借用原料參數(shù)創(chuàng)建上頜骨三維有限元模型的初步討論

目標(biāo) 討論借用CBCT灰度值附材質(zhì)法創(chuàng)建上頜骨三維有限元模型的方式及原料參數(shù)梯度區(qū)分的合感性，為高效創(chuàng)建個(gè)性化上頜骨三維有限元模型供應(yīng)根據(jù)。

方式 借用1例患者頜骨的錐形束CT信息，借用Mimics17.0軟件，經(jīng)過(guò)外表解決、體網(wǎng)格化，按五種梯度（4、6、10、50、100）對(duì)原料參數(shù)進(jìn)行分派，和二分法創(chuàng)建的上頜骨三維有限元模型，在Abaqus6.12軟件中進(jìn)行力學(xué)本質(zhì)的有限元解析，尋找準(zhǔn)確性和運(yùn)算速率兼?zhèn)涞脑咸卣鞣峙商荻戎怠?/p>

結(jié)果 在五種不同梯度的試驗(yàn)組中創(chuàng)建的上頜骨三維有限元模型的梯度越細(xì)分，模型一樣越精致、色彩品種越多、不同色彩邊緣越清楚；在上頜骨正中程度加載時(shí)，五種梯度的附材質(zhì)法所得出的應(yīng)力值間均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差別，與二分法均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差別；需要五種不同梯度在相近計(jì)算機(jī)配置下，同組CBCT信息下的有限元模型須要的時(shí)間緊隨梯度的加大而延續(xù)。

論斷 在上頜骨正中程度加載時(shí)，二分法在計(jì)算中會(huì)顯現(xiàn)偏差；五種梯度中運(yùn)算結(jié)果差別不大，但參考到模型的精致及運(yùn)算效益倡議采取50梯度建模。

【要害詞】CBCT 上頜骨 有限元模型 原料參數(shù)

有限元方式已全面用來(lái)口腔生物力學(xué)的研發(fā)，高效、確切創(chuàng)建個(gè)性化三維有限元解析模型是要害[1]。因?yàn)樯项M骨不規(guī)則的形式構(gòu)造牽連模型的幾何類似性，現(xiàn)在的建模技術(shù)限定了應(yīng)力解析場(chǎng)景的如實(shí)創(chuàng)建，同時(shí)上頜骨的異質(zhì)性難以完全實(shí)行等，這類原因不單牽連上頜骨三維有限元模型的創(chuàng)建況且牽連模型的力學(xué)類似性[2，3]。本研發(fā)借用一例上頜無(wú)牙頜患者的CBCT信息創(chuàng)建上頜骨三維數(shù)字模型，對(duì)照不同原料參數(shù)分派方式對(duì)有限元模型的力學(xué)特征牽連，為該有限元方式在臨床相關(guān)迅速創(chuàng)建和解析模型方面供應(yīng)相關(guān)理論根據(jù)，同時(shí)更為該法對(duì)上頜骨的生物力學(xué)特征進(jìn)一步研發(fā)打下根基。

資料和方式

一、試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

本項(xiàng)研發(fā)的時(shí)間為2015年1月至2015年7月，研發(fā)通過(guò)山中醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院倫理委員會(huì)審批[核準(zhǔn)號(hào)：【2015】倫審字（Y10）號(hào)]。錐形束CT資料：在山中醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院口腔科應(yīng)用錐形束CT掃描機(jī)（NewTomVGi，QRSRL，意大利）拍攝的錐形束CT資料中篩選1例適合當(dāng)選規(guī)范的影像信息。

當(dāng)選規(guī)范：上頜牙列缺失，男人，年紀(jì)55～65歲，上頜骨形式完好、構(gòu)造常態(tài)。選定圖片后聯(lián)絡(luò)患者，簽定知情認(rèn)同書(shū)。

二、數(shù)字化模型的修整

將錐形束CT信息（.dicom體例）導(dǎo)入Mimics17.0軟件，對(duì)領(lǐng)域進(jìn)行分隔，設(shè)定組織的閾值（欠明確）提煉骨組織（欠明確）。通過(guò)模型優(yōu)化借用逆向工程軟件GeomagicStudio12.0軟件（Geomagic，美國(guó)）精修模型，獲取上頜牙列缺失的上頜骨體網(wǎng)格化模型（圖1）。

三、試驗(yàn)方式

1.試驗(yàn)組：智能分派法（CT值賦材質(zhì)法）

以CT灰度值為根基，借用其與表觀密度（骨骼為擺列放松或致密的骨小梁而生成的多孔性原料，大多是與外部不雷同的閉孔，將含有閉孔原料的密度稱為表觀密度）和彈性模量之間的某種函數(shù)聯(lián)系，計(jì)算CT信息得出骨骼彈性模量在不同密度下數(shù)值不同，接著依據(jù)規(guī)范的梯度進(jìn)行材質(zhì)的分派[4]。

體網(wǎng)格化的上頜骨模型再導(dǎo)入到Mimics17.0軟件中，根據(jù)公式來(lái)定論材質(zhì)，泊松比（Poissonratio）為0.3。依據(jù)灰度值由公式可得出表觀密度，最終借用表觀密度得出彈性模量。

度}。將此公式填寫(xiě)到 Mimics 的彈性模量計(jì)算公式格內(nèi)，泊松比為 0.3 [8] ，分別選取 4、6、10、50、100 個(gè)梯度區(qū)分原料參數(shù)，形成的 M1，M2，M3，M4，M5（圖2）。

2.對(duì)比組：二分法

人工手動(dòng)操控辨別出2個(gè)不同的領(lǐng)域。手動(dòng)選擇上頜骨最外圍的單元?jiǎng)澏槠べ|(zhì)骨，其彈性模量為13700MP，泊松比為0.3；上頜骨的其它領(lǐng)域劃定為松質(zhì)骨其彈性模量為1370MP，泊松比為0.3，形成M6（圖3）。

3.有限元解析

施行正中面加載，束縛于咀嚼肌依附處，模仿咀嚼肌的牽連[9]。各類計(jì)劃賦值后的有限元模型分別在Abaqus6.12軟件中施行加載，400N正中程度加載于上頜骨時(shí)，選擇上頜骨中央面左右雙側(cè)的連線成為觀測(cè)路徑，據(jù)公式得出在400N載荷的狀況下6組模型的應(yīng)力散布狀況。

結(jié) 果

1.建模狀況

試驗(yàn)組從M1到M5的三維有限元模型中，色彩品種漸漸增加，各類色彩的層級(jí)、邊緣清楚，模型產(chǎn)生更詳盡。此中50、100梯度的模型在構(gòu)造精致度、色彩的層級(jí)、邊緣的清楚度等方面更佳（圖2）

2.應(yīng)力散布云圖

依據(jù)Abaqus6.12軟件構(gòu)造靜力學(xué)計(jì)算方式獲得計(jì)算結(jié)果，獲得6組模型在加載力下的位移及應(yīng)力云圖，以4分法的M1應(yīng)力云圖為例，其應(yīng)力集中部位首要都為上頜正中部位、眶內(nèi)側(cè)、外側(cè)、眶底區(qū)、顴骨等部位（圖4）。

3.應(yīng)力及位移峰值

在5個(gè)應(yīng)力集中部位分別提煉應(yīng)力及位移峰值，進(jìn)行較為，因此緊隨梯度的漸漸細(xì)分，