一種快速精確的人體下頜骨三維有限元建模方法

一種快速精確的人體下頜骨三維有限元建模方法

有限元法可以比較復(fù)雜結(jié)構(gòu)、形狀、負(fù)載和材料的力學(xué)性能。這是生物力學(xué)研究中最重要的分析方法。它在生物力學(xué)研究中得到了廣泛應(yīng)用，尤其是對人體骨骼力學(xué)特性的分析，這對其他方法也有很大的好處。然而，分析結(jié)果的準(zhǔn)確性受到模型的低精度限制。因此,如何快速、精確地建立骨組織結(jié)構(gòu)的三維有限元模型已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。近年來,隨著計(jì)算機(jī)模擬、醫(yī)學(xué)數(shù)字化技術(shù)以及計(jì)算機(jī)硬軟件支持技術(shù)的飛速發(fā)展,使得提高建模的速度和精度成為必然趨勢。本研究運(yùn)用薄層CT掃描技術(shù)、Mimics軟件以及建模功能強(qiáng)大的HyperMesh軟件對如何更加快速、精確地建立下頜骨有限元模型進(jìn)行探討。1材料和方法1.1建模材料選取一名顱頜系統(tǒng)發(fā)育正常的健康男性志愿者,牙列完整,咬合關(guān)系正常,牙周健康。1.2網(wǎng)絡(luò)2/pcp2試驗(yàn)(1)64排螺旋CT(Philips/Brilliance64,Netherlands);(2)試驗(yàn)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置:CPUCore2雙核2.8G、4GDDR2內(nèi)存、512MRADEON顯卡、500G硬盤;(3)試驗(yàn)用計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng):WindowsXPProfessionalsp2;(4)試驗(yàn)用軟件:Mimics10.01(Materialisesinteractivemedicalimagecontrolsystem,Belgium),HyperMesh10.0(USA)。1.3實(shí)驗(yàn)方法1.3.1基準(zhǔn)線掃描測試對象取仰臥息止頜口位,頭部固定,進(jìn)行顱頜面(全顱)的軸向斷層掃描,掃描基準(zhǔn)線平行于眶耳平面,從顱頂至下頜骨下緣進(jìn)行連續(xù)無間隔斷層掃描。掃描參數(shù):120kV,240mA,層厚0.6mm,掃描矩陣512×512,共230層。所得圖像經(jīng)聯(lián)機(jī)工作站處理以DICOM3.0格式將數(shù)據(jù)文件刻錄存盤備用。1.3.2幾何模型的建立將DICOM3.0標(biāo)準(zhǔn)格式CT斷層圖像導(dǎo)入(importimages)Mimics10.01軟件,在分割模塊(segmentation)中,利用閾值選取(thresholding)、區(qū)域增長(regiongrowing)操作分離下頜骨蒙罩(mask),再使用Calculate3D建立下頜骨的三維幾何表面模型,體積78160.14mm3,面積21664.58mm2(圖1)。閾值范圍是280~2976HounsField單位。將此幾何模型保存為格式為iges的文件備用。在下頜骨實(shí)體模型的表面向內(nèi)部生成一個(gè)包絡(luò)面,模擬皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨的交界面,利用trimwithplane/surf命令并以此面將整個(gè)模型劃分為2部分,表面的部分為皮質(zhì)骨,其厚度在下頜體部、升支部與頦部分別為2.8、2.3、3.0mm,內(nèi)部的實(shí)體為松質(zhì)骨部分。在3D-tetramesh模塊下劃分實(shí)體網(wǎng)格,在volumetetra中選擇先前建立的實(shí)體,采用四面體和五面體混合網(wǎng)格,建立松質(zhì)骨部分的有限元模型。在分割出的皮質(zhì)骨部分,采用五面體和六面體混合建模(圖3)。對皮質(zhì)骨及松質(zhì)骨部分的網(wǎng)格分別賦予材料屬性,以區(qū)分不同區(qū)域骨質(zhì)硬度的差異,具體力學(xué)參數(shù)見表1。將獲得的下頜骨整體有限元模型保存為abaqus可讀的inp文件。2生成單元和單元數(shù)在ABAQUS中得到完整下頜骨的三維有限元模型(圖4),共生成103634個(gè)單元和30971個(gè)節(jié)點(diǎn),其中生成四面體的單元數(shù)為94882個(gè),五面體為1636個(gè),六面體為7116個(gè)。此模型可以根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖┘痈鞣N載荷進(jìn)行力學(xué)分析。3圖像研磨技術(shù)的應(yīng)用隨著計(jì)算機(jī)模擬和醫(yī)學(xué)數(shù)字化技術(shù)的飛速發(fā)展,有限元法逐漸成為力學(xué)研究中最為重要的分析方法,在生物力學(xué)研究中得到廣泛的應(yīng)用,特別是在模擬人體骨組織的結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)特性方面是其他模型無法比擬的,表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)可高度模擬研究對象的結(jié)構(gòu)與材料特性。