上頜單端游離缺失及可摘義齒支架的三維有限元建模

[摘要]目的：利用三維有限元專用軟件技術，建立精確且能廣泛應用的上頜游離端缺失及整鑄義齒的三維有限元模型。方法：利用DCTP120螺旋CT掃描獲得DICOM 格式數據文件后導入MIMICS10.0軟件，采用閾值分割與手動分割相結合的處理方法，計算得到頜骨、牙列和支架初步幾何模型，并結合CATIA軟件、ANSYS13.0三維有限元專用軟件等技術建立三維有限元模型。結果：成功建立了26，27缺失的包含上頜骨、余留全牙列、牙周膜、黏膜及支架材料的鑄造可摘局部義齒的三維有限元模型。結論：該有限元建模具有省時、便捷、精確、可重復性強及上手容易等特點，為進行口腔修復學領域生物力學的分析研究打下基礎。

[關鍵詞]上頜單端游離缺失；可摘局部義齒；三維有限元模型

[中圖分類號]R783 [文獻標識碼]A [文章編號]1008-6455（2013）01-0176-03

3D finite element modeling of oral soft and hard tissue and RPD in the Maxillary single end free missing

JIA Ru，WANG Jun-tao，LU Yi

（Department of Prosthodontics，School of Stomatology，Xi 'an Jiaotong University，Xi'an 710004，Shaanxi，China）

Abstract： Objective Use three dimensional finite element special software technology to build a more accurate and more extensive application of maxillary distal-extension absence and the whole casting denture of three dimensional finite element model. Methods Use DCTP120 spiral CT scanning to get D ICOM format data documents and then guide them into MIMICS10.0 software.Using threshold segmentation and manual segmentation processing method，calculate an get the preliminary three-dimensional geometric model of the jaw bone，teeth column and support.And then combine with CATIA software， ANSYS13.0 three dimension finite element technology such as special software to construct a three dimensional finite element model. Results The FEM of the casting RPD in which 26，27 are missing was successfully set up，including maxilla，after full dentition， periodontal，mucosa，teeth and support material. Conclusion The finite element modeling has the features of timesaving，convenient，precise，better repeatability and easy to fit in，etc.So it can lay the foundation for biomechanics analysis research in oral prosthetics field.

Key words：maxillary single end free missing；removable partial denture；three-dimensional finite element model

自20世紀60年代以來，隨著計算機技術的進步，有限元分析法（FEM）已逐步發展成為工程中廣泛應用的方法。此外，有限元法也是生物力學研究中最先進，最有效的方法之一，是目前廣泛使用的口腔生物力學研究方法[1]，其研究的基礎是建立準確的數字化模型。它可對復雜幾何形狀物體建模，求得整體和局部的應力和位移值及其分布規律， 并可根據需要改變受載與邊界條件等力學參數，在維持原模型幾何形狀不變的情況下， 可方便地對其應力大小和分布的變化進行對比分析。這種方法高效、精確、低成本， 已成為結構優化設計、材料非線性和幾何非線性分析的一種實用、有效、方便的應力分析方法。由于醫學成像技術種類繁多，優點也各不相同，如何綜合利用各種成像技術，發揮其各自優勢，為醫生提供更加豐富、可靠的圖像信息，以便直觀地利用這些信息指導臨床或進行研究，成為醫學圖像技術的一個重要研究課題[2]。本研究應用薄層CT斷層掃描技術[3]和MIMICS[4]、CATIA醫學逆向工程軟件輔助建模，以探討如何提高FEM模型精確性及提高建模效率。

1 材料和方法

1.1樣本來源：一名健康男性志愿者，其上頜左側牙列游離缺失，余牙完整，無任何顱面組織缺損。同時在模型上制作26、27缺失的支架式可摘局部義齒[5]。

1.2 硬件：DCTP120螺旋CT掃描儀；PC計算機CPU：3.6；內存：8G。軟件：MIMICS（Materialise公司，比利時）；CATIA（達索公司，法國）；Ansys Workbench 13.0（Ansys公司，美國）。

1.3方法：掃描佩戴義齒的志愿者獲得其CT圖像，利用Mimics軟件讀取斷層影像數據進行組織特征的識別和分離，在Catia軟件中進行點云文件的生成和優化，逆向工程完成組織模型、支架模型的構建[6]。

1.4有限元模型建立步驟

1.4.1 CT掃描[7]：CT掃描上頜骨：測試對象取端坐開口位，眶耳平面與水平面平行，頭部固定。掃描條件90.0Kvp，7.0mA，層厚0.4mm，床進速度1mm/s。掃描時，掃描標志線與眶耳平面垂直，由髁狀突頂端至頦部下緣進行橫斷面掃描。支架掃描條件同上，存儲格式為dicom（如圖1～2）

