三維重建在口腔生物力學(xué)中的應(yīng)用

宋紅芳 吳寶平 趙麗穎 王輝 劉志成

摘 要：生物力學(xué)在口腔修復(fù)、正畸、種植等領(lǐng)域有著廣泛的實(shí)際應(yīng)用，因此實(shí)用性強(qiáng)的知識(shí)點(diǎn)必須融入教學(xué)中。本文介紹了三維重建在口腔生物力學(xué)中的應(yīng)用，通過(guò)實(shí)例展示體現(xiàn)了它在口腔科強(qiáng)的實(shí)用性特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：三維重建；生物力學(xué)；口腔醫(yī)學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2018.07.008

文章編號(hào)：1006-1959（2018）07-0024-02

Application of 3D Reconstruction in Oral Biomechanics

SONG Hong-fang1，WU Bao-ping1，ZHAO Li-ying2，WANG Hui1，LIU Zhi-cheng1

（1.College of Biomedical Engineering，Capital Medical University，Beijing 100069，China；

2.Beijing Stomatology Hospital，Capital Medical University，Beijing 100050，China）

Abstract：Biomechanics has a wide range of practical applications in the field of dental repair，orthodontics，implant and so on，so the practical knowledge must be integrated into the teaching.This article describes the application of three-dimensional reconstruction in oral biomechanics and demonstrates its practicability in the dental department through practical examples.

Key words：Three-dimensional reconstruction；Biomechanics；Stomatology

生物力學(xué)是力學(xué)與醫(yī)學(xué)、生物學(xué)相結(jié)合形成的一門(mén)交叉學(xué)科，研究人和動(dòng)物身體各個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，各種組織控制器官的力學(xué)功能等[1，2]。在口腔專業(yè)中存在大量的生物力學(xué)問(wèn)題，尤其是近些年來(lái)基礎(chǔ)和臨床研究的緊密結(jié)合，使得臨床大夫開(kāi)展一些科學(xué)研究要用到生物力學(xué)的基本知識(shí)，如果沒(méi)有一個(gè)基本的了解將很難深入進(jìn)去，甚至找不到方向。因此，對(duì)于長(zhǎng)學(xué)制的口腔醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)，在基礎(chǔ)教育階段，短學(xué)時(shí)的接觸生物力學(xué)課程，掌握了解一些課程中實(shí)用性強(qiáng)的知識(shí)就顯得很重要。三維重建就是必修的一個(gè)內(nèi)容，口腔組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外形不規(guī)整，想要通過(guò)常規(guī)的繪圖手段得到它的幾何形狀不容易，不知道幾何尺寸，且一般不符合常規(guī)形狀。而醫(yī)學(xué)影像可以獲得它的全部掃描信息，但是如何從獲得的平面信息中提取出三維結(jié)構(gòu)信息，借助于圖像處理三維重建的方法就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。

1 三維重建簡(jiǎn)介

三維重建是指對(duì)三維結(jié)構(gòu)的物體通過(guò)一定的方式建立適合計(jì)算機(jī)表示和處理的數(shù)學(xué)模型，是在計(jì)算機(jī)環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行處理、操作和分析其性質(zhì)的基礎(chǔ)，也是在計(jì)算機(jī)中建立表達(dá)客觀世界的虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)。

在圖像處理方面有很多的算法使得圖像處理更加清晰，研究算法也是圖像重建的一個(gè)工作。但對(duì)于醫(yī)學(xué)上獲得的圖像資料，如CT、MRI等資料我們現(xiàn)在可以借助于專門(mén)的圖像處理軟件進(jìn)行處理，獲得其外觀結(jié)構(gòu)，常用的通用軟件有MIMICS，SIMPLEWARE，基于一定算法的基礎(chǔ)上通過(guò)圖像上像素和灰度的不同，提取相應(yīng)感興趣的部分將其重建出來(lái)。我們以MIMICS軟件為例，展示三維重建的使用，一般步驟是：①對(duì)二維圖像根據(jù)閾值進(jìn)行分割，提取感興趣的有用信息；②對(duì)得到的新圖像進(jìn)行三維重建，并顯示；③對(duì)得到的三維模型進(jìn)行優(yōu)化處理，并以一定的文件格式輸出。圖1為MIMICS處理界面。

