構(gòu)建不同矢量骨吸收的牙周炎下頜骨3D數(shù)字解剖學(xué)模型

葉章艷，柳歡，葉鵬程，吳立軍，丁熙

1.溫州醫(yī)科大學(xué)附屬平陽醫(yī)院 口腔科，浙江 溫州 325400；2.溫州醫(yī)科大學(xué) 數(shù)字化醫(yī)學(xué)研究所，浙江 溫州 325035；3.溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院 口腔科，浙江 溫州 325015

第三次全國口腔健康流行病學(xué)的調(diào)查顯示，35～44歲年齡組的牙周健康率約為14.2%，65～77歲年齡組的牙周健康率約為13.6%[1]，牙周炎已成為我國發(fā)病率極高的口腔疾病。但礙于醫(yī)學(xué)倫理學(xué)的限制，直接測量牙周炎患者口內(nèi)的生物力學(xué)特征十分困難，且缺乏有效的科學(xué)依據(jù)，故根據(jù)國人的特點建立高精度完整的下頜骨解剖模型是體外數(shù)字醫(yī)學(xué)研究下頜生物力學(xué)分析的前提。牙作為咀嚼受力的第一載體，包含牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)等不同解剖結(jié)構(gòu)，如不建立完整精確的全牙列解剖模型而直接在下頜骨上加載，力集中明顯，與臨床實踐有較大差異[2-3]。牙周炎與非牙周炎患者的主要區(qū)別在于牙周附著喪失及牙槽骨吸收[4]。針對不同程度牙周炎患者引起的應(yīng)力分布變化，需要建立個體化牙周炎樣本模型來進行生物力學(xué)分析。故本研究建立體外以牙槽骨矢量吸收程度為標(biāo)準(zhǔn)的含完整解剖結(jié)構(gòu)的全牙列牙周健康模型及輕、中、重度牙周炎患者下頜骨3D數(shù)字解剖學(xué)模型。

1 對象和方法

1.1 對象 選取1例健康成人男性志愿者，23歲，牙 列完整，經(jīng)X線檢查排除頜骨疾患。經(jīng)查體該名志愿者身高169 cm，體質(zhì)量65 kg，BMI為22.76 kg/m2， 口內(nèi)牙列完整，無明顯牙體組織缺損，無修復(fù)牙冠，牙周情況良好，無明顯牙槽骨吸收。

1.2 軟硬件條件 荷蘭飛利浦公司16排螺旋CT機進行斷層掃描；醫(yī)學(xué)三維圖像重建軟件對CT斷層掃描的切片圖像數(shù)據(jù)集合形成三維圖像；Materialise Mimics10.0軟件進行模型切分，根據(jù)重建的下頜骨模型，使用直觀的輪廓編輯功能對3D模型進行細微調(diào)整，劃分出不同的解剖結(jié)構(gòu)；逆向工程Geomagic Studio12.0軟件和有限元前處理HyperMesh 11.0軟件對數(shù)字化模型進行優(yōu)化、分割、網(wǎng)格優(yōu)化。

1.3 CT數(shù)字模型的建立 采用CT掃描志愿者下頜骨，以眶耳平面為參照平面，層厚間距0.5 mm，螺距0.875 mm，掃描范圍從下頜骨下緣至髁突，共82層截面斷層。從CT數(shù)據(jù)獲取掃描圖像數(shù)據(jù)以DICOM格式直接儲存，導(dǎo)入醫(yī)學(xué)三維圖像重建軟件 Materialise Mimics10.0，調(diào)整對比度，去除軟組織陰影，根據(jù)骨骼閾值劃分，軟件自動生成骨組織表面輪廓，依據(jù)牙根根管及髓腔形態(tài)，逆向模擬充填其內(nèi)的牙髓解剖輪廓，在牙齒牙根與下頜骨之間的缺隙充填0.2 mm的牙周膜結(jié)構(gòu)，結(jié)合軟件各種工具及臨床解剖學(xué)特征，手動描繪各部結(jié)構(gòu)的輪廓曲線，重建生成下頜骨（包括分離皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨、牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)、牙骨質(zhì)、牙周膜、牙髓、顳下頜關(guān)節(jié)髁狀突等結(jié)構(gòu)），以STL格式保存。

1.4 完整下頜骨數(shù)字解剖學(xué)模型的建立 將Materialise Mimics10.0軟件生成的下頜骨結(jié)構(gòu)以STL格式導(dǎo)入到逆向工程軟件Geomagic Studio12.0軟件，利用多邊形編輯工具，對各獨立的牙體組織結(jié)構(gòu)和下頜骨（皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨）進行優(yōu)化調(diào)整。包括控制三角片的角度，使其大致符合等邊三角形，根據(jù)模型的大小調(diào)整三角形邊長，以此為基礎(chǔ)形成高質(zhì)量的四面體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，促使網(wǎng)格單元形狀規(guī)則、疏密可控，極大提高了幾何相似性和力學(xué)相似性，建立完整的下頜骨有限元前處理模型。

