劉暢 朱憲春 張星 臺(tái)銀霞 閆森

（1.吉林大學(xué)口腔醫(yī)院 正畸科，長(zhǎng)春 130021；2.長(zhǎng)春市口腔醫(yī)院 正畸科，長(zhǎng)春 130000；3.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033）

頜面骨三維有限元模型中骨縫實(shí)體模型的建立

劉暢1，2朱憲春1張星3臺(tái)銀霞1閆森1

（1.吉林大學(xué)口腔醫(yī)院 正畸科，長(zhǎng)春 130021；2.長(zhǎng)春市口腔醫(yī)院 正畸科，長(zhǎng)春 130000；3.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033）

目的 在頜面骨三維有限元模型中建立與上頜骨生長(zhǎng)密切相關(guān)的4條骨縫實(shí)體模型。方法 以1名個(gè)別正常牙合、牙周組織健康、無(wú)顳下頜關(guān)節(jié)疾病的16歲女性為建模素材，應(yīng)用螺旋CT掃描與有限元法相結(jié)合的方法，建立頜面骨的三維有限元模型，并在此基礎(chǔ)上建立額頜縫、顴頜縫、顳顴縫、翼腭縫4條與上頜骨生長(zhǎng)有關(guān)的骨縫實(shí)體模型。結(jié)果 生成了具有86 575個(gè)節(jié)點(diǎn)、485 915個(gè)單元的頜面骨三維有限元模型，其中包括額頜縫、顴頜縫、顳顴縫、翼腭縫4條實(shí)體骨縫。結(jié)論 獲得了生物相似性良好的頜面骨三維有限元模型。

生物力學(xué)； 頜面骨； 三維有限元模型； 骨縫實(shí)體模型

由于上頜骨結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，頜面骨三維有限元模型的建立一直是生物模型建立中的難點(diǎn)[1-2]，而骨縫實(shí)體模型的建立更是因其定位困難、結(jié)構(gòu)復(fù)雜而成為生物力學(xué)研究中的瓶頸[3]。本文通過(guò)一種新型的技術(shù)手段，在頜面骨三維有限元模型中建立4條與上頜骨生長(zhǎng)密切相關(guān)的骨縫實(shí)體模型，為今后的生物力學(xué)研究提供模型基礎(chǔ)和科學(xué)的建模方法。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選擇1名16歲女性作為建模素材，要求個(gè)別正常牙合，牙周組織健康，無(wú)顳下頜關(guān)節(jié)疾病。

1.2 顱面復(fù)合體螺旋CT掃描

采用普通頭部掃描方式對(duì)被測(cè)者的顱面復(fù)合體進(jìn)行連續(xù)橫斷超薄掃描。在掃描時(shí)，被測(cè)者取仰臥位，將被測(cè)者頦部抬高，頭部固定，微張口，咬住預(yù)先制作的2mm厚塑料片以避免上下牙列相接觸。確定被測(cè)者的咬合平面，使掃描截面與咬合平面平行。掃描參數(shù)：球管電壓120 kV、電流250mA，床進(jìn)速度每周0.8 s，掃描層厚0.67mm、間隔0.33mm。然后對(duì)掃描后得到的DICOM數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，總共得到456張二維掃描斷層圖像數(shù)據(jù)，將其記錄到光盤(pán)上。

1.3 頜面骨模型的建立

將CT掃描后得到的DICOM數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換為BMP格式，并輸入到醫(yī)學(xué)成像軟件Mimics 10.0，依據(jù)CT掃描橫斷圖像建立直角坐標(biāo)系x、y、z軸（x軸為水平向，y軸為矢狀向，z軸為冠狀向）。取各個(gè)斷層的CT圖，畫(huà)出輪廓邊界形成其輪廓圖，并且形成閉合的輪廓曲線。根據(jù)CT片層間隔0.33mm，把代表每個(gè)CT掃描斷面的輪廓圖在空間中按照各自的z坐標(biāo)移動(dòng)到空間位置，使用Mimics 10.0的三維建模功能自動(dòng)建立頜面骨的初步三維模型（圖1）。并且在此基礎(chǔ)上刪除實(shí)驗(yàn)不需要的顱骨部分，去除上下頜牙列之間的偽影并分離上下頜牙列后，再進(jìn)行表面光滑處理，從而生成新的頜面骨三維有限元模型（圖2）。

