimensional finite element model

自20世紀(jì)60年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，有限元分析法（FEM）已逐步發(fā)展成為工程中廣泛應(yīng)用的方法。此外，有限元法也是生物力學(xué)研究中最先進(jìn)，最有效的方法之一，是目前廣泛使用的口腔生物力學(xué)研究方法[1]，其研究的基礎(chǔ)是建立準(zhǔn)確的數(shù)字化模型。它可對(duì)復(fù)雜幾何形狀物體建模，求得整體和局部的應(yīng)力和位移值及其分布規(guī)律， 并可根據(jù)需要改變受載與邊界條件等力學(xué)參數(shù)，在維持原模型幾何形狀不變的情況下， 可方便地對(duì)其應(yīng)力大小和分布的變化進(jìn)行對(duì)比分析。這種方法高效、精確、低成本， 已成為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、材料非線性和幾何非線性分析的一種實(shí)用、有效、方便的應(yīng)力分析方法。由于醫(yī)學(xué)成像技術(shù)種類繁多，優(yōu)點(diǎn)也各不相同，如何綜合利用各種成像技術(shù)，發(fā)揮其各自優(yōu)勢(shì)，為醫(yī)生提供更加豐富、可靠的圖像信息，以便直觀地利用這些信息指導(dǎo)臨床或進(jìn)行研究，成為醫(yī)學(xué)圖像技術(shù)的一個(gè)重要研究課題[2]。本研究應(yīng)用薄層CT斷層掃描技術(shù)[3]和MIMICS[4]、CATIA醫(yī)學(xué)逆向工程軟件輔助建模，以探討如何提高FEM模型精確性及提高建模效率。

1 材料和方法

1.1樣本來源：一名健康男性志愿者，其上頜左側(cè)牙列游離缺失，余牙完整，無任何顱面組織缺損。同時(shí)在模型上制作26、27缺失的支架式可摘局部義齒[5]。

1.2 硬件：DCTP120螺旋CT掃描儀；PC計(jì)算機(jī)CPU：3.6；內(nèi)存：8G。軟件：MIMICS（Materialise公司，比利時(shí)）；CATIA（達(dá)索公司，法國）；Ansys Workbench 13.0（Ansys公司，美國）。

1.3方法：掃描佩戴義齒的志愿者獲得其CT圖像，利用Mimics軟件讀取斷層影像數(shù)據(jù)進(jìn)行組織特征的識(shí)別和分離，在Catia軟件中進(jìn)行點(diǎn)云文件的生成和優(yōu)化，逆向工程完成組織模型、支架模型的構(gòu)建[6]。

1.4有限元模型建立步驟

1.4.1 CT掃描[7]：CT掃描上頜骨：測(cè)試對(duì)象取端坐開口位，眶耳平面與水平面平行，頭部固定。掃描條件90.0Kvp，7.0mA，層厚0.4mm，床進(jìn)速度1mm/s。掃描時(shí)，掃描標(biāo)志線與眶耳平面垂直，由髁狀突頂端至頦部下緣進(jìn)行橫斷面掃描。支架掃描條件同上，存儲(chǔ)格式為dicom（如圖1～2）

1.4.2 CT圖像處理：將CT掃描所獲得DICOM 格式數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入Mimics10.0 軟件[8]。通過蒙版（Mask）操作， 根據(jù)骨組織、牙體組織、牙周膜、粘膜組織及金屬支架材料的灰度值（gray value）的差異，使用閾值化操作“Threshokl”命令選擇適當(dāng)?shù)拈撝?，初步提取頜骨、牙列及支架的輪廓[9]（如圖3），應(yīng)用“Cakulate 3D”命令對(duì)上頜骨、牙列及支架進(jìn)行運(yùn)算得到三維圖像[10]。將模型以“point clound”方式輸出，輸出格式為“stl”，保存在mimics目錄下。重建后的三維圖像（如圖4～5）可被Ansys13.0軟件識(shí)別， 最終在Ansys軟件中完成有限元模型的建立[11]。

1.4.3 組織分離與點(diǎn)云生成：由于牙頜系統(tǒng)的復(fù)雜性和CT掃描儀的精確度問題，一些局部細(xì)節(jié)特征（如咬合面的凹凸及CT影像缺損等）可以通過Mimics軟件進(jìn)行刻畫。CT掃描不能獲得人工牙和基托的影像數(shù)據(jù)，在建模過程中人工牙由真實(shí)牙代替，在計(jì)算時(shí)材料參數(shù)采用人工牙情況。最終計(jì)算獲得3D模型（如圖6）。

