骨縫精確標(biāo)識(shí)性顱面骨三維有限元模型的建立

1、骨縫精確標(biāo)識(shí)性顱面骨三維有限元模型的建立*            【關(guān)鍵詞】  顱面骨；骨縫；三維有限元    【摘要】  目的   建立骨縫精確標(biāo)識(shí)性顱面骨三維有限元模型，為進(jìn)一步開展各種正畸-矯形力作用下的顱面部生物力學(xué)研究提供一處重要的平臺(tái)。方法  選擇替牙晚期10歲女孩干燥頭顱骨作為材料供給，要求顱面骨完整無缺損，各骨縫結(jié)構(gòu)保存完好。采用丁氧膏精確定位顱面骨各相關(guān)骨縫和標(biāo)志點(diǎn)的具

2、體位置，螺旋CT掃描獲得顱面骨各斷層的二維影像，并借助ANSYS程序生成實(shí)體模型。根據(jù)骨縫標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)確定顱面骨各骨縫結(jié)構(gòu)的空間定位，采用光滑平面簡化處理骨縫接觸面，骨縫寬度設(shè)定為0.2mm。網(wǎng)格劃分，力學(xué)參數(shù)設(shè)定，最終建立起骨縫標(biāo)識(shí)性顱面骨三維有限元模型。結(jié)果  所建立的骨縫標(biāo)識(shí)性顱面骨三維有限元模型幾何形態(tài)逼真，與實(shí)體標(biāo)本以及三維CT影像相比具有較高的相似性，模型共包括21480個(gè)節(jié)點(diǎn)和83688個(gè)單元。結(jié)論  通過在干燥頭顱骨上對(duì)相關(guān)骨縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確標(biāo)識(shí)，并在建模時(shí)做適當(dāng)?shù)暮喕幚韺⒐强p結(jié)構(gòu)所特有的生物力學(xué)性質(zhì)融入三維有限元模型中，進(jìn)一步提高了所建模型的仿真程度。

3、    【關(guān)鍵詞】  顱面骨；骨縫；三維有限元      The construction of suture marked three-dimensional finite element model of human craniofacial complex    WANG Yi-ling，KOU Bo，WANG Chun-ling，et al.Department of Orthodontics，Jinan Hospital of Dentistry，Jinan 250

4、012，China    【Abstract】  Objective  The purpose of this study was to construct a suture marked 3-D FEM of human craniofacial complex for future biomechanical study. Methods  In this study the analytical model was developed from a dry skull of 10-year-old girl. Before CT

5、 scanning，the sutures were firstly marked because they were indistinguishable in CT films. ANSYS software was used to construct the FEM which included the craniofacial sutures. Results  The suture marked 3-D FEM established in this study was highly coincide with the dry skull and 3-D CT image，a

6、nd the total number of elements and nodes created was 83688 and 21480，respectively. Conclusion  The fusion of sutures into the 3-D FEM of human craniofacial can highly increase its reliability.     【Key words】  craniofacial bone; suture; 3-dimensional FEM    三

7、維有限元分析法的出現(xiàn)，為顱面骨在各種正畸-矯形力作用下的生物力學(xué)研究提供了不可多得的方法學(xué)基礎(chǔ)，而其中關(guān)鍵之處就在于有限元模型的建立1。伴隨著最新CT建模技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者所建立的顱面骨三維有限元模型雖然在幾何相似性上有了很大的提高，但是卻始終難以將骨縫結(jié)構(gòu)（這一對(duì)顱面骨生長改建極為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)）融入有限元模型中，并建立骨縫精確標(biāo)識(shí)的顱面骨三維有限元模型。本研究采用先進(jìn)的CT輔助建模方法，并將顱面骨各相關(guān)骨縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕幚砗笕谌肴S有限元模型中，賦予其所特有的生物力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)一步提高了所建模型的仿真程度。    1  材料與方法

8、0;   1.1  材料  選擇替牙晚期10歲女孩干燥頭顱骨（不包括下頜骨部分）為材料。顱面骨完整無缺損，各骨縫結(jié)構(gòu)保存完好。    1.2  方法    圖3  CT斷層影像圖4  CT三維影像    2  結(jié)果    采用螺旋CT輔助建立的顱面骨三維有限元模型幾何形態(tài)逼真，與實(shí)體標(biāo)本以及三維CT影像相比具有較高的相似性，模型不僅可以任意旋轉(zhuǎn)，從不同角度進(jìn)行觀察，而且還可以任意切割或提取其中的各

