下颌第一磨牙三维有限元模型的建立

[摘 要 ]目的：建立下颌第一磨牙三维有限元模型.方法：通过螺旋cT扫描的方法,利用Mimics、Geomagic Studio7等图像处理软件,HyperMesh网格自动划分软件,通过特定的MSC.MARC有限元软件建立下颌第一磨牙三维有限元模型.结果：准确的建立了牙本质、牙釉质、髓腔、牙槽骨、牙周膜等组织形态的三维有限元模型.结论：本实验建模方法可行性强,方便快捷,具有良好的生物力学与几何力学相似性.为临床口腔医师提供了一种简捷而精确的有限元建模方法.

[关 键 词 ]磨牙；三维有限元；模型

[中图分类号]R783　[文献标识码]A　[文章编号]1008―6455(2007)04―0494―03

近年来随着计算机运算速度和软件编程技术的高速发展,使计算机系统成为分析研究生物力学的有力手段,其中依靠先进计算机技术的有限元分析方法被广泛应用于口腔医学领域.由于图像合成技术的成熟,所以建立在可视化牙齿模型三维重建基础上的三维有限元方法越来越受到学者们的关注.最初,人们是应用各种实验和力学计算方法对口腔内磨牙的应力分布进行研究,但因模型的粗糙、单一以及各组织部位不能紧密结合,所以造成后期分析不全面、不精确.近年来随着计算机技术的不断提高,这些问题得到了解决.本实验研究,采用了先进的Mimics、Geomagic Studio 7等图像处理软件,HyperMesh网格自动划分软件,通过特定的MSC.MARC有限元软件建立了下颌第一磨牙三维有限元模型.

1　材料和方法

1．1　材料：标本的选择：选择牙列完整、咬合关系正常、无牙周疾患及牙槽骨吸收、无后牙牙体缺损及明显磨耗的成年男性志愿者1名,进行下颌第一磨牙三维形态数据测量.

1．2　方法

1．2．1　CT扫描：检测者取仰卧位,微张口,颏部抬高,采用Philip Tomoscan CT扫描机进行扫描,扫描截面尽可能与牙体长轴垂直,约从下颌颏部下缘起始,至磨牙牙冠1mm平面止,扫描间距为0.70mm,共获得40张断层影像.

1．2．2 CT图像处理：将DICOM格式导出的CT影像经挑选共获得22张影像位图,通过Photoshop、以及白编的Matlab程序进行降噪、增加清晰度和对比度的处理,以BMP格式最后保存.

1．2．3 三维有限元模型的建立：应用Mimics软件将处理后的CT扫描图像进一步的调整图像阈值,使牙体不同组织问的对比更加明确,之后形成初步的三维图像.将此图像导入Geomagic Studio7软件中进行模型的细化和精修,并最终形成有限元分析软件可识别的三维实体模型.经过Parten软件建立牙槽骨、牙周膜、牙釉质等组织,应用UG软件建立髓腔并将不同位置轮廓线连接成表面.将各组织形态模型通过HyperMesh软件自动划分出网格,总节点14489个,组成73013个单元(其中釉质2199个,牙本质38011个,牙周膜11350个,牙槽骨19882个,髓腔1571个).模型部分组织的材料参数选自有关文献.再将划分出来的网格模型导入MSC.MARC三维有限元软件进行所需要的应力分析.

1．2．4 实验条件检测设：本实验将模型中材料和组织检测设为连续、均质和各项同性的线弹性材料.

1．2．5 边界条件：牙槽骨近远中面以及底部固定,即各点在X、Y、Z 3个轴的位移等于0,其余面为自由边界.

2　结果

本研究应用了Mimics,Geomagic Studio7图像处理软件,HyperMesh网格自动划分软件与MSC.MARC三维有限元专用软件,将薄层CT横断面图片进行修改识别,建立了直观、完整、具有适合生物力学研究的三维有限元模型.

3　讨论

三维有限元法(Finite element method,FEM)是应力分析与电脑技术相结合的方法,其建立的模型直观、省时、准确,结论明确.1974年该方法被引入口腔医学领域,其优越性非常明显.有限元的基本原理是将连续的结构分割为若干个有限大小的单元,以单元的组合体替代原结构,建立有效的数字模型,进行力学分析.其特点在于被分析的结构可以是任意形状和不同的组成材料等情况.一旦建立了模型,可分析研究各种不同的加载情况,对该模型各组成部分的应力变化情况,比以往其他应力测量方法全面、精确,此方法已被广泛的应用于口腔各个学科中.

以往传统的建立有限元模型的方法――“磨片切片法”,多是采用实物做切片测绘外形及测量根管尺寸的方法.此方法由于过程复杂,几何相似性较差,很难精确地反映牙齿本身的实际情况,且其最大的缺点是建模过程中需要破坏标本.而本实验通过CT图像处理法,采用螺旋CT扫描,其照片准确、安全、无创伤、分辨率高,所得到的断层信息可较清晰地显示牙釉质、牙本质、牙髓腔等结构,不破坏标本的完整性,并且各断层是每间隔0.70mm的连续扫描,使从CT扫描片通过图像的数据化建立的有限元模型更具有可靠性与真实性.

常规的有限元建模,对轮廓的边界坐标要进行测量或读取,采用点、线、面、体的由底向上的建模方法.过程复杂,模型的修改存在一定难度,并且对实验者的计算机专业知识及软件知识要求较高,普通的临床医生应用困难.本实验通过较为成熟、容易操作的Mimics软件实现CT图像与三维模型的转换,在可视化的界面下对模型进行修改,缩短了建模时间,提高了建模的效率和可操作性.通过此方法成功的建立了表面形态和内部组织结构都与真实牙体组织高度一致的下颌第一磨牙有限元模型.

本实验在CT断层扫描图像以及将DICOM格式影像转换为MBP格式与国内大多数研究学者方法相近,但本实验在划分网格的过程中,应用了具有强大的几何输入功能,支持多种格式的复杂装配几何模型读入及多种有限元文件的输入和输出的Hy－perMesh软件,节省了网格划分的时间,提高了模型的计算精确度.最后,分析所应用的MSC.MARC三维有限元软件建立出的有限元模型与实体具有良好的几何相似性与逼真的组织形态结构.并且可以根据不同的研究目的和要求添加各种不同的材料或组织,为今后进一步的研究奠定了基础.