頜面骨三維有限元模型中骨縫實體模型的建立

劉暢 朱憲春 張星 臺銀霞 閆森

（1.吉林大學口腔醫院 正畸科，長春 130021；2.長春市口腔醫院 正畸科，長春 130000；3.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

頜面骨三維有限元模型中骨縫實體模型的建立

劉暢1，2朱憲春1張星3臺銀霞1閆森1

（1.吉林大學口腔醫院 正畸科，長春 130021；2.長春市口腔醫院 正畸科，長春 130000；3.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

目的 在頜面骨三維有限元模型中建立與上頜骨生長密切相關的4條骨縫實體模型。方法 以1名個別正常牙合、牙周組織健康、無顳下頜關節疾病的16歲女性為建模素材，應用螺旋CT掃描與有限元法相結合的方法，建立頜面骨的三維有限元模型，并在此基礎上建立額頜縫、顴頜縫、顳顴縫、翼腭縫4條與上頜骨生長有關的骨縫實體模型。結果 生成了具有86 575個節點、485 915個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條實體骨縫。結論 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； 頜面骨； 三維有限元模型； 骨縫實體模型

由于上頜骨結構的復雜性，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[1-2]，而骨縫實體模型的建立更是因其定位困難、結構復雜而成為生物力學研究中的瓶頸[3]。本文通過一種新型的技術手段，在頜面骨三維有限元模型中建立4條與上頜骨生長密切相關的骨縫實體模型，為今后的生物力學研究提供模型基礎和科學的建模方法。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

選擇1名16歲女性作為建模素材，要求個別正常牙合，牙周組織健康，無顳下頜關節疾病。

1.2 顱面復合體螺旋CT掃描

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

1.3 頜面骨模型的建立

將CT掃描后得到的DICOM數據通過計算機轉換為BMP格式，并輸入到醫學成像軟件Mimics 10.0，依據CT掃描橫斷圖像建立直角坐標系x、y、z軸（x軸為水平向，y軸為矢狀向，z軸為冠狀向）。取各個斷層的CT圖，畫出輪廓邊界形成其輪廓圖，并且形成閉合的輪廓曲線。根據CT片層間隔0.33mm，把代表每個CT掃描斷面的輪廓圖在空間中按照各自的z坐標移動到空間位置，使用Mimics 10.0的三維建模功能自動建立頜面骨的初步三維模型（圖1）。并且在此基礎上刪除實驗不需要的顱骨部分，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模型導入專業逆向工程軟件GEOMAGIC；對面網格數據進行修整，修復幾何缺失面，梳理牙齒，分離上下頜骨；沿著骨縫在頜面骨上的軌跡，采用布爾運算將頜面骨切開，從而得到本研究進行分析所需的基本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格數據導入ICEM-CFD軟件中，同時在頜面骨模型上建立與額頜縫、顳顴縫、翼腭縫的相應曲面，基于Octree網格技術按模型曲面進行填充網格劃分，形成初步四面體網格；在此基礎上，通過已生成網格在額頜縫、顳顴縫、翼腭縫走向特征的面投影，生成1mm厚的棱柱形網格，由此建立帶有骨縫實體模型的頜面骨三維有限元模型。在顴頜縫的相應位置上選取所屬面網格，在此網格法向生成顴頜縫網格。

2 結果

本研究最終生成了具有86 575個節點、485 915個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條實體骨縫（圖4）。將修復后的STL模型導入ICEM-CFD軟件進行網格劃分，基于最終的幾何結構對材料屬性進行賦值，其彈性模量與泊松比賦值見表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]以發育期犬為建模素材，建立顱面復合體三維有限元模型，并融入上頜骨周圍的骨縫；雖然該研究對骨縫材料屬性的推測并不充分，但是將顱頜面三維有限元的研究向前推進了一步。2006年侯敏等[5]在建立的顱面復合體三維有限元模型上，利用軟件在骨縫區選取部分實體單元虛擬為骨縫結構，建立了具有10條骨縫的9歲上頜發育不全女性患者的顱面復合體三維有限元模型；該模型未包括下頜骨復合體，同時其生物力學參數目前還是未知數，因此誤差較大。張彤等[6]依據顱面部固有的骨縫位置，將整個顱面復合體的三維有限元模型切分成9個部分，采用具有一定分離力的接觸關系來模擬骨縫，分離力的大小相當于骨縫斷裂的強度；但是該研究中前方牽引的結果與臨床的實際效果有差別。這些研究表明：近年來國內外學者對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，對骨縫的建立也有所突破，但未能建立骨縫真正的實體模型。

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構模型，并把通過材料力學方法測量得到的生物力學材料特性賦予此模型，在計算機中建立起虛擬的“實驗標本”，然后對模型進行實驗條件仿真。有限元分析方法具有實驗方法無法比擬的優勢：它可根據需要產生各種各樣的標本，同一個標本在虛擬計算中可進行無數次加載或組合而不會被損壞，標本也可以進行修正以模擬任何病理狀態。但是，模型化的難點在于如何建立有效而準確的模型。本次分析的難點在于如何基于現有CT掃描數據實現結構的三維重現，以達到分離上下頜骨及建立骨縫的目的，從而獲得真實的內部結構。本實驗中，首先應用螺旋CT與Mimics 10.0軟件相結合，初步建立了頜面骨模型，然后在專業逆向工程軟件GEOMAGIC中將骨縫的軌跡在頜面骨模型中切開，最后將面網格數據導入ICEM-CFD軟件中，基于Octree網格技術按骨縫模型曲面生成四面體網格后，生成厚度為1mm的棱柱形網格，由此建立了帶有骨縫的上頜骨實體模型。

額頜縫、顴頜縫、顳顴縫、翼腭縫4條骨縫與上頜骨的生長有密切關系。骨縫三維有限元模型的建立可以更加科學地模擬受力過程。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上頜骨復合體都設為連續、均質、各向同性的線性材料，并沒有建立骨縫網格，這樣在骨縫中的應力就表現為均勻性，一旦對模型進行加載，就會產生較大的誤差。事實上，骨縫在頜面骨中屬于較為薄弱的部位，其性質屬于纖維結締組織，彈性模量遠遠低于骨組織，與牙周膜相似。有研究[7-8]表明：張力及壓力對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行為[9]。本研究參照文獻[10]，將骨縫的彈性模量設為38.6MPa，與牙周膜的彈性模量相近。在此模型基礎上進行加載，能使骨縫中的應力分布更符合實際情況，得到更為理想的生物力學效應，為臨床工作提供更加精確的數據。

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

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（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目（200705348）

劉暢（1984—），女，吉林人，住院醫師，碩士

朱憲春，Tel：0431-88130677