2 結(jié)果

在這項(xiàng)研究中，以現(xiàn)有的有限元基礎(chǔ)，利用Mimics、Catia等軟件，建立了包括可摘局部義齒支架的上頜單側(cè)游離缺失有限元模型，該模型具有良好的幾何和生物相似性，為口頜系統(tǒng)的三維有限元建模提出了一種更高效、準(zhǔn)確的方法，是牙頜系統(tǒng)建模的趨勢(shì)。

3 討論

本研究利用薄層CT及MIMICS醫(yī)學(xué)逆向工程軟件建立包含上頜骨、全牙列及義齒支架的三維FEM模型，該模型具有以下的特點(diǎn)。

3.1 模型精度的提高：利用薄層CT（厚度0.4mm，無間隔）可以顯著減少以往CT斷層影像出現(xiàn)的偽影，精確定位松質(zhì)骨和密質(zhì)骨，從而獲得更準(zhǔn)確的CT斷層影像；通過擴(kuò)大掃描范圍獲得邊界數(shù)據(jù)使誤差明顯減少。利用在mimics中直接提取組織輪廓，避免處理過程中摻雜人為因素和對(duì)圖像的多次處理：同時(shí)mimics軟件中的繪圖功能，在讀取邊界數(shù)據(jù)時(shí)可以繪制輪廓曲線，避免數(shù)據(jù)誤讀和缺失。本研究中利用組織結(jié)構(gòu)在CT成像中的灰度值的差異區(qū)分各組織的區(qū)域輪廓，例如口頜系統(tǒng)各種組織在CT成像中灰度值差異很大，且各個(gè)組織均有一定灰度值范圍，確定灰度值后就能獲取該組織的影像輪廓并可以直接計(jì)算3D模型，從而能清晰的顯示組織各部分的形態(tài)和位置[12-14]。相較于之前的FEM研究模型幾何形態(tài)更逼真，更有利于在加載條件下觀察和分析牙周支持組織的受力分布。

3.2 建模速度的提高：建模速度體現(xiàn)在以下方面：mimics能夠識(shí)別dicom格式圖片的灰度圖，并可以將識(shí)別的數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換為Ansys三維軟件可識(shí)別的格式，避免發(fā)生在以往研究中二維圖像處理軟件時(shí)外形輪廓的重新定位和多次處理等問題。Mimics識(shí)別圖像過程中，可以設(shè)置圖像識(shí)別范圍、識(shí)別間距、層距等參數(shù)，一次識(shí)別即可完成所有圖像，避免以往手工錄入數(shù)據(jù)和修改，極大程度縮減建模步驟，提高建模效率；且該軟件在圖像處理這方面操作簡單，操作1～2次后就可獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入讀取，大大提高了口腔醫(yī)師在建模過程中的參與性。

3.3擴(kuò)大模型的開放性：針對(duì)建模的開放性，在建模過程中，分別識(shí)別頜骨、牙齒、粘膜、牙周膜及義齒各個(gè)部件，建立不同的三維模塊，使得模型具有更廣闊的應(yīng)用前景。利用不同的模塊可建立口腔修復(fù)中不同缺牙的分析模型（通過增減牙齒，調(diào)整缺牙區(qū)牙槽嵴的高度和厚度，不同松動(dòng)度基牙等），可以添加不同的修復(fù)部件（卡環(huán)，基托，種植體等），便于今后各種不同義齒的生物力學(xué)研究。

3.4模型的生物相似性：在以往的牙頜組織FEM研究中，較多采用CT圖像后，二維圖像軟件進(jìn)行各個(gè)斷面中關(guān)鍵點(diǎn)的描繪，然后把這些關(guān)鍵點(diǎn)面與面之間，層與層之間進(jìn)行連接獲得三維結(jié)構(gòu)，這樣一來摻雜過多認(rèn)為因素，再者這樣獲得的三維模型形態(tài)上與實(shí)際結(jié)構(gòu)相似度差，連續(xù)性差，一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)容易缺失。本研究綜合前人研究方法，利用mimics醫(yī)學(xué)逆向工程軟件，真實(shí)再現(xiàn)頜骨、牙列及支架的關(guān)系，同時(shí)利用該軟件模擬粘膜和牙周膜的厚度，提高模型的生物相似性。

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