牙頜三維有限元建模方法的研究進(jìn)展

1、牙頜三維有限元建模方法的研究進(jìn)展口腔頜面修復(fù)學(xué)雜志年月第”卷第期綜述牙頜三維有限元建模方法的研究進(jìn)展宰孫力李鴻波儲(chǔ)冰峰【摘要】口腔生物力學(xué)的研究方法多種多樣，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，三維有限元分析的優(yōu)越性越來越突出，建立牙頜組織有限元模型是口腔生物力學(xué)研究的基礎(chǔ)，本文將回顧相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)牙頜組織有限元建模研究進(jìn)展作一綜述。關(guān)鍵詞：牙頜；三維有限元應(yīng)力分析中國圖書分類號(hào)】【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】【文章編號(hào)】（）有限元分析法是依托高速電子計(jì)算機(jī)而發(fā)展起來的一種理論力學(xué)方法。年，和幾乎同時(shí)將其應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、三維影像技術(shù)的發(fā)展，三維有限元法已經(jīng)成為口腔生物力學(xué)研究領(lǐng)域中一種有效的分析工具，建立

2、牙頜三維有限元模型是研究口腔生物力學(xué)的基礎(chǔ)。建立牙頜三維有限元模型的方法根據(jù)采用模型的種類通常分為活體和標(biāo)本模型兩大類活體模型根據(jù)研究目的的不同有志愿者（正常牙列）【】、青少年錯(cuò)駘畸形患者【】牙體、牙列缺失及頜骨缺損患者等。標(biāo)本模型主要有三種：尸體標(biāo)本、頜骨標(biāo)本包埋、應(yīng)用軟件制作成牙齒的三維立體幾何模型。根據(jù)獲得數(shù)字模型的方法可分為：（）切片、磨片法年，由美國國立醫(yī)學(xué)圖書館發(fā)起，首次開展數(shù)字化虛擬人技術(shù)，我國于年開展了數(shù)字化虛擬人技術(shù)。以人體連續(xù)斷面構(gòu)建成數(shù)據(jù)集，可以逼真的建立人體骨骼、肌基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：）軍隊(duì)十一五課題（項(xiàng)目編號(hào)：）孫力解放軍總醫(yī)院老年口腔病科碩士生北京

3、李鴻波解放軍總醫(yī)院老年口腔病科副主任醫(yī)師北京儲(chǔ)冰峰通訊作者解放軍總醫(yī)院老年口腔病科主任醫(yī)師教授北京肉、血管等器官組織的數(shù)字化模型，為醫(yī)學(xué)教育和醫(yī)學(xué)臨床的應(yīng)用提供必需的框架。應(yīng)用有限元賦予模型生物力學(xué)材料特征，使其具有一定的運(yùn)動(dòng)和力學(xué)反應(yīng)。直接對(duì)標(biāo)本進(jìn)行切片、磨片逐層測(cè)繪斷層圖像的外形坐標(biāo)，這些方法屬破壞性建模方法，出錯(cuò)率高，誤差來源多。很難表達(dá)比較復(fù)雜細(xì)微的結(jié)構(gòu)，二維模型的建立過程復(fù)雜，主觀性大，耗費(fèi)大量人力。（）掃描對(duì)模型進(jìn)行掃描獲得原始二維圖像并錄入到計(jì)算機(jī)內(nèi)，用圖形處理軟件（如等）進(jìn)行輪廓提取，將獲取的數(shù)據(jù)輸入三維有限元軟件中，最終建立三維有限元模型【一，其分辨率為毫米級(jí)或亞毫米級(jí)。該方

4、法具有以下優(yōu)點(diǎn)阻：掃描無創(chuàng)傷和破壞性，可用于活體的建模，斷層影像獲得的二維或三維信息全面、準(zhǔn)確，并能顯示較細(xì)致復(fù)雜的結(jié)構(gòu)；每一斷層的二維信息定位準(zhǔn)確，且空間位置依次排列，原始數(shù)據(jù)和圖像可重復(fù)使用。同時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況模擬牙列、牙周情況的多樣性，此方法定位準(zhǔn)確，精度、分辨率高，是目前牙頜三維有限元建模應(yīng)用最廣泛的方法。將技術(shù)和有限元方法有機(jī)地結(jié)合起來，應(yīng)用于牙頜三維模型的重建，重現(xiàn)的牙頜形態(tài)、結(jié)構(gòu)相似性好，可適應(yīng)口腔組織結(jié)構(gòu)的要求。等【使用螺旋建立正常頜骨及關(guān)節(jié)盤的的三維有限元模型，為其生物力學(xué)的研究提供數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)。吳琴艷應(yīng)用螺旋對(duì)人無牙萬方數(shù)據(jù)駘下頜骨連續(xù)容積掃描，利用軟件對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行三維