9、個(gè)部分，并能夠依照不同的研究目的和研究要求添加或刪除感興趣的結(jié)構(gòu)。模型共包括21480個(gè)節(jié)點(diǎn)和83688個(gè)單元。見圖5。 圖5  骨縫標(biāo)識(shí)性三維有限元模型    3  討論    3.1  常用的三維有限元建模方法    (1)磨片、切片法：將標(biāo)本或標(biāo)本模型制成一定數(shù)目的磨片或切片，然后將截面圖像輸入計(jì)算機(jī)，最后進(jìn)行圖像的處理及分析。該方法屬于破壞性的建模方法，并且出錯(cuò)率較高，誤差來源也多。因此，該方法目前較少采用。    (2)三維測量法：采用

10、接觸式三維坐標(biāo)測量儀或非接觸式激光掃描測量儀，對(duì)標(biāo)本或標(biāo)本模型進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，輸入到計(jì)算機(jī)構(gòu)建三維CAD模型，然后將CAD模型轉(zhuǎn)到CAE軟件中進(jìn)行數(shù)值分析。其優(yōu)點(diǎn)是速度快、精度高，而且能夠較準(zhǔn)確地反映標(biāo)本或模型表面復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形態(tài)。但該方法只能獲得標(biāo)本或標(biāo)本模型的表面數(shù)據(jù)而無法獲得內(nèi)部數(shù)據(jù)。因此，該方法僅適用于均質(zhì)的實(shí)體建模。    (3)CT圖像處理法：采用螺旋CT掃描成像技術(shù)獲得原始數(shù)據(jù)，然后通過CT二維圖像獲取輪廓線位圖，并在此基礎(chǔ)上建立三維坐標(biāo)系，進(jìn)而繪制各斷面的輪廓線矢量圖，最終逐層建立起三維有限元模型。此方法屬非破壞性建模，所建立的三維有限元模型與標(biāo)本及標(biāo)

11、本模型之間，具有較高的幾何相似性和力學(xué)相似性，是目前國內(nèi)外最常采用的建模方法之一。但仍需要注意避免在拍攝膠片和膠片掃描過程中造成數(shù)據(jù)丟失。    (4)DICOM數(shù)據(jù)直接建模法：標(biāo)本或標(biāo)本模型在完成CT掃描后不必再通過膠片獲取所需數(shù)據(jù)，可直接通過DICOM數(shù)據(jù)生成輪廓曲線，進(jìn)而構(gòu)建三維有限元模型。該方法簡化了CT建模的程序，是目前最新的有限元建模方法。但是，由于是通過計(jì)算機(jī)程序直接生成輪廓曲線，不受人為因素的控制，所以當(dāng)需要對(duì)某一標(biāo)本或標(biāo)本模型的各個(gè)組成部分分別建模時(shí)，此方法的應(yīng)用會(huì)受到一定限制。    本研究由于需要將顱面骨各相關(guān)骨

12、縫結(jié)構(gòu)融入有限元模型中，所以必須將顱面骨各骨塊結(jié)構(gòu)分別建模，然后在此基礎(chǔ)上將各部分進(jìn)行骨縫限制性添加合并。因此，本研究所采用的是CT圖像處理法來構(gòu)建三維有限元模型。    3.2  國內(nèi)外學(xué)者所建立的顱面骨三維有限元模型      (1)Miyasaka于1986年首次以干燥顱面骨為建模素材，將其沿水平方向機(jī)械切割為14層，層厚為10mm，然后逐層拍照，在醋酸紙上描記每層骨質(zhì)解剖結(jié)構(gòu)圖，逐層人工定義節(jié)點(diǎn)和單元，第一次建立了較為可靠的顱面復(fù)合體數(shù)字模型，為顱面復(fù)合體的生物力學(xué)研究提供了基本條件。但是，此模型建模方法繁

13、瑣復(fù)雜，切割過程中有鋸口損耗，誤差較大3。    (2)趙志河于1994年以15歲男孩為建模素材，采用常規(guī)CT掃描獲取顱面骨共35個(gè)斷層影像，手工繪制各斷層輪廓圖，選擇節(jié)點(diǎn)，劃分單元，建立起單側(cè)的顱面復(fù)合體三維有限元模型。此模型采用先進(jìn)的CT掃描技術(shù)獲取二維數(shù)字化圖像，保存了標(biāo)本的完整性，減少了誤差，但其所建模型實(shí)質(zhì)只有一側(cè)，使模型的應(yīng)用和推廣受到很大的限制4。    (3)Iseri于1998年通過CT掃描（層厚5mm）輔助建立12歲男孩的顱面復(fù)合體三維有限元模型，模型中將腭中縫認(rèn)為是不連接結(jié)構(gòu)，探索上頜快速擴(kuò)弓的生物力學(xué)變化。但該

