構建不同矢量骨吸收的牙周炎下頜骨3D數字解剖學模型

葉章艷，柳歡，葉鵬程，吳立軍，丁熙

1.溫州醫科大學附屬平陽醫院 口腔科，浙江 溫州 325400；2.溫州醫科大學 數字化醫學研究所，浙江 溫州 325035；3.溫州醫科大學附屬第一醫院 口腔科，浙江 溫州 325015

第三次全國口腔健康流行病學的調查顯示，35～44歲年齡組的牙周健康率約為14.2%，65～77歲年齡組的牙周健康率約為13.6%[1]，牙周炎已成為我國發病率極高的口腔疾病。但礙于醫學倫理學的限制，直接測量牙周炎患者口內的生物力學特征十分困難，且缺乏有效的科學依據，故根據國人的特點建立高精度完整的下頜骨解剖模型是體外數字醫學研究下頜生物力學分析的前提。牙作為咀嚼受力的第一載體，包含牙釉質、牙本質等不同解剖結構，如不建立完整精確的全牙列解剖模型而直接在下頜骨上加載，力集中明顯，與臨床實踐有較大差異[2-3]。牙周炎與非牙周炎患者的主要區別在于牙周附著喪失及牙槽骨吸收[4]。針對不同程度牙周炎患者引起的應力分布變化，需要建立個體化牙周炎樣本模型來進行生物力學分析。故本研究建立體外以牙槽骨矢量吸收程度為標準的含完整解剖結構的全牙列牙周健康模型及輕、中、重度牙周炎患者下頜骨3D數字解剖學模型。

1 對象和方法

1.1 對象 選取1例健康成人男性志愿者，23歲，牙 列完整，經X線檢查排除頜骨疾患。經查體該名志愿者身高169 cm，體質量65 kg，BMI為22.76 kg/m2， 口內牙列完整，無明顯牙體組織缺損，無修復牙冠，牙周情況良好，無明顯牙槽骨吸收。

1.2 軟硬件條件 荷蘭飛利浦公司16排螺旋CT機進行斷層掃描；醫學三維圖像重建軟件對CT斷層掃描的切片圖像數據集合形成三維圖像；Materialise Mimics10.0軟件進行模型切分，根據重建的下頜骨模型，使用直觀的輪廓編輯功能對3D模型進行細微調整，劃分出不同的解剖結構；逆向工程Geomagic Studio12.0軟件和有限元前處理HyperMesh 11.0軟件對數字化模型進行優化、分割、網格優化。

1.3 CT數字模型的建立 采用CT掃描志愿者下頜骨，以眶耳平面為參照平面，層厚間距0.5 mm，螺距0.875 mm，掃描范圍從下頜骨下緣至髁突，共82層截面斷層。從CT數據獲取掃描圖像數據以DICOM格式直接儲存，導入醫學三維圖像重建軟件 Materialise Mimics10.0，調整對比度，去除軟組織陰影，根據骨骼閾值劃分，軟件自動生成骨組織表面輪廓，依據牙根根管及髓腔形態，逆向模擬充填其內的牙髓解剖輪廓，在牙齒牙根與下頜骨之間的缺隙充填0.2 mm的牙周膜結構，結合軟件各種工具及臨床解剖學特征，手動描繪各部結構的輪廓曲線，重建生成下頜骨（包括分離皮質骨和松質骨、牙釉質、牙本質、牙骨質、牙周膜、牙髓、顳下頜關節髁狀突等結構），以STL格式保存。

1.4 完整下頜骨數字解剖學模型的建立 將Materialise Mimics10.0軟件生成的下頜骨結構以STL格式導入到逆向工程軟件Geomagic Studio12.0軟件，利用多邊形編輯工具，對各獨立的牙體組織結構和下頜骨（皮質骨和松質骨）進行優化調整。包括控制三角片的角度，使其大致符合等邊三角形，根據模型的大小調整三角形邊長，以此為基礎形成高質量的四面體網格結構，促使網格單元形狀規則、疏密可控，極大提高了幾何相似性和力學相似性，建立完整的下頜骨有限元前處理模型。

