替牙期單側(cè)完全性唇腭裂患者上頜骨復(fù)合體三維有限元模型的建立

楊彩秀，范存暉，許 濤，房曉旭，王文惠，鄭英澤，劉曉潔

唇腭裂是先天性顱頜面畸形中比較常見的，單側(cè)完全性唇腭裂（unilateral complete cleft lip and palate，UCLP）又是唇腭裂中最常見的類型，常表現(xiàn)為反合、上頜骨發(fā)育不足及牙弓狹窄等錯合畸形[1～4]。為探究該類患者錯合畸形的形成機(jī)制和臨床治療方法，很多學(xué)者做了大量的研究，方法涉及動物實(shí)驗(yàn)、臨床試驗(yàn)、生物力學(xué)等[5，6]。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，有限元分析（finite element analysis，F(xiàn)EA）的方法逐步成為口腔生物力學(xué)研究中最為重要的手段[7～9]。它通過將人體軟硬組織作為一種物理系統(tǒng)，建立模型，利用數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行一系列分析，研究人體軟硬組織在不同物理作用下的生物力學(xué)影響[10]。替牙期是生長發(fā)育高峰期，是錯合畸形形成和矯治的關(guān)鍵階段，對該時期的UCLP患者進(jìn)行有限元研究，可以分析不同受力狀態(tài)下頜骨及牙弓的物理變化，從而研究該類患者牙頜面畸形的形成機(jī)制和臨床矯治方法。FEA的前提是建立切合實(shí)際的三維（three-dimensional，3D）模型，要求其幾何形狀及力學(xué)特性的相似度高。為此，筆者采用Mimics、Geomagic、Hypermesh、Abaqus軟件逐步建立了替牙期UCLP患者上頜骨復(fù)合體（maxilla complex，MC）3D有限元模型，以利于后期進(jìn)一步的FEA研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 臨床材料

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，選擇具有代表性的非綜合征性的1例替牙期UCLP患者進(jìn)行建模，男性，8歲，出生后3個月行唇裂修復(fù)術(shù)，6個月行腭裂修復(fù)術(shù)，未行后期序列治療；骨性Ⅲ類[由蝶鞍中心、鼻根點(diǎn)及上齒槽座點(diǎn)所構(gòu)成的角（SNA）=72°，由蝶鞍中心、鼻根點(diǎn)及下齒槽座點(diǎn)所構(gòu)成的角（SNB）=75°，上齒槽座點(diǎn)、下齒槽座點(diǎn)、鼻根點(diǎn)構(gòu)成的角（ANB，即SNA與SNB之差）=-3°]，上頜骨發(fā)育不足，上下前牙反合。

1.1.2 主要設(shè)備與軟件

錐形束CT（cone beam CT，CBCT）掃描機(jī)（產(chǎn)品型號：i-CAT 17-19）（卡瓦集團(tuán)，美國）。

Mimics 15.0醫(yī)學(xué)圖像處理軟件（Materialise，比利時）；Geomagic Studio 10逆向工程軟件（Raindrop，美國）；Hypermesh建模劃分網(wǎng)格軟件（Altair，美國）；Abaqus 6.14有限元建模與分析軟件（Simulia，法國）。

1.2 方法

1.2.1 錐形束CT影像獲取

患者端坐位，頭位通過下頜托調(diào)整，眶耳平面方向與地平面方向一致，戴用特別制作的2 mm厚度咬合板；保持平靜呼吸狀態(tài)，使上下牙列分開，以免造成牙齒重疊，影響牙齒的重建，運(yùn)用CBCT掃描機(jī)，對患者的上下頜骨進(jìn)行掃描，獲取CBCT資料。掃描參數(shù)：拍攝時長26.9 s，管電壓120 kV，電流5 mA，視野范圍（柱狀）D=16 cm、H=11 cm，分辨率0.25 mm。

1.2.2 建立上頜骨復(fù)合體三維有限元模型

將CBCT獲取的圖像導(dǎo)入Mimics 15.0醫(yī)學(xué)圖像處理軟件中，自動定義Anterior（前）、Posterior（后）、Left（左）、Right（右）、Top（上）、Bottom（下）六個方向，從正位、側(cè)位、后面三個角度來顯示掃描得到的模型，截取UCLP患者M(jìn)C的范圍（包含上頜骨、顴骨、部分眼眶、蝶骨及部分顱骨），生成3D模型；將該模型以立體光刻（stereolithography，STL）格式輸出。

將該模型導(dǎo)入Geomagic Studio 10逆向工程軟件中進(jìn)一步優(yōu)化處理，對3D模型進(jìn)行網(wǎng)格診斷、修補(bǔ)、曲面裁剪和擬合曲面等操作，得到更為精確的幾何模型。