根據(jù)組織的不同可以選用不同影像資料，如提取密度比較高的硬組織骨頭、牙齒，可以用CT，提取軟組織則用MRI，組織與組織間界限要分明是三維重建的關(guān)鍵。

2 三維重建在口腔醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

2.1解剖結(jié)構(gòu)的深度認(rèn)識(shí) 無(wú)論是修復(fù)、正畸、還是種植，首先要了解患者的口腔形態(tài)，了解被處理對(duì)象及其周圍的環(huán)境。我們可以通過(guò)對(duì)影像資料的重建，剖分了解其解剖形態(tài)，如圖2所示，展示了頭部和下頜的情況。

2.2進(jìn)行裝置個(gè)性化的設(shè)計(jì) 根據(jù)臨床患者的真實(shí)口腔狀態(tài)，我們可以提供個(gè)性化的治療，進(jìn)行個(gè)性化的修復(fù)設(shè)計(jì)。首先獲得患者的口腔影像資料，重建其口腔解剖形態(tài)，基于此解剖形態(tài)設(shè)計(jì)修復(fù)裝置。圖3為只剩下兩個(gè)牙根的患者，依據(jù)圖像我們可以設(shè)計(jì)帶有球帽附著體的基托模型，見(jiàn)圖4。

2.3進(jìn)行力學(xué)分析 有限元法作為一種數(shù)值模擬方法，起源于工程領(lǐng)域，但已廣泛的滲透到了醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，研究口腔中各種力學(xué)現(xiàn)象。在口腔的種植、修復(fù)、正畸等領(lǐng)域均有很多研究，而前提是要有口腔組織的結(jié)構(gòu)模型，一般很難通過(guò)繪圖工具得到，三維重建正好可以解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元前處理部分工作。圖5為義齒修復(fù)的力學(xué)分析，圖6為種植體的有限元網(wǎng)格。

2.4快速成型前的模型處理 3D打印和快速成型技術(shù)飛速發(fā)展，使得很多模型制造成為可能，尤其是不規(guī)則和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，通過(guò)三維重建構(gòu)造其外形結(jié)構(gòu)，提供給快速成型機(jī)即可打造其幾何模型，見(jiàn)圖7。

3 總結(jié)

隨著三維重建技術(shù)的發(fā)展以及圖像質(zhì)量的提高，口腔醫(yī)學(xué)專業(yè)研究的需求，加之不斷出現(xiàn)的一些新知識(shí)、新技術(shù)，依托醫(yī)學(xué)圖像的三維重建技術(shù)在口腔中會(huì)得到廣泛的應(yīng)用[3]。我們不但可以重建所需的幾何結(jié)構(gòu)外形，進(jìn)行力學(xué)的分析，設(shè)計(jì)義齒模型、基托模型、正畸裝置等，同時(shí)也可以在模擬手術(shù)、裝配義齒、基托、種植、測(cè)量等方面開(kāi)展更多的工作。

基于三維重建在口腔醫(yī)學(xué)專業(yè)可以開(kāi)展很多的工作，因此在基本理論掌握的前提下，讓學(xué)生自己動(dòng)手進(jìn)行模型的重建操作會(huì)加深對(duì)三維重建的理解，在今后的教學(xué)中學(xué)生的興趣會(huì)更高，和其專業(yè)緊密相連更加實(shí)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉志成，宋紅芳.生物力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：首都醫(yī)科大學(xué)出版，2005.

[2]周昌玉.有限元分析的基本方法及工程應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社：2006.

[3]于海洋.口腔生物力學(xué)[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2012.

收稿日期：2017-10-20；修回日期：2017-10-24

編輯/成森