骨縫精確標識性顱面骨三維有限元模型的建立

1、骨縫精確標識性顱面骨三維有限元模型的建立*            【關鍵詞】  顱面骨；骨縫；三維有限元    【摘要】  目的   建立骨縫精確標識性顱面骨三維有限元模型，為進一步開展各種正畸-矯形力作用下的顱面部生物力學研究提供一處重要的平臺。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，各骨縫結構保存完好。采用丁氧膏精確定位顱面骨各相關骨縫和標志點的具

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程序生成實體模型。根據(jù)骨縫標志點的三維坐標確定顱面骨各骨縫結構的空間定位，采用光滑平面簡化處理骨縫接觸面，骨縫寬度設定為0.2mm。網(wǎng)格劃分，力學參數(shù)設定，最終建立起骨縫標識性顱面骨三維有限元模型。結果  所建立的骨縫標識性顱面骨三維有限元模型幾何形態(tài)逼真，與實體標本以及三維CT影像相比具有較高的相似性，模型共包括21480個節(jié)點和83688個單元。結論  通過在干燥頭顱骨上對相關骨縫結構進行精確標識，并在建模時做適當?shù)暮喕幚韺⒐强p結構所特有的生物力學性質融入三維有限元模型中，進一步提高了所建模型的仿真程度。

3、    【關鍵詞】  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研究提供了不可多得的方法學基礎，而其中關鍵之處就在于有限元模型的建立1。伴隨著最新CT建模技術的發(fā)展與應用，國內外學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構（這一對顱面骨生長改建極為關鍵的結構）融入有限元模型中，并建立骨縫精確標識的顱面骨三維有限元模型。本研究采用先進的CT輔助建模方法，并將顱面骨各相關骨縫結構進行了適當?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性質，進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，各骨縫結構保存完好。    1.2  方法    圖3  CT斷層影像圖4  CT三維影像    2  結果    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，與實體標本以及三維CT影像相比具有較高的相似性，模型不僅可以任意旋轉，從不同角度進行觀察，而且還可以任意切割或提取其中的各

9、個部分，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構。模型共包括21480個節(jié)點和83688個單元。見圖5。 圖5  骨縫標識性三維有限元模型    3  討論    3.1  常用的三維有限元建模方法    (1)磨片、切片法：將標本或標本模型制成一定數(shù)目的磨片或切片，然后將截面圖像輸入計算機，最后進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、接觸式三維坐標測量儀或非接觸式激光掃描測量儀，對標本或標本模型進行數(shù)據(jù)測量，輸入到計算機構建三維CAD模型，然后將CAD模型轉到CAE軟件中進行數(shù)值分析。其優(yōu)點是速度快、精度高，而且能夠較準確地反映標本或模型表面復雜的結構形態(tài)。但該方法只能獲得標本或標本模型的表面數(shù)據(jù)而無法獲得內部數(shù)據(jù)。因此，該方法僅適用于均質的實體建模。    (3)CT圖像處理法：采用螺旋CT掃描成像技術獲得原始數(shù)據(jù)，然后通過CT二維圖像獲取輪廓線位圖，并在此基礎上建立三維坐標系，進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本及標

11、本模型之間，具有較高的幾何相似性和力學相似性，是目前國內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：標本或標本模型在完成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，進而構建三維有限元模型。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，由于是通過計算機程序直接生成輪廓曲線，不受人為因素的控制，所以當需要對某一標本或標本模型的各個組成部分分別建模時，此方法的應用會受到一定限制。    本研究由于需要將顱面骨各相關骨

12、縫結構融入有限元模型中，所以必須將顱面骨各骨塊結構分別建模，然后在此基礎上將各部分進行骨縫限制性添加合并。因此，本研究所采用的是CT圖像處理法來構建三維有限元模型。    3.2  國內外學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解剖結構圖，逐層人工定義節(jié)點和單元，第一次建立了較為可靠的顱面復合體數(shù)字模型，為顱面復合體的生物力學研究提供了基本條件。但是，此模型建模方法繁

13、瑣復雜，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個斷層影像，手工繪制各斷層輪廓圖，選擇節(jié)點，劃分單元，建立起單側的顱面復合體三維有限元模型。此模型采用先進的CT掃描技術獲取二維數(shù)字化圖像，保存了標本的完整性，減少了誤差，但其所建模型實質只有一側，使模型的應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歲男孩的顱面復合體三維有限元模型，模型中將腭中縫認為是不連接結構，探索上頜快速擴弓的生物力學變化。但該

14、模型實質也是一側，輪廓線粗糙，殼單元簡化程度高，圖像轉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整體建模，這勢必會影響計算分析結果6。    (5)Verrue于2001年以發(fā)育期的犬作為建模素材，同時融入上頜骨周圍的骨縫，并探討了骨縫的材料特性，更真實的模擬發(fā)育期上頜復合體的解剖結構。盡管對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了一步7。 

15、;   由于顱面復合體結構復雜，真正達到模型與實體各解剖部位符合，耗時、費力，建模工作有較大的難度。所以建模時在一些部位上會做一定的簡化處理，但該過程同時意味著部分信息的喪失，可能對整個模型的幾何相似性和力學相似性造成影響。    3.3  本研究所建立的骨縫標識性顱面骨三維有限元模型的特點    (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，與實體標本以及三維CT影像相比具有較高的相似性，模型不僅可以任意旋轉，從不同角度進行觀察，而且還可以任意切割或提取其中的各個部分，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構。    (2)由于CT掃描圖像無法分辨清楚骨縫結構以及解剖標志點，因此首先采用丁氧膏精確定位顱面部各處相關骨縫和標志點的具體位置。    (3)在關鍵點提取過程中根據(jù)骨縫標志點的三維坐標確定顱面骨各骨縫結構的空間定位，采用光滑平面代替相互交錯的鋸齒狀骨縫接觸面，將骨縫寬度設定為0.2mm。    (4)根據(jù)以往的研究結果，賦予骨縫結構所特有的生物力學參數(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所常用的方法是不同的。

17、0;   4  結論    在干燥頭顱骨上對相關骨縫結構進行精確標識，并在建模時通過適當?shù)暮喕幚韺⑵渌赜械纳锪W性質融入三維有限元模型中，必然會進一步提高所建模型的仿真程度以及計算分析結果的可靠性。    【參考文獻】    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)學雜志，1994，12(2)：198-300.    5  Iseri H. Biomechanical effects