把獲得的幾何模型導(dǎo)入到Hypermesh建模劃分網(wǎng)格軟件中，進(jìn)行曲面的網(wǎng)格劃分及文件格式轉(zhuǎn)換，網(wǎng)格劃分主要步驟包括：減少三角片數(shù)量（Reduce），設(shè)置網(wǎng)格優(yōu)化參數(shù)，由面及體，劃分體網(wǎng)格。進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化時，減少單元數(shù)量，對一些質(zhì)量較差的三角片進(jìn)行更改、合并、刪除等操作。最后通過網(wǎng)格中三角片的自交檢測后，得到STP格式的幾何模型。

經(jīng)過Hypermesh建模劃分網(wǎng)絡(luò)軟件處理之后得到的STP文件，導(dǎo)入Abaqus 6.14有限元建模與分析軟件中，最終得到UCLP MC有限元模型。

1.2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

將建立的MC 3D有限元模型導(dǎo)入Abaqus 6.14有限元建模與分析軟件中進(jìn)行仿真計(jì)算，以牙槽突部位作為施力位點(diǎn)，并垂直于牙槽突表面施加口周力值，模擬臨床中UCLP患者在口周力的作用下上頜骨的受力及受抑制情況，觀察分析口周力作用后上頜骨位移變化（圖1）。

2 結(jié)果

2.1 上頜骨骨性結(jié)構(gòu)提取結(jié)果

根據(jù)軟件自帶的閾值調(diào)整工具（Thresholding）提取上頜骨輪廓。上頜骨輪廓的提取是根據(jù)骨組織CT的灰度值，閾值范圍為226～1 222 Hu，自動生成蒙板（Mask）。利用區(qū)域增長工具（Region growing）選擇區(qū)域，由于圖像和分割的誤差，使得生成的模型表面不光滑。利用選擇性編輯（Edit masks）工具中Draw、Erase、Threshold等功能去除毛刺，填補(bǔ)空洞。最后經(jīng)計(jì)算（calculate 3D from mask）生成3D模型（圖2）。

2.2 上頜骨復(fù)合體的幾何模型

在多邊形模式中，通過去除特征和填充孔，將模型表面的孔、凸、凹去掉；在精確曲面模塊中，通過對輪廓線的探索、編輯、提取，完成各區(qū)域的劃分，再通過曲面片和格柵的構(gòu)造及曲面擬合。對模型各部分進(jìn)行平順、光滑、簡化三角片數(shù)量等處理，最后用網(wǎng)格醫(yī)生自動修復(fù)，獲得UCLP MC的幾何模型（圖3）。

2.3 STP格式的幾何模型

導(dǎo)入幾何模型后進(jìn)行幾何清理，幾何模型存在間隙、重疊和缺損，消除缺損和孔，以及壓縮相鄰曲面的邊界等；再對模型進(jìn)行分塊處理，進(jìn)入面網(wǎng)格，檢查網(wǎng)格的治療后對網(wǎng)格進(jìn)行修改，再生成體網(wǎng)格，刪掉無用的面網(wǎng)格后得到更高質(zhì)量劃分的網(wǎng)格，再導(dǎo)出STP格式的幾何模型。見圖4。

2.4 上頜骨復(fù)合體有限元模型

建立了包含上頜骨、顴骨、部分眼眶、蝶骨及部分顱骨的UCLP MC有限元模型，節(jié)點(diǎn)數(shù)為205 415，單元數(shù)為127 181。見圖5。

2.5 驗(yàn)證結(jié)果

將模型導(dǎo)入Abaqus 6.14有限元建模與分析軟件中進(jìn)行仿真計(jì)算。在Abaqus 6.14有限元建模與分析軟件中模擬在口周力的作用下，上頜骨的健患側(cè)骨塊在3D方向上均發(fā)生位移的改變（圖6）。位移的方向主要是向后向內(nèi)，健側(cè)骨塊的前段受抑制最明顯。在矢狀向變化最明顯，健側(cè)骨塊較裂側(cè)骨塊的前段向后移動多，前段均大于其中后段；其次是水平向，健患側(cè)骨塊的前段位移最明顯，健側(cè)骨塊大于患側(cè)骨塊，兩側(cè)上頜骨塊均由外向內(nèi)移動，牙弓寬度縮窄；垂直向變化最小。與臨床中該唇腭裂患者的矢狀向及橫向發(fā)育不足等情況相符，因此在臨床中可以起到很好的預(yù)測作用。