(2)既可完整地反映全域性的信息,又可精確地反映區(qū)域性信息。(3)可重復(fù)性。(4)不但可以從事形象的、直觀的定性研究,而且可進(jìn)行精確的計(jì)算分析。(5)分析研究的可重復(fù)性好,可以反復(fù)利用同一個(gè)有限元模型而不會(huì)造成模型的生物力學(xué)特性的改變。(6)能夠采用模擬分析的方法研究實(shí)驗(yàn)方法所不能研究的工況或生理狀況,得到客觀尸體標(biāo)本實(shí)驗(yàn)研究方法無法或難以得到的研究結(jié)果?？焖佟⒕_的三維有限元建模是進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算的基礎(chǔ),模型的幾何相似性、力學(xué)相似性、網(wǎng)格的劃分直接影響生物力學(xué)的計(jì)算結(jié)果。下頜骨的結(jié)構(gòu)組成較復(fù)雜,幾何形態(tài)不規(guī)則,這給其三維有限元建模帶來了一定困難。因此,如何快速準(zhǔn)確的建立下頜骨三維有限元模型是進(jìn)行下頜骨生物力學(xué)分析的首要問題。以往由于有限元建模手段的限制,無法高效的建立精確的有限元模型,使得有限元的計(jì)算結(jié)果大打折扣,阻礙了有限元法在人體骨組織生物力學(xué)方面的發(fā)展。近年來,隨著計(jì)算機(jī)模擬和醫(yī)學(xué)數(shù)字化技術(shù)的飛速發(fā)展,國內(nèi)外學(xué)者在提高建模的速度和精度方面做了大量的研究?？琢恋壤帽覥T技術(shù),結(jié)合Matlab軟件和Ansys軟件建立包含全牙列的下頜骨三維有限元模型,這與以往的磨片切片法、三維測量法、CT圖像提取法等建立起來的模型相比較,模型的精度和速度都有了很大的提高,但其在建模過程中使用Photoshop對CT圖像進(jìn)行預(yù)處理時(shí)摻雜了人為因素,從而使得其模型的精度降低。Casta1o等建立了包括關(guān)節(jié)盤、附著肌肉、下牙列在內(nèi)的多種組織的下頜骨完整下頜骨有限元模型;張勁等用CT斷層掃描,結(jié)合Solidworks和Ansys軟件建立了包括顳下頜關(guān)節(jié)、肌肉、和韌帶的正常下頜骨三維有限元模型;顧衛(wèi)平等采用CAD軟件UG和有限元分析Patran、Marc等多個(gè)軟件,利用中國可視化人體圖像數(shù)據(jù)建立了包括顳下頜關(guān)節(jié)、下頜骨、下牙列、咀嚼肌、牙周膜、關(guān)節(jié)軟骨在內(nèi)的三維有限元模型,進(jìn)一步提高了模型的相似性,但其在建模過程中運(yùn)用CAD軟件UG對圖像進(jìn)行了重新定位和二次處理,在一定程度上影響了模型的幾何相似性。為進(jìn)一步提高建模精度,趙峰等應(yīng)用薄層CT,Dicom標(biāo)準(zhǔn)和Mimics軟件并結(jié)合Ansys軟件,建立了下頜骨三維有限元模型;李巖峰等運(yùn)用Mimics、Magics和MARC2003軟件,建立了不完全截骨牽張成骨重建犬下頜骨節(jié)段缺失的三維有限元模型。由于Mimics軟件可以直接讀取Dicom標(biāo)準(zhǔn)的CT數(shù)據(jù),使原始圖像無需進(jìn)行任何形式轉(zhuǎn)換,減少了建模過程中的人為因素,避免了常規(guī)在Photoshop、Autocad等軟件中圖像的重新定位和二次處理,使得所建模型外形更加逼真、精確,因而提高了模型的幾何相似性。薄層CT、Dicom標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用,以及Mimics軟件的引進(jìn),對建立更為精確的下頜骨有限元模型向前推動(dòng)了一大步,但隨著使用Mimics軟件建模的逐漸增多,在建模中的一些不足也被學(xué)者們逐漸所認(rèn)識。例如:Mimics軟件生成的組織依靠CT值來劃分邊界,這樣對于軟硬組織的區(qū)分非常好。但是對于2個(gè)硬組織的區(qū)分則非常困難,邊界不易界定,常出現(xiàn)毛刺現(xiàn)象,對于生成體模型和劃分高質(zhì)量的網(wǎng)格有很大影響,需要使用其他軟件進(jìn)行前處理,才能較好的完成一個(gè)高質(zhì)量的模型,而HyperMesh軟件最顯著的特點(diǎn)是它所具有的強(qiáng)大的有限元網(wǎng)格前處理功能和后處理功能。本實(shí)驗(yàn)利用Mimics和HyperMesh軟件在建模方面的良好的互補(bǔ)性來高效地建立一個(gè)更為精確的下頜骨三維有限元模型。比利時(shí)Materialise公司推出的Mimics是一款實(shí)現(xiàn)生物體CT數(shù)據(jù)直接到3D實(shí)體模型的“無縫銜接工具”。