1.5 牙周炎模型的建立 慢性牙周炎骨吸收的程度一般按吸收區占牙根長度的比例來描述，分為三度。輕度：牙槽骨吸收在牙根的頸1/3以內；中度：牙槽骨吸收超過根長的1/3，但在根長的2/3以內，或者吸收達根長的1/2；重度：炎癥較明顯或發生牙周膿腫。牙周袋＞6 mm，X線片顯示牙槽骨吸收占根長的2/3以上[5]。為統一樣本模型中每個牙位的骨吸收情況，以不同程度牙周炎骨吸收的臨界值為標準劃分，修整模型。將下頜骨三維幾何模型導入Geomagic Studio12.0軟件，用測得的牙根總長度減去釉牙骨質界至牙槽嵴頂的距離，得出每顆牙的牙槽骨內牙根長度，降低牙槽骨高度至牙根骨內段長度的0、1/3、1/2、2/3，修整邊緣使其光滑連續，建立四個模型模擬健康牙周及輕、中、重度牙周炎的下頜骨模型，模擬骨吸收牙周治療后穩定狀態。

1.6 實驗預設條件 實際情況下牙周炎的牙槽骨吸收情況是十分復雜的，牙周袋的每個面吸收情況不盡相同，此種建模方式與臨床情況存在偏差，但目前要研究的是整體牙列的情況，該方法所建立的模型牙槽骨表面情況規則均勻，方便分析計算。所有解剖結構為均質、各向同性的線彈性材料[6]，解剖結構的材料力學參數見表1[7-8]。

表1 下頜骨各解剖結構材料的力學參數

2 結果

2.1 含完善解剖結構牙列的下頜骨3D數字解剖學模型的建立 構建了包含皮質骨、松質骨、牙釉質、牙本質、牙骨質、牙周膜、牙髓、顳下頜關節髁狀突等結構的下頜骨3D數字解剖學模型和牙體各解剖結構模型，還原牙齒面形態和根管走向，見圖1；下頜骨數字模型正、側位面見圖2。下頜骨模型節點總數55 034個，面單元總數108 273個。

圖1 Ansa 16.0軟件示牙體幾何模型

2.2 不同矢量骨吸收的牙周炎下頜骨3D數字解剖學模型的建立 構建輕度牙周炎、中度牙周炎、重度牙周炎的下頜骨3D數字解剖學模型。牙槽骨吸收水平分別降至根長的1/3、1/2、2/3骨水平，所有解剖結構相接觸的部位均做共節點連接，見圖3-4。有限元前處理模型中三角片大致符合等邊三角形，在網格劃分上，其稀疏分布能夠與受力情況一致，即應力梯度大及各不同質相銜接的部位采用相對較密的網格分布；而應力梯度小，結構單一均質的部位采用相對稀疏的網格分布，四面體網格層層優化，網格單元形狀規則、疏密可控，見圖5-7。各下頜骨模型面單元數和節點數見表2。

3 討論

3.1 下頜骨3D數字解剖學模型的建立 牙作為下頜骨受力的載體，在咀嚼過程中以及外傷受力中承受著不同的應力加載及創傷。下頜骨的建模方法多樣，包含磨片、切片法、三維測量法、CT圖像處理法和DICOM數據直接建模法等。目前下頜骨建模的普遍研究現狀是利用CT影像結合計算機數字化處理及三維重建技術來復原下頜骨實體模型。本研究采用口腔CBCT掃描結合DICOM醫學數字圖像通訊標準和Mimics軟件輔助建模，將下頜骨的三維影像資料轉換成醫學數據，結合臨床醫師對其解剖形態的掌握，在計算機軟件上描繪生成3D數字解剖學模型，并利用有限元前處理軟件，手動精細調整四面體網格結構，保證四面體網格質量，從而建立了更為精確的下頜骨三維有限元前處理模型。以往下頜骨有限元模型的構建和有限元生物力學分析研究[7，9-10]，利用簡化的骨塊模型、牙體均質一體化的下頜骨模型、牙冠牙根簡化的牙體模型等，容易使應力的分散與臨床實際情況不符。本研究完善了下頜骨的完整牙列，對于牙體組織的解剖結構均作出了細化建模，賦予每個解剖結構生物力學參數，形成了具有完善牙體形態，牙根個性化的數字解剖學模型。賦予更高幾何相似度的含全牙列下頜骨三維有限元前處理模型，其生物力學分析更貼近臨床的真實效果[11]。