3 討論

目前與腭裂結(jié)構(gòu)畸形相關(guān)的MC 3D有限元模型文獻(xiàn)報(bào)道相對較少。先前有學(xué)者[11～13]已經(jīng)通過獲取12歲（恒牙早期）、17歲（接近成年人）完全性唇腭裂患者螺旋CT掃描圖像，從而使腭裂MC 3D有限元模型得以建立。筆者建模對象是8歲的替牙期男性患者，處于生長發(fā)育關(guān)鍵期，這個時期建立的模型對治療方案的制定比較重要，對錯合畸形形成機(jī)制的研究意義較大。眾所周知，由于上頜骨與周圍很多重要的解剖結(jié)構(gòu)相連接，比如顴骨、顱骨、蝶骨、眼眶及上頜牙列，共同組成MC，其形態(tài)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜[14]；腭裂畸形變異更為復(fù)雜，骨性缺損可以導(dǎo)致腭板及鄰近結(jié)構(gòu)變形[15～17]，同樣可以導(dǎo)致MC整體結(jié)構(gòu)不對稱，且硬腭缺損會對MC的結(jié)構(gòu)和形態(tài)變化產(chǎn)生影響[18，19]。筆者選擇建模的對象正處于替牙期，相比于成年人唇腭裂患者來說，骨骼發(fā)育未完全，骨骼形態(tài)也不規(guī)則，內(nèi)部形態(tài)的復(fù)雜性決定了要使模型與實(shí)體高度相似，不但費(fèi)時、費(fèi)力，而且建模的難度相對較大。建立一個UCLP MC 3D有限元模型要經(jīng)過重復(fù)多次的優(yōu)化和簡化處理，對模型表面出現(xiàn)孔、凸、凹進(jìn)行填補(bǔ)修改及細(xì)微調(diào)整。

關(guān)于圖像采集，通過CBCT獲取圖像，相較于之前研究采用的CT膠片掃描[20]，膠片掃描得到的圖像細(xì)節(jié)和信息在采樣過程中丟失較多；相較于用螺旋掃描CT掃描患者頭顱[20，21]，螺旋CT能獲得的斷層圖像清晰、真實(shí)、完整、可靠，但曝光掃描的時間相對較長。關(guān)于模型質(zhì)量，模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)是衡量的標(biāo)準(zhǔn)。10節(jié)點(diǎn)四面體單元相較于之前的單元，函數(shù)準(zhǔn)確且復(fù)雜，精度較高，模型復(fù)雜形狀的還原相對比較精確高效[22]。筆者建立的模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為205 415，單元數(shù)為127 181，其相較于前期建立的近成年患者的腭裂MC有限元模型[23]，選擇四面體10節(jié)點(diǎn)單元劃分網(wǎng)格，建模精確度相對較高，計(jì)算結(jié)果也比較準(zhǔn)確。由于處于生長發(fā)育期頜骨仍未發(fā)育完全，體積相對較小，相應(yīng)地減少運(yùn)算的工作量。但由于多處骨骼不完整，難以形成封閉的實(shí)體。因此，可以依據(jù)具體問題精簡模型，比如在遠(yuǎn)離加載的地方適當(dāng)?shù)匕亚娴拿娣e調(diào)大。一方面有利于進(jìn)行網(wǎng)格的劃分；另一方面，由于曲面形狀規(guī)則，網(wǎng)格及模型的質(zhì)量也較高。FEA中的重要環(huán)節(jié)就是建立3D有限元模型，分析結(jié)果的準(zhǔn)確度取決于建模過程的準(zhǔn)確度。由傳統(tǒng)CT掃描到CBCT掃描技術(shù)的發(fā)展[24]，使得圖像采集更加方便，模型精度更加真實(shí)可靠；模型的3D重建因?yàn)獒t(yī)學(xué)數(shù)字成像與通信（digital imaging and communication in medicine，DICOM）數(shù)據(jù)建模方法的出現(xiàn)變得更加方便快捷；DICOM數(shù)據(jù)建模方法由于Mimics軟件的出現(xiàn)和應(yīng)用得到了飛速的發(fā)展[24，25]。筆者正是將獲取的CBCT資料以DICOM格式導(dǎo)出，獲得清晰、真實(shí)的圖像，截面的跳躍和不連續(xù)情況很少出現(xiàn)，通過Mimics軟件輔助建模并結(jié)合其他建模軟件，所構(gòu)建的幾何模型順滑，網(wǎng)格劃分合理，模型的精度較高。