它基于螺旋CT斷層掃描得到的DICOM標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù),利用其強(qiáng)大的自動(dòng)三維建模功能使原始圖像無需進(jìn)行任何形式轉(zhuǎn)換,減少了建模過程中的人為因素,使得所建幾何模型外形更加逼真、精確。而Hypermesh軟件是美國Altair公司的產(chǎn)品,是世界領(lǐng)先的、功能強(qiáng)大的CAE應(yīng)用軟件包,在CAE領(lǐng)域,Hypermesh最顯著的特點(diǎn)是它所具有強(qiáng)大的有限元網(wǎng)格前處理功能和后處理功能。首先,HyperMesh的圖形用戶界面易于學(xué)習(xí),它支持直接輸入已有的三維CAD幾何模型(G,Pro/E,CATIA等)和已有的有限元模型,并且導(dǎo)入的效率和模型質(zhì)量都很高,可以減少很多重復(fù)性的工作,使得建模的速度、質(zhì)量提高。其次,在處理幾何模型和有限元網(wǎng)格的效率和質(zhì)量方面,Hypermesh具有很好的速度、適應(yīng)性和可定制性,并且模型規(guī)模沒有軟件限制。其他很多有限元前處理軟件對于一些復(fù)雜的、大規(guī)模的模型在讀取數(shù)據(jù)時(shí)候,需要很長時(shí)間,而且很多情況下并不能夠成功導(dǎo)入模型,這樣后續(xù)的建模及分析工作就無法進(jìn)行;而如果采用Hypermesh,其強(qiáng)大的幾何處理能力使得Hypermesh可以很快的讀取那些結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,規(guī)模非常大的模型數(shù)據(jù),從而大大提高了建模的速度,也使得很多應(yīng)用其他前后處理軟件很難或者不能解決的問題變得迎刃而解。本研究采用Mimics軟件直接讀取三維CT斷層掃描得到的DICOM標(biāo)數(shù)據(jù)并建立下頜骨幾何模型,然后導(dǎo)入Hypermesh軟件對其進(jìn)行實(shí)體模型的建立和有限元網(wǎng)格的劃分,從而更加高效快速地建立了下頜骨三維有限元模型。本實(shí)驗(yàn)建立的下頜骨三維有限元模型具有以下優(yōu)勢:(1)將建模功能強(qiáng)大的Hypermesh軟件引進(jìn)口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域(目前尚未查到Hypermesh軟件在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域建模的相關(guān)文獻(xiàn)),并結(jié)合Mimics軟件,快速精確地建立了下頜骨三維有限元模型,為建立下頜骨有限元模型開辟了一條新途徑。(2)有限元方法作為一種計(jì)算方法,其結(jié)果依賴于單元、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、類型以及網(wǎng)格劃分的精細(xì)程度。本模型采用四面體、五面體和六面體劃分模型,由于四面體單元可以劃分各種形狀的幾何體,實(shí)現(xiàn)起來也比較容易、快速,所以主要使用四面體單元,結(jié)合下頜骨的實(shí)際情況,為了使劃分的網(wǎng)格更加精確,更符合下頜骨的實(shí)際情況,因而采用五面體和六面體作為輔助單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,共生成103634個(gè)單元和30971個(gè)節(jié)點(diǎn),其中生成四面體的單元數(shù)為94882個(gè),五面體為1636個(gè),六面體為7116個(gè)。(3)有限元模型可以任意旋轉(zhuǎn)觀察,模型形態(tài)與下頜骨的解剖形態(tài)具有滿意的相似性,可任意切割,以模仿下頜骨的各種缺損重建,并通過調(diào)整模型的幾何材料參數(shù)以模擬不同的臨床與實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。本文運(yùn)用Mimics和Hypermesh軟件雖然快速地建立了更為精確的下頜骨三維有限元模型,但需要強(qiáng)調(diào)的是下頜骨的真實(shí)力學(xué)特性受到復(fù)雜的人體周圍組織環(huán)境的影響,特別是顳下頜關(guān)節(jié)窩、關(guān)節(jié)盤以及附著于下頜骨的所有肌肉和韌帶。受到經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)水平所限,本研究在設(shè)定邊界約束時(shí)對這些結(jié)構(gòu)做了簡化,勢必影響到分析結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。所以,有限元的計(jì)算結(jié)果的絕對值很難代表人體下頜骨的真實(shí)值,要完全模擬復(fù)雜的口腔生物力學(xué)環(huán)境建立計(jì)算模型,目前尚無法達(dá)到,仍待進(jìn)一步研究。1.3.3tog命令修復(fù)不連續(xù)的面將Mimics生成的iges格式幾何模型導(dǎo)入HyperMesh10.0,進(jìn)行幾何清理,采用toggle命令修復(fù)不連續(xù)的面。確