1.4 骨縫初始模型的建立

將Mimics 10.0建立的三維STL模型導(dǎo)入專業(yè)逆向工程軟件GEOMAGIC；對(duì)面網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行修整，修復(fù)幾何缺失面，梳理牙齒，分離上下頜骨；沿著骨縫在頜面骨上的軌跡，采用布爾運(yùn)算將頜面骨切開(kāi)，從而得到本研究進(jìn)行分析所需的基本NURBS曲面模型（圖3）。

圖1 CT掃描后，使用Mimics 10.0軟件建立的顱面骨初步三維模型Fig 1 Preliminary three-dimensional model of maxillofacial bones built by the mimics 10.0 software after the CT scan

圖3 NURBS曲面模型Fig 3 NURBSmodel of curved surface

1.5 骨縫實(shí)體模型（三維有限元模型）的建立

將在GEOMAGIC軟件中修改后的面網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)入ICEM-CFD軟件中，同時(shí)在頜面骨模型上建立與額頜縫、顳顴縫、翼腭縫的相應(yīng)曲面，基于Octree網(wǎng)格技術(shù)按模型曲面進(jìn)行填充網(wǎng)格劃分，形成初步四面體網(wǎng)格；在此基礎(chǔ)上，通過(guò)已生成網(wǎng)格在額頜縫、顳顴縫、翼腭縫走向特征的面投影，生成1mm厚的棱柱形網(wǎng)格，由此建立帶有骨縫實(shí)體模型的頜面骨三維有限元模型。在顴頜縫的相應(yīng)位置上選取所屬面網(wǎng)格，在此網(wǎng)格法向生成顴頜縫網(wǎng)格。

2 結(jié)果

本研究最終生成了具有86 575個(gè)節(jié)點(diǎn)、485 915個(gè)單元的頜面骨三維有限元模型，其中包括額頜縫、顴頜縫、顳顴縫、翼腭縫4條實(shí)體骨縫（圖4）。將修復(fù)后的STL模型導(dǎo)入ICEM-CFD軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，基于最終的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)材料屬性進(jìn)行賦值，其彈性模量與泊松比賦值見(jiàn)表1。

表1 模型各部位的彈性模量與泊松比Tab 1 Elastic modulus and Poisson’s ratio of the model

3 討論

2001年Verrue等[4]以發(fā)育期犬為建模素材，建立顱面復(fù)合體三維有限元模型，并融入上頜骨周圍的骨縫；雖然該研究對(duì)骨縫材料屬性的推測(cè)并不充分，但是將顱頜面三維有限元的研究向前推進(jìn)了一步。2006年侯敏等[5]在建立的顱面復(fù)合體三維有限元模型上，利用軟件在骨縫區(qū)選取部分實(shí)體單元虛擬為骨縫結(jié)構(gòu)，建立了具有10條骨縫的9歲上頜發(fā)育不全女性患者的顱面復(fù)合體三維有限元模型；該模型未包括下頜骨復(fù)合體，同時(shí)其生物力學(xué)參數(shù)目前還是未知數(shù)，因此誤差較大。張彤等[6]依據(jù)顱面部固有的骨縫位置，將整個(gè)顱面復(fù)合體的三維有限元模型切分成9個(gè)部分，采用具有一定分離力的接觸關(guān)系來(lái)模擬骨縫，分離力的大小相當(dāng)于骨縫斷裂的強(qiáng)度；但是該研究中前方牽引的結(jié)果與臨床的實(shí)際效果有差別。這些研究表明：近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)頜面骨尤其是上頜骨三維有限元模型的建立提出了很多方法，對(duì)骨縫的建立也有所突破，但未能建立骨縫真正的實(shí)體模型。