1.5 牙周炎模型的建立 慢性牙周炎骨吸收的程度一般按吸收區(qū)占牙根長度的比例來描述，分為三度。輕度：牙槽骨吸收在牙根的頸1/3以內(nèi)；中度：牙槽骨吸收超過根長的1/3，但在根長的2/3以內(nèi)，或者吸收達根長的1/2；重度：炎癥較明顯或發(fā)生牙周膿腫。牙周袋＞6 mm，X線片顯示牙槽骨吸收占根長的2/3以上[5]。為統(tǒng)一樣本模型中每個牙位的骨吸收情況，以不同程度牙周炎骨吸收的臨界值為標(biāo)準(zhǔn)劃分，修整模型。將下頜骨三維幾何模型導(dǎo)入Geomagic Studio12.0軟件，用測得的牙根總長度減去釉牙骨質(zhì)界至牙槽嵴頂?shù)木嚯x，得出每顆牙的牙槽骨內(nèi)牙根長度，降低牙槽骨高度至牙根骨內(nèi)段長度的0、1/3、1/2、2/3，修整邊緣使其光滑連續(xù)，建立四個模型模擬健康牙周及輕、中、重度牙周炎的下頜骨模型，模擬骨吸收牙周治療后穩(wěn)定狀態(tài)。

1.6 實驗預(yù)設(shè)條件 實際情況下牙周炎的牙槽骨吸收情況是十分復(fù)雜的，牙周袋的每個面吸收情況不盡相同，此種建模方式與臨床情況存在偏差，但目前要研究的是整體牙列的情況，該方法所建立的模型牙槽骨表面情況規(guī)則均勻，方便分析計算。所有解剖結(jié)構(gòu)為均質(zhì)、各向同性的線彈性材料[6]，解剖結(jié)構(gòu)的材料力學(xué)參數(shù)見表1[7-8]。

表1 下頜骨各解剖結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)參數(shù)

2 結(jié)果

2.1 含完善解剖結(jié)構(gòu)牙列的下頜骨3D數(shù)字解剖學(xué)模型的建立 構(gòu)建了包含皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)、牙骨質(zhì)、牙周膜、牙髓、顳下頜關(guān)節(jié)髁狀突等結(jié)構(gòu)的下頜骨3D數(shù)字解剖學(xué)模型和牙體各解剖結(jié)構(gòu)模型，還原牙齒面形態(tài)和根管走向，見圖1；下頜骨數(shù)字模型正、側(cè)位面見圖2。下頜骨模型節(jié)點總數(shù)55 034個，面單元總數(shù)108 273個。

圖1 Ansa 16.0軟件示牙體幾何模型

2.2 不同矢量骨吸收的牙周炎下頜骨3D數(shù)字解剖學(xué)模型的建立 構(gòu)建輕度牙周炎、中度牙周炎、重度牙周炎的下頜骨3D數(shù)字解剖學(xué)模型。牙槽骨吸收水平分別降至根長的1/3、1/2、2/3骨水平，所有解剖結(jié)構(gòu)相接觸的部位均做共節(jié)點連接，見圖3-4。有限元前處理模型中三角片大致符合等邊三角形，在網(wǎng)格劃分上，其稀疏分布能夠與受力情況一致，即應(yīng)力梯度大及各不同質(zhì)相銜接的部位采用相對較密的網(wǎng)格分布；而應(yīng)力梯度小，結(jié)構(gòu)單一均質(zhì)的部位采用相對稀疏的網(wǎng)格分布，四面體網(wǎng)格層層優(yōu)化，網(wǎng)格單元形狀規(guī)則、疏密可控，見圖5-7。各下頜骨模型面單元數(shù)和節(jié)點數(shù)見表2。

3 討論

3.1 下頜骨3D數(shù)字解剖學(xué)模型的建立 牙作為下頜骨受力的載體，在咀嚼過程中以及外傷受力中承受著不同的應(yīng)力加載及創(chuàng)傷。下頜骨的建模方法多樣，包含磨片、切片法、三維測量法、CT圖像處理法和DICOM數(shù)據(jù)直接建模法等。目前下頜骨建模的普遍研究現(xiàn)狀是利用CT影像結(jié)合計算機數(shù)字化處理及三維重建技術(shù)來復(fù)原下頜骨實體模型。本研究采用口腔CBCT掃描結(jié)合DICOM醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像通訊標(biāo)準(zhǔn)和Mimics軟件輔助建模，將下頜骨的三維影像資料轉(zhuǎn)換成醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)，結(jié)合臨床醫(yī)師對其解剖形態(tài)的掌握，在計算機軟件上描繪生成3D數(shù)字解剖學(xué)模型，并利用有限元前處理軟件，手動精細調(diào)整四面體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，保證四面體網(wǎng)格質(zhì)量，從而建立了更為精確的下頜骨三維有限元前處理模型。以往下頜骨有限元模型的構(gòu)建和有限元生物力學(xué)分析研究[7，9-10]，利用簡化的骨塊模型、牙體均質(zhì)一體化的下頜骨模型、牙冠牙根簡化的牙體模型等，容易使應(yīng)力的分散與臨床實際情況不符。本研究完善了下頜骨的完整牙列，對于牙體組織的解剖結(jié)構(gòu)均作出了細化建模，賦予每個解剖結(jié)構(gòu)生物力學(xué)參數(shù)，形成了具有完善牙體形態(tài)，牙根個性化的數(shù)字解剖學(xué)模型。賦予更高幾何相似度的含全牙列下頜骨三維有限元前處理模型，其生物力學(xué)分析更貼近臨床的真實效果[11]。