1.4.2 CT圖像處理：將CT掃描所獲得DICOM 格式數據文件導入Mimics10.0 軟件[8]。通過蒙版（Mask）操作， 根據骨組織、牙體組織、牙周膜、粘膜組織及金屬支架材料的灰度值（gray value）的差異，使用閾值化操作“Threshokl”命令選擇適當的閾值，初步提取頜骨、牙列及支架的輪廓[9]（如圖3），應用“Cakulate 3D”命令對上頜骨、牙列及支架進行運算得到三維圖像[10]。將模型以“point clound”方式輸出，輸出格式為“stl”，保存在mimics目錄下。重建后的三維圖像（如圖4～5）可被Ansys13.0軟件識別， 最終在Ansys軟件中完成有限元模型的建立[11]。

1.4.3 組織分離與點云生成：由于牙頜系統的復雜性和CT掃描儀的精確度問題，一些局部細節特征（如咬合面的凹凸及CT影像缺損等）可以通過Mimics軟件進行刻畫。CT掃描不能獲得人工牙和基托的影像數據，在建模過程中人工牙由真實牙代替，在計算時材料參數采用人工牙情況。最終計算獲得3D模型（如圖6）。

2 結果

在這項研究中，以現有的有限元基礎，利用Mimics、Catia等軟件，建立了包括可摘局部義齒支架的上頜單側游離缺失有限元模型，該模型具有良好的幾何和生物相似性，為口頜系統的三維有限元建模提出了一種更高效、準確的方法，是牙頜系統建模的趨勢。

3 討論

本研究利用薄層CT及MIMICS醫學逆向工程軟件建立包含上頜骨、全牙列及義齒支架的三維FEM模型，該模型具有以下的特點。

3.1 模型精度的提高：利用薄層CT（厚度0.4mm，無間隔）可以顯著減少以往CT斷層影像出現的偽影，精確定位松質骨和密質骨，從而獲得更準確的CT斷層影像；通過擴大掃描范圍獲得邊界數據使誤差明顯減少。利用在mimics中直接提取組織輪廓，避免處理過程中摻雜人為因素和對圖像的多次處理：同時mimics軟件中的繪圖功能，在讀取邊界數據時可以繪制輪廓曲線，避免數據誤讀和缺失。本研究中利用組織結構在CT成像中的灰度值的差異區分各組織的區域輪廓，例如口頜系統各種組織在CT成像中灰度值差異很大，且各個組織均有一定灰度值范圍，確定灰度值后就能獲取該組織的影像輪廓并可以直接計算3D模型，從而能清晰的顯示組織各部分的形態和位置[12-14]。相較于之前的FEM研究模型幾何形態更逼真，更有利于在加載條件下觀察和分析牙周支持組織的受力分布。

3.2 建模速度的提高：建模速度體現在以下方面：mimics能夠識別dicom格式圖片的灰度圖，并可以將識別的數據直接轉換為Ansys三維軟件可識別的格式，避免發生在以往研究中二維圖像處理軟件時外形輪廓的重新定位和多次處理等問題。Mimics識別圖像過程中，可以設置圖像識別范圍、識別間距、層距等參數，一次識別即可完成所有圖像，避免以往手工錄入數據和修改，極大程度縮減建模步驟，提高建模效率；且該軟件在圖像處理這方面操作簡單，操作1～2次后就可獨立進行數據錄入讀取，大大提高了口腔醫師在建模過程中的參與性。

3.3擴大模型的開放性：針對建模的開放性，在建模過程中，分別識別頜骨、牙齒、粘膜、牙周膜及義齒各個部件，建立不同的三維模塊，使得模型具有更廣闊的應用前景。利用不同的模塊可建立口腔修復中不同缺牙的分析模型（通過增減牙齒，調整缺牙區牙槽嵴的高度和厚度，不同松動度基牙等），可以添加不同的修復部件（卡環，基托，種植體等），便于今后各種不同義齒的生物力學研究。

3.4模型的生物相似性：在以往的牙頜組織FEM研究中，較多采用CT圖像后，二維圖像軟件進行各個斷面中關鍵點的描繪，然后把這些關鍵點面與面之間，層與層之間進行連接獲得三維結構，這樣一來摻雜過多認為因素，再者這樣獲得的三維模型形態上與實際結構相似度差，連續性差，一些關鍵結構容易缺失。本研究綜合前人研究方法，利用mimics醫學逆向工程軟件，真實再現頜骨、牙列及支架的關系，同時利用該軟件模擬粘膜和牙周膜的厚度，提高模型的生物相似性。

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