本文所采用的有限元分析方法，能夠建立高精度的三維人體結(jié)構(gòu)模型，并把通過(guò)材料力學(xué)方法測(cè)量得到的生物力學(xué)材料特性賦予此模型，在計(jì)算機(jī)中建立起虛擬的“實(shí)驗(yàn)標(biāo)本”，然后對(duì)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)條件仿真。有限元分析方法具有實(shí)驗(yàn)方法無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)：它可根據(jù)需要產(chǎn)生各種各樣的標(biāo)本，同一個(gè)標(biāo)本在虛擬計(jì)算中可進(jìn)行無(wú)數(shù)次加載或組合而不會(huì)被損壞，標(biāo)本也可以進(jìn)行修正以模擬任何病理狀態(tài)。但是，模型化的難點(diǎn)在于如何建立有效而準(zhǔn)確的模型。本次分析的難點(diǎn)在于如何基于現(xiàn)有CT掃描數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的三維重現(xiàn)，以達(dá)到分離上下頜骨及建立骨縫的目的，從而獲得真實(shí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。本實(shí)驗(yàn)中，首先應(yīng)用螺旋CT與Mimics 10.0軟件相結(jié)合，初步建立了頜面骨模型，然后在專業(yè)逆向工程軟件GEOMAGIC中將骨縫的軌跡在頜面骨模型中切開(kāi)，最后將面網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)入ICEM-CFD軟件中，基于Octree網(wǎng)格技術(shù)按骨縫模型曲面生成四面體網(wǎng)格后，生成厚度為1mm的棱柱形網(wǎng)格，由此建立了帶有骨縫的上頜骨實(shí)體模型。

額頜縫、顴頜縫、顳顴縫、翼腭縫4條骨縫與上頜骨的生長(zhǎng)有密切關(guān)系。骨縫三維有限元模型的建立可以更加科學(xué)地模擬受力過(guò)程。在以往的研究中，頜面骨三維有限元模型的建立往往將整個(gè)上頜骨復(fù)合體都設(shè)為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的線性材料，并沒(méi)有建立骨縫網(wǎng)格，這樣在骨縫中的應(yīng)力就表現(xiàn)為均勻性，一旦對(duì)模型進(jìn)行加載，就會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。事實(shí)上，骨縫在頜面骨中屬于較為薄弱的部位，其性質(zhì)屬于纖維結(jié)締組織，彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于骨組織，與牙周膜相似。有研究[7-8]表明：張力及壓力對(duì)骨縫的影響與牙周膜類似，在外力作用下，骨縫與牙周膜具有相似的生物力學(xué)行為[9]。本研究參照文獻(xiàn)[10]，將骨縫的彈性模量設(shè)為38.6MPa，與牙周膜的彈性模量相近。在此模型基礎(chǔ)上進(jìn)行加載，能使骨縫中的應(yīng)力分布更符合實(shí)際情況，得到更為理想的生物力學(xué)效應(yīng)，為臨床工作提供更加精確的數(shù)據(jù)。

在本實(shí)驗(yàn)中，骨縫的厚度被設(shè)為1mm，這是在保證網(wǎng)格質(zhì)量的同時(shí)，不影響計(jì)算結(jié)果的精確性所采取的近似設(shè)置。由于顴頜縫與顳顴縫都處于顴骨上，如將顴頜縫切開(kāi)，則顳顴縫無(wú)法建立，故在顴頜縫的相應(yīng)位置選取所屬面網(wǎng)格，在此網(wǎng)格法向生成顴頜縫網(wǎng)格。本實(shí)驗(yàn)中建立的模型并不包括顳下頜關(guān)節(jié)，如果要建立顳顴縫的網(wǎng)格，就必須切除這一部分，否則無(wú)法真正地模擬上頜骨的受力狀態(tài)。得到劃分網(wǎng)格的模型之后，就可以采用簡(jiǎn)化的前方牽引裝置模型對(duì)頜面骨進(jìn)行牽引，并使用該模型分析矯治效果。

[1] Ayoub AF,Stirrups DR.The practicability of finite-element analysis for assessing changes in human craniofacial morphology from cephalographs[J].Arch Oral Biol,1993,38（8）：679-683.