隨著越來越多新型技術(shù)的出現(xiàn)和設(shè)備軟件的更新，辛宇等[26]利用CBCT圖像建立的模型可以在短時間內(nèi)完成力學(xué)分析；張彤等[27]采用螺旋CT斷層掃描、數(shù)字影像傳輸及有限元仿真軟件建立規(guī)整骨結(jié)構(gòu)的有限元模型；杜娟[28]建立的3D有限元模型是將計(jì)算機(jī)圖像處理和ANSYS有限元建模與分析軟件（ANSYS公司，美國）整合到一起；鄧鋒等[29]建立的上頜骨模型是將CBCT掃描法和Mimics軟件結(jié)合到一起；這些技術(shù)都使上頜骨建模方法更加簡便化、系統(tǒng)化、多樣化。Mimics軟件已經(jīng)成為醫(yī)工結(jié)合方面互通的“橋梁”軟件，直接處理DICOM格式的掃描數(shù)據(jù)和信息，利用3D結(jié)構(gòu)重建的功能，再結(jié)合Hypermesh軟件有限元網(wǎng)格強(qiáng)大的處理功能，從而建立有限元模型。因此采用CBCT的DICOM格式結(jié)合Mimics軟件輔助建模的方法，逐漸在口腔醫(yī)學(xué)系統(tǒng)的3D有限元建模領(lǐng)域中成為主流，F(xiàn)EA的方法逐步成為研究3D空間的頜面骨骼的生物力學(xué)行為的有效方法[21]。文獻(xiàn)報(bào)道[30]采用較先進(jìn)的有限元建模方法，融合了新型建模軟件及網(wǎng)格劃分軟件，應(yīng)用多種格式轉(zhuǎn)換導(dǎo)出一個可以在Abaqus軟件和Ansys軟件中進(jìn)行FEA的模型，為生物力學(xué)分析的發(fā)展提供必要的條件。筆者研究通過提取UCLP患者CBCT掃描圖像，應(yīng)用Mimics、Geomagic、Hypermesh軟件逐步將DICOM格式的圖像轉(zhuǎn)換為有限元格式的數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)能夠直接在Abaqus軟件中進(jìn)行分析和處理，進(jìn)一步在Abaqus軟件中對模型施加工況，研究模型的應(yīng)力變化和位點(diǎn)位移的變化。所建的模型更能體現(xiàn)了UCLP患者的上頜骨及周圍相連的骨骼解剖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為分析牙頜面畸形的形成機(jī)制提供研究基礎(chǔ)，為進(jìn)一步研究UCLP患者的治療提供驗(yàn)證條件，通過這種方法建立UCLP MC 3D有限元模型相對簡單高效，構(gòu)建的模型優(yōu)質(zhì)可靠。

以往關(guān)于唇腭裂治療對上頜骨作用的研究所建立的模型只是單個上頜骨模型或上頜骨和部分顱骨的模型，只是在頜骨模型的某些位點(diǎn)上模擬施力，并不能很好地還原真實(shí)的臨床狀況，而筆者研究的優(yōu)勢在于建立了UCLP患者的腭裂MC模型，模擬效果與臨床真實(shí)情況更接近。該模型上界至鼻根，后界到枕骨大孔后方，形成了比較完整的UCLP MC 3D有限元模型。結(jié)構(gòu)上，兩側(cè)上頜骨由于完全性唇腭裂的存在完全分割，模型高度不夠，兩個獨(dú)立單元就會出現(xiàn)，十分影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確度[31]。筆者所建立的UCLP MC模型，腭裂兩側(cè)仍連為一個整體，便于后期的生物力學(xué)分析；應(yīng)用上，利用建立的模型，可以用來分析UCLP患者牙頜畸形的特點(diǎn)；也可以根據(jù)研究需要，在Abaqus軟件中對模型施加工況，進(jìn)一步研究模型的應(yīng)力位移的變化。該模型可用于治療過程的模擬，同樣可用于UCLP患者正畸治療的時機(jī)選擇、治療方案的制定。后期利用該模型可以探討前牽引力、植骨及擴(kuò)弓等治療方法對上頜骨應(yīng)力及位移變化的影響。

4 結(jié)論

筆者收集CBCT掃描圖像的資料，通過Mimics、Geomagic、Hypermesh、Abaqus這4個軟件的加工和處理，逐步建立了UCLP MC 3D有限元模型，可反映唇腭裂上頜骨解剖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可供有限元實(shí)驗(yàn)分析。通過這種建模方法建立的有限元模型擁有完整的MC形態(tài)，為臨床能進(jìn)一步研究UCLP患者形成原因提供條件，為正畸治療的生物力學(xué)機(jī)制提供基礎(chǔ)。可模擬在臨床上對施力的位置、大小和方向進(jìn)行改變，并為后期研究牙頜面部畸形的治療，探討前牽引力、植骨及擴(kuò)弓等治療方法對上頜骨產(chǎn)生的影響，也可同時為進(jìn)行牙、牙槽骨及上頜骨的動態(tài)性力學(xué)分析提供條件。