5、重建，獲得的三維圖像可以被任意角度旋轉(zhuǎn)、任選層面切割觀察和測(cè)量；獲得了下頜骨及下頜管細(xì)致逼真的三維影像。該方法的缺點(diǎn)是：由于物體的三維圖形是由水平面上的二維圖像疊加而成，所以導(dǎo)致層平面上的分辨率優(yōu)于層與層間的分辨率，層厚和像素成為影響測(cè)量精度的主要問題，而且設(shè)備體積龐大，掃描時(shí)間長，皮膚投照劑量大。建模雖然使用了掃描產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，但是并未真正深入到數(shù)據(jù)的本質(zhì)。有學(xué)者研究開發(fā)了基于醫(yī)學(xué)圖像通訊標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)格式的圖像處理軟件，此類軟件不僅可以直接讀取機(jī)輸出的數(shù)據(jù)文件，存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，而且還可以改善圖像質(zhì)量，采用高斯濾波處理圖像以減少噪聲，同時(shí)又采用梯度算子檢測(cè)邊緣。近年來利用三維影像重建技術(shù)和三維有限元

6、分析技術(shù)，以積零為整的思想為指導(dǎo)，建立了模塊化、共享型的牙列三維有限元模型，以期對(duì)口腔醫(yī)學(xué)提供一套重復(fù)利用率高、應(yīng)用范圍廣的有限元模型庫。它是經(jīng)完善修改的實(shí)體模型為基礎(chǔ)進(jìn)行的，通過三維影像重建技術(shù)直接建模。采用此模型可在使用有限元方法時(shí)，盡可能避免繁瑣的建模過程，使研究者可以把大量時(shí)間更多地投入模型的力學(xué)分析方面。（）核磁共振圖像利用可以對(duì)顳下頜關(guān)節(jié)區(qū)建模。尤其對(duì)關(guān)節(jié)盤、關(guān)節(jié)韌帶等軟組織的影像顯示的較更加準(zhǔn)確和清晰。等】首次利用技術(shù)模擬了小開口狀態(tài)下的關(guān)節(jié)區(qū)模型，但模型中忽略下頜骨和髁狀突軟骨的存在，為更高要求的力學(xué)分析研究造成了極大不便。（）掃描的原理和相同，它可以采集空間距離很近的平行斷面

7、圖像，對(duì)樣本進(jìn)行單個(gè)或者用數(shù)字方式對(duì)堆積的斷面進(jìn)行分析以及體積結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，灰度等級(jí)可達(dá)。等剮使用掃描建立第二前磨牙的三維有限元模型，進(jìn)行對(duì)比應(yīng)力分析，證實(shí)了使用建模的準(zhǔn)確性。王疆等【用對(duì)人完整上頷第一前磨牙掃描，將獲得的影像通過軟件進(jìn)行擬合，初步獲得三維模型。再將模型導(dǎo)入軟件中進(jìn)行精修和細(xì)化，形成口腔頜面修復(fù)學(xué)雜志年月第”卷第期有限元分析軟件可識(shí)別的三維實(shí)體模型，最后將牙體組織的三維實(shí)體模型在軟件中進(jìn)行布爾運(yùn)算，區(qū)分出釉質(zhì)、牙本質(zhì)及髓腔系統(tǒng)，并分別進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，建立人上頜第一前磨牙牙冠的精細(xì)三維有限元模型。采用了同步加速器結(jié)構(gòu)中的專用束線技術(shù)，使分辨率達(dá)到微米級(jí)線探測(cè)器非常小，對(duì)象面積小，分

8、辨率精度達(dá)到山，圖像偽影問題大為改善。但敏感度需要進(jìn)行配套的線探測(cè)器的設(shè)計(jì)，被掃描物體大小受到放置平臺(tái)（一般可以為）及厚度限制。（）三維激光掃描三維激光掃描是利用三角法測(cè)量原理，通過獲取激光在模型表面的反射光而獲得模型的表面數(shù)據(jù)。三維激光掃描儀可以自動(dòng)將不同角度的掃描點(diǎn)數(shù)據(jù)作出精確的定位。高速度及高精度地取得點(diǎn)資料，計(jì)算出整體對(duì)象的綜合精度可達(dá)到以內(nèi)，能夠旋轉(zhuǎn)，一次定位就可以量取全部的點(diǎn)。由于牙體不同部位具有不同的應(yīng)力參數(shù)，此方法可在建立起來的模型中對(duì)任意牙齒的數(shù)據(jù)進(jìn)行分離，模擬該牙齒的傾斜、缺失、移位、旋轉(zhuǎn)和生成相應(yīng)牙體不同部位的模型等。國內(nèi)外學(xué)者將三維激光掃描儀應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)和臨床研究中，建立