圖2 Geomagic Studio12.0軟件示下頜骨三維幾何模型

圖3 Geomagic Studio12.0軟件示牙周炎的下頜骨模型

圖4 Geomagic Studio12.0軟件示牙周炎的牙體及牙周膜模型

圖5 Geomagic Studio12.0軟件示輕度牙周炎下頜骨模型

圖6 Geomagic Studio12.0軟件示中度牙周炎下頜骨模型

圖7 Geomagic Studio12.0軟件示重度牙周炎下頜骨模型

3.2 牙周炎分型的下頜骨3D數(shù)字解剖學(xué)模型的建立 牙周病是牙周致病菌引起的牙周組織的免疫炎癥性疾病，慢性牙周炎是最常見的牙周病類型。牙周炎臨床研究中，牙周炎的病變程度需要考慮牙周附著喪失程度、探診深度、出血指數(shù)、牙齒松動度等[12]。既往牙周炎的免疫反應(yīng)研究，利用動物實驗建立小鼠牙周炎模型[13]。而醫(yī)學(xué)生物力學(xué)研究主要從骨水平與機械性能相結(jié)合，研究樣本的彈性模量、應(yīng)力與應(yīng)變、骨強度、動靜力平衡等概念。本實驗利用醫(yī)學(xué)影像結(jié)合數(shù)字化醫(yī)學(xué)軟件，根據(jù)牙槽骨不同矢量骨吸收水平，構(gòu)建以牙槽骨高度吸收程度為標(biāo)準(zhǔn)的牙周健康模型、輕度牙周炎、中度牙周炎和重度牙周炎患者下頜骨3D數(shù)字解剖學(xué)模型。牙周炎患者的牙槽骨吸收情況是十分復(fù)雜的，牙周袋的每個面吸收情況不盡相同，且咬合力來源的咀嚼肌和咬合接觸部位都具有較大差異，目前尚無法構(gòu)建完美的精準(zhǔn)下頜骨模型，適用于大眾[14]。牙周炎已經(jīng)普遍成為中老年牙缺失的首大原因，而種植牙修復(fù)是目前首選的修復(fù)方式。種植修復(fù)應(yīng)用于牙周炎患者的療效及生物力學(xué)分析是目前國內(nèi)外的研究熱點。有學(xué)者[15]通過典型病例取材，建立缺牙區(qū)下頜骨牙槽嵴萎縮有限元模型，進行種植修復(fù)冠的生物力學(xué)分析。ROCCUZZO等[16]對部分無牙頜患者分為三組（無牙周炎、中度牙周炎和重度牙周炎）進行種植術(shù)后10年前瞻性研究，但礙于醫(yī)學(xué)倫理學(xué)的限制以及臨床口腔檢查有較多影響因素可能對結(jié)果造成誤差。本研究建立牙周炎下頜骨數(shù)字解剖學(xué)模型可以為下頜骨的骨手術(shù)、缺牙的修復(fù)、牙在骨內(nèi)的移動等提供生物力學(xué)研究基礎(chǔ)。

表2 各下頜骨模型面單元數(shù)和節(jié)點數(shù)

3.3 本研究的應(yīng)用前景 計算機醫(yī)學(xué)圖像技術(shù)以及醫(yī)學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，促進了口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域頜骨三維數(shù)字化實體模型的建立，國內(nèi)外學(xué)者許多研究均與頜骨三維實體模型緊密相關(guān)。下頜骨囊性病變的生物力學(xué)分析[17]，對于下頜骨不同矢量骨吸收種植牙修復(fù)的骨界面分析及下頜種植修復(fù)優(yōu)化設(shè)計[18]， 下頜骨骨折切復(fù)內(nèi)固定術(shù)[19]以及口腔模擬教學(xué)等各方面都需要下頜骨三維數(shù)字化實體模型的支持。隨著牽張成骨技術(shù)在牙槽嵴增高中的廣泛應(yīng)用，其術(shù)前設(shè)計也愈來愈多地依賴于生物力學(xué)分析。利用本研究構(gòu)建的結(jié)構(gòu)完整、精確度高、幾何相似性高的牙周炎下頜骨有限元前處理模型，通過模擬不同頜骨疾病，添加或替換單元，適當(dāng)調(diào)整模型，可以為后續(xù)的不同臨床載荷以及有限元應(yīng)力分析提供操作平臺和實驗基礎(chǔ)，并為臨床上不同程度牙周炎患者的口腔疾病提供體外生物力學(xué)建模，為臨床實踐操作提供生物力學(xué)參考。