14、模型實(shí)質(zhì)也是一側(cè)，輪廓線粗糙，殼單元簡化程度高，圖像轉(zhuǎn)換過程中誤差仍較大5。    (4)張彤于2000年采用螺旋CT掃描聯(lián)合數(shù)字化影像傳輸以及自編ANSYS程序的方法，建立起人上頜骨復(fù)合體三維有限元模型。但建模范圍較窄，未能將上頜骨后部、上部的顱骨作為一個(gè)整體建模，這勢必會(huì)影響計(jì)算分析結(jié)果6。    (5)Verrue于2001年以發(fā)育期的犬作為建模素材，同時(shí)融入上頜骨周圍的骨縫，并探討了骨縫的材料特性，更真實(shí)的模擬發(fā)育期上頜復(fù)合體的解剖結(jié)構(gòu)。盡管對(duì)骨縫的材料屬性推測并不充分，但又將顱頜面三維有限元的研究向前推進(jìn)了一步7。 

15、;   由于顱面復(fù)合體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，真正達(dá)到模型與實(shí)體各解剖部位符合，耗時(shí)、費(fèi)力，建模工作有較大的難度。所以建模時(shí)在一些部位上會(huì)做一定的簡化處理，但該過程同時(shí)意味著部分信息的喪失，可能對(duì)整個(gè)模型的幾何相似性和力學(xué)相似性造成影響。    3.3  本研究所建立的骨縫標(biāo)識(shí)性顱面骨三維有限元模型的特點(diǎn)    (1)采用螺旋CT輔助建立顱面骨三維有限元模型，幾何形態(tài)逼真，與實(shí)體標(biāo)本以及三維CT影像相比具有較高的相似性，模型不僅可以任意旋轉(zhuǎn)，從不同角度進(jìn)行觀察，而且還可以任意切割或提取其中的各個(gè)部分，并能夠依照不同的研

16、究目的和研究要求添加或刪除感興趣的結(jié)構(gòu)。    (2)由于CT掃描圖像無法分辨清楚骨縫結(jié)構(gòu)以及解剖標(biāo)志點(diǎn)，因此首先采用丁氧膏精確定位顱面部各處相關(guān)骨縫和標(biāo)志點(diǎn)的具體位置。    (3)在關(guān)鍵點(diǎn)提取過程中根據(jù)骨縫標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)確定顱面骨各骨縫結(jié)構(gòu)的空間定位，采用光滑平面代替相互交錯(cuò)的鋸齒狀骨縫接觸面，將骨縫寬度設(shè)定為0.2mm。    (4)根據(jù)以往的研究結(jié)果，賦予骨縫結(jié)構(gòu)所特有的生物力學(xué)參數(shù)3.86kg/mm2，而不是將其假定為與鄰近組織具有相同的特性，這與以往顱面骨建模時(shí)所常用的方法是不同的。

17、0;   4  結(jié)論    在干燥頭顱骨上對(duì)相關(guān)骨縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確標(biāo)識(shí)，并在建模時(shí)通過適當(dāng)?shù)暮喕幚韺⑵渌赜械纳锪W(xué)性質(zhì)融入三維有限元模型中，必然會(huì)進(jìn)一步提高所建模型的仿真程度以及計(jì)算分析結(jié)果的可靠性。    【參考文獻(xiàn)】    1  Tanne K，Sakuda M. Biomechanical and clinical changes of the craniofacial complex from orthopedic maxillary protracti

18、on. Angle Orthod，1991，61：145-151.    2  Alireza，Shetty KS，Kumar M. Study of stress distribution and displacement of various craniofacial structures following application of transverse orthopedic forces-a three-dimension FEM study. Angle Orthod，2003，73(1)： 12-20.   

19、 3  Miyasaka J，Tanne K. Finite element analysis of the biomechanical effects of orthopedic forces on the craniofacial skeleton. Construction of a 3-dimensional finite element model of the craniofacial skeleton. Osaka Daigaku Shigaku Zasshi，1986，31(2)：393-402.     4  趙志河，房冰，趙美英. 顱面骨三維有限元模型的建立. 華西口腔醫(yī)學(xué)雜志，1994，12(2)：198-300.    5  Iseri H. Biomechanical effects