9、治療前后的三維有限元模，】。三維激光掃描本身也存在著一些缺點(diǎn)：掃描產(chǎn)生的信息量很大，對(duì)計(jì)算機(jī)等硬件的要求高；掃描只能獲得模型表面數(shù)據(jù)，對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息不了解；在模型倒凹和傾斜度大的部位出現(xiàn)掃描盲區(qū)，需后期處理。牙頜三維有限元建模方法的發(fā)展趨勢(shì)建模精度由于牙頜形態(tài)復(fù)雜，給建模工作帶來較大難度，在建模時(shí)會(huì)作一定的簡(jiǎn)化處理。但簡(jiǎn)化過程同時(shí)意味著部分信息的喪失，可能對(duì)整個(gè)模型的幾何和力學(xué)相似性造成影響。因此，提高數(shù)據(jù)的精度一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的目標(biāo)。目前各種高精度的采樣方法，如三維激光掃描、掃描、數(shù)據(jù)采集方法、軟件的逐步應(yīng)用和改進(jìn)，為更精確的牙頜三維有限元模型建立注入了新活力。但是目前尚未見到采用不同

10、建模方法所建立的有限元模型精度的比較研究。建模速度常規(guī)建模過程中，首先生成萬方數(shù)據(jù)口腔頜面修復(fù)學(xué)雜志年月第卷第期模型再轉(zhuǎn)到有限元分析軟件中，劃分網(wǎng)格，最終生成有限元模型。整個(gè)步驟環(huán)節(jié)多、手工修改數(shù)據(jù)多、成本高、周期長、投入人力物力大。為提高建模的整體速度，國內(nèi)外學(xué)者嘗試直接利用數(shù)據(jù)建模，縮短了建模的時(shí)間，另外設(shè)計(jì)開發(fā)多種建模常用的子程序應(yīng)用于建模過程中，可使一些重復(fù)性、機(jī)械性較高的工作效率大大提高。材料性質(zhì)的鍘定與生物仿真化與人體其它部位相比，牙頜系統(tǒng)的生物力學(xué)性質(zhì)更為復(fù)雜多樣，牙、頜骨、軟骨、關(guān)節(jié)盤等軟硬組織的力學(xué)性質(zhì)相差甚遠(yuǎn)，而且至今沒有統(tǒng)一的定論。這就對(duì)計(jì)算機(jī)提出了更高的計(jì)算和制圖能力要

11、求。迄今為止，大多口腔領(lǐng)域有限元模擬都基于材料線彈性假設(shè)，其物理相似性有待進(jìn)一步提高，這些組織的力學(xué)性質(zhì)對(duì)有限元分析模型的分析結(jié)果都會(huì)產(chǎn)生重要影響，特別是建立具有非線性、各向異性等生物力學(xué)特性的三維有限元模型，完成靜態(tài)到動(dòng)態(tài)的轉(zhuǎn)變，真正向生物仿真方向發(fā)展，最終真正達(dá)到為臨床工作服務(wù)的目標(biāo)。模型的個(gè)性化、智能化建立的有限元模型要盡可能的反映患者的實(shí)際情況，尤其是對(duì)于牙體、牙列以及頜骨缺損情況復(fù)雜的患者，要進(jìn)行個(gè)性化建模。而且建立的模型具有較好的智能性和可編輯性。對(duì)模型參數(shù)化設(shè)置或進(jìn)行較小的變動(dòng)就能模擬臨床實(shí)例，從而獲得相應(yīng)的分析結(jié)果。如下頜骨建模中牙齒的獨(dú)立建模，增加或減少基牙，建立適用于修復(fù)學(xué)

12、不同缺牙類型的模型；添加種植體，選擇種植體的位置和方向，建立適用于種植修復(fù)設(shè)計(jì)的模型等等，為選擇修復(fù)設(shè)計(jì)、分析修復(fù)治療效果提供指導(dǎo)。參考文獻(xiàn)【】沈毅，孫堅(jiān)。李軍，等正常人上頜骨的生物力學(xué)分析【】組織與工程與重建外科雜志，（）：【】張君王旭霞，等埋伏牙牙周應(yīng)力分布的三維有限元分析【】華西口腔醫(yī)學(xué)雜志，（）：【】楊寶寬王林。嚴(yán)斌，等上頜牙列及方絲弓矯治器三維有限元模型的建立及驗(yàn)證口腔醫(yī)學(xué)，（）：【季彤，鐵英，王冬梅等下頜骨缺損胖骨重建的三維有限元應(yīng)力分析【】華西口腔醫(yī)學(xué)雜志，（）：一【】丁旭，孫應(yīng)明，丁加根，等下頜單鋼后牙游離端缺失種植固定橋三維有限元模型的建立【】口腔頜畫修復(fù)學(xué)雜志，（）：一【】，：，（）：【】，（，（）：【】，】，（）：【】彭佳美，嚴(yán)斌，王林，等三維數(shù)字化牙頜模型在口腔正畸學(xué)中的應(yīng)用【】中國實(shí)用口腔科雜志，（）：【】林川杜莉，沈頡飛建立三種樁核系統(tǒng)修復(fù)下頷第一磨牙的三維有限元模型【】實(shí)用口腔醫(yī)學(xué)雜志，（）：【】牟雁東，樊瑜波，劉展不同基牙牙周狀況下雙側(cè)游離缺損冠外附著體義齒的三維有限元分析