[2] Chang KH,Magdum S,Khera SC,et al.An advanced approach for computer modeling and prototyping of the human tooth[J].Ann Biomed Eng,2003,31（5）：621-631.

[3] 王以玲,寇波,王春玲,等.骨縫精確標(biāo)識(shí)性顱面骨三維有限元模型的建立[J].中華醫(yī)學(xué)實(shí)踐雜志,2006,5（7）：727-729.

WANG Yi-ling,KOU Bo,WANG Chun-ling,et al.The construction of suture marked three-dimensional finite element model of human craniofacial complex[J].Chin J Practice Medicine,2006, 5（7）：727-729.

[4] Verrue V,Dermaut L,Verhegghe B.Three-dimensional finite element modeling of a dog skull for the simulation of initial orthopaedic displacements[J].Eur J Orthod,2001,23（5）：517-527.

[5] 侯敏,柳春明,張海鐘,等.虛擬骨縫在顱面復(fù)合體三維有限元模型中的構(gòu)建及應(yīng)用[J].中華整形外科雜志,2006,22（3）：165-168.

HOU Min,LIU Chun-ming,ZHANG Hai-zhong,et al.Suppositional sutural construction and application in the three-dimensional finite element model of cranio-facial complex[J].Chin J Plast Surg,2006,22（3）：165-168.

[6] 張彤,劉洪臣,王延榮,等.上頜骨復(fù)合體三維有限元模型的建立[J].中華口腔醫(yī)學(xué)雜志,2000,35（5）：374-376.

ZHANG Tong,LIU Hong-chen,WANG Yan-rong,et al.The construction of three-dimensional finite element model of human maxillary complex[J].Chin J Stomatol,2000,35（5）：374-376.

[7] Nanda R.Protraction of maxilla in rhesus monkeys by controlled extraoral forces[J].Am JOrthod,1978,74（2）：121-141.

[8] Brandt HC,Shapiro PA,Kokich VG.Experimental and postexperimental effects of posteriorly directed extraoral traction in adult Macaca fascicularis[J].Am JOrthod,1979,75（3）：301-317.

[9] Nanda R,Goldin B.Biomechanical approaches to the study of alterations of facial morphology[J].Am J Orthod,1980,78（2）：213-226.

[10] Jafari A,Shetty KS,Kumar M.Study of stress distribution and displacement of various craniofacial structures following application of transverse orthopedic forces—a three-dimensional FEM study [J].Angle Orthod,2003,73（1）：12-20.

（本文編輯 胡興戎）

Sutural physical model building in the three-dimensional finite-element model of maxillofacial bones

LIU Chang1，2,ZHU Xian-chun1,ZHANG Xing3,TAI Yin-xia1,YAN Sen1.（1.Dept.of Orthodontics,Stomatological Hospital of Jilin University,Changchun130021,China;2.Dept.of Orthodontics,Changchun Stomatological Hospital, Changchun130000,China;3.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun130033,China）

ObjectiveTo build the physical model of four suturae which are related to the growth of maxilla in the three-dimensional finite-element model of maxillofacial bones.MethodsA 16 years old volunteer with individual normal occlusion,good periodontium health condition and without diseases of temporomandibular joint was chosen to be the material of modeling.The three-dimensional finite-element model of the volunteer’s maxillofacial bones was built using the CT scan and the finite-element modeling method.Finally we built the physical model of four suturae which were related to the growth of maxilla in the model of maxillofacial bones.Results The model of maxillofacial bones with 86 575 nodes and 485 915 elements was generated.This model contained four suturae including sutura frontomaxillaris,sutura zygomaticomaxillaris,sutura temporozygomatica and sutura pterygopalatine.ConclusionA three-dimensional finite-element model of maxillofacial bones with good biological similarity was developed.

biomechanics； maxillofacial bones； three-dimensional finite-elementmodel； physical model of sutura

R 783.5

A

10.3969/j.issn.1000-1182.2011.01.018

1000－1182（2011）01－0075-04

2010-02-12；

2010-05-23

吉林省科技廳基金資助項(xiàng)目（200705348）

劉暢（1984—），女，吉林人，住院醫(yī)師，碩士

朱憲春，Tel：0431-88130677