圖2 Geomagic Studio12.0軟件示下頜骨三維幾何模型

圖3 Geomagic Studio12.0軟件示牙周炎的下頜骨模型

圖4 Geomagic Studio12.0軟件示牙周炎的牙體及牙周膜模型

圖5 Geomagic Studio12.0軟件示輕度牙周炎下頜骨模型

圖6 Geomagic Studio12.0軟件示中度牙周炎下頜骨模型

圖7 Geomagic Studio12.0軟件示重度牙周炎下頜骨模型

3.2 牙周炎分型的下頜骨3D數字解剖學模型的建立 牙周病是牙周致病菌引起的牙周組織的免疫炎癥性疾病，慢性牙周炎是最常見的牙周病類型。牙周炎臨床研究中，牙周炎的病變程度需要考慮牙周附著喪失程度、探診深度、出血指數、牙齒松動度等[12]。既往牙周炎的免疫反應研究，利用動物實驗建立小鼠牙周炎模型[13]。而醫學生物力學研究主要從骨水平與機械性能相結合，研究樣本的彈性模量、應力與應變、骨強度、動靜力平衡等概念。本實驗利用醫學影像結合數字化醫學軟件，根據牙槽骨不同矢量骨吸收水平，構建以牙槽骨高度吸收程度為標準的牙周健康模型、輕度牙周炎、中度牙周炎和重度牙周炎患者下頜骨3D數字解剖學模型。牙周炎患者的牙槽骨吸收情況是十分復雜的，牙周袋的每個面吸收情況不盡相同，且咬合力來源的咀嚼肌和咬合接觸部位都具有較大差異，目前尚無法構建完美的精準下頜骨模型，適用于大眾[14]。牙周炎已經普遍成為中老年牙缺失的首大原因，而種植牙修復是目前首選的修復方式。種植修復應用于牙周炎患者的療效及生物力學分析是目前國內外的研究熱點。有學者[15]通過典型病例取材，建立缺牙區下頜骨牙槽嵴萎縮有限元模型，進行種植修復冠的生物力學分析。ROCCUZZO等[16]對部分無牙頜患者分為三組（無牙周炎、中度牙周炎和重度牙周炎）進行種植術后10年前瞻性研究，但礙于醫學倫理學的限制以及臨床口腔檢查有較多影響因素可能對結果造成誤差。本研究建立牙周炎下頜骨數字解剖學模型可以為下頜骨的骨手術、缺牙的修復、牙在骨內的移動等提供生物力學研究基礎。

表2 各下頜骨模型面單元數和節點數

3.3 本研究的應用前景 計算機醫學圖像技術以及醫學技術的高速發展，促進了口腔醫學領域頜骨三維數字化實體模型的建立，國內外學者許多研究均與頜骨三維實體模型緊密相關。下頜骨囊性病變的生物力學分析[17]，對于下頜骨不同矢量骨吸收種植牙修復的骨界面分析及下頜種植修復優化設計[18]， 下頜骨骨折切復內固定術[19]以及口腔模擬教學等各方面都需要下頜骨三維數字化實體模型的支持。隨著牽張成骨技術在牙槽嵴增高中的廣泛應用，其術前設計也愈來愈多地依賴于生物力學分析。利用本研究構建的結構完整、精確度高、幾何相似性高的牙周炎下頜骨有限元前處理模型，通過模擬不同頜骨疾病，添加或替換單元，適當調整模型，可以為后續的不同臨床載荷以及有限元應力分析提供操作平臺和實驗基礎，并為臨床上不同程度牙周炎患者的口腔疾病提供體外生物力學建模，為臨床實踐操作提供生物力學參考。