三維重建在口腔生物力學中的應用

宋紅芳 吳寶平 趙麗穎 王輝 劉志成

摘 要：生物力學在口腔修復、正畸、種植等領域有著廣泛的實際應用，因此實用性強的知識點必須融入教學中。本文介紹了三維重建在口腔生物力學中的應用，通過實例展示體現了它在口腔科強的實用性特點。

關鍵詞：三維重建；生物力學；口腔醫學

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2018.07.008

文章編號：1006-1959（2018）07-0024-02

Application of 3D Reconstruction in Oral Biomechanics

SONG Hong-fang1，WU Bao-ping1，ZHAO Li-ying2，WANG Hui1，LIU Zhi-cheng1

（1.College of Biomedical Engineering，Capital Medical University，Beijing 100069，China；

2.Beijing Stomatology Hospital，Capital Medical University，Beijing 100050，China）

Abstract：Biomechanics has a wide range of practical applications in the field of dental repair，orthodontics，implant and so on，so the practical knowledge must be integrated into the teaching.This article describes the application of three-dimensional reconstruction in oral biomechanics and demonstrates its practicability in the dental department through practical examples.

Key words：Three-dimensional reconstruction；Biomechanics；Stomatology

生物力學是力學與醫學、生物學相結合形成的一門交叉學科，研究人和動物身體各個部分的運動狀態，各種組織控制器官的力學功能等[1，2]。在口腔專業中存在大量的生物力學問題，尤其是近些年來基礎和臨床研究的緊密結合，使得臨床大夫開展一些科學研究要用到生物力學的基本知識，如果沒有一個基本的了解將很難深入進去，甚至找不到方向。因此，對于長學制的口腔醫學專業學生來說，在基礎教育階段，短學時的接觸生物力學課程，掌握了解一些課程中實用性強的知識就顯得很重要。三維重建就是必修的一個內容，口腔組織結構復雜，外形不規整，想要通過常規的繪圖手段得到它的幾何形狀不容易，不知道幾何尺寸，且一般不符合常規形狀。而醫學影像可以獲得它的全部掃描信息，但是如何從獲得的平面信息中提取出三維結構信息，借助于圖像處理三維重建的方法就可以實現這個目標。

1 三維重建簡介

三維重建是指對三維結構的物體通過一定的方式建立適合計算機表示和處理的數學模型，是在計算機環境下對其進行處理、操作和分析其性質的基礎，也是在計算機中建立表達客觀世界的虛擬現實的關鍵技術。

在圖像處理方面有很多的算法使得圖像處理更加清晰，研究算法也是圖像重建的一個工作。但對于醫學上獲得的圖像資料，如CT、MRI等資料我們現在可以借助于專門的圖像處理軟件進行處理，獲得其外觀結構，常用的通用軟件有MIMICS，SIMPLEWARE，基于一定算法的基礎上通過圖像上像素和灰度的不同，提取相應感興趣的部分將其重建出來。我們以MIMICS軟件為例，展示三維重建的使用，一般步驟是：①對二維圖像根據閾值進行分割，提取感興趣的有用信息；②對得到的新圖像進行三維重建，并顯示；③對得到的三維模型進行優化處理，并以一定的文件格式輸出。圖1為MIMICS處理界面。

根據組織的不同可以選用不同影像資料，如提取密度比較高的硬組織骨頭、牙齒，可以用CT，提取軟組織則用MRI，組織與組織間界限要分明是三維重建的關鍵。

2 三維重建在口腔醫學中的應用

2.1解剖結構的深度認識 無論是修復、正畸、還是種植，首先要了解患者的口腔形態，了解被處理對象及其周圍的環境。我們可以通過對影像資料的重建，剖分了解其解剖形態，如圖2所示，展示了頭部和下頜的情況。

2.2進行裝置個性化的設計 根據臨床患者的真實口腔狀態，我們可以提供個性化的治療，進行個性化的修復設計。首先獲得患者的口腔影像資料，重建其口腔解剖形態，基于此解剖形態設計修復裝置。圖3為只剩下兩個牙根的患者，依據圖像我們可以設計帶有球帽附著體的基托模型，見圖4。

2.3進行力學分析 有限元法作為一種數值模擬方法，起源于工程領域，但已廣泛的滲透到了醫學研究領域，研究口腔中各種力學現象。在口腔的種植、修復、正畸等領域均有很多研究，而前提是要有口腔組織的結構模型，一般很難通過繪圖工具得到，三維重建正好可以解決復雜結構的有限元前處理部分工作。圖5為義齒修復的力學分析，圖6為種植體的有限元網格。

2.4快速成型前的模型處理 3D打印和快速成型技術飛速發展，使得很多模型制造成為可能，尤其是不規則和復雜的結構，通過三維重建構造其外形結構，提供給快速成型機即可打造其幾何模型，見圖7。

3 總結

隨著三維重建技術的發展以及圖像質量的提高，口腔醫學專業研究的需求，加之不斷出現的一些新知識、新技術，依托醫學圖像的三維重建技術在口腔中會得到廣泛的應用[3]。我們不但可以重建所需的幾何結構外形，進行力學的分析，設計義齒模型、基托模型、正畸裝置等，同時也可以在模擬手術、裝配義齒、基托、種植、測量等方面開展更多的工作。

基于三維重建在口腔醫學專業可以開展很多的工作，因此在基本理論掌握的前提下，讓學生自己動手進行模型的重建操作會加深對三維重建的理解，在今后的教學中學生的興趣會更高，和其專業緊密相連更加實用。

參考文獻：

[1]劉志成，宋紅芳.生物力學基礎[M].北京：首都醫科大學出版，2005.

[2]周昌玉.有限元分析的基本方法及工程應用[M].北京：化學工業出版社：2006.

[3]于海洋.口腔生物力學[M].北京：人民衛生出版社，2012.

收稿日期：2017-10-20；修回日期：2017-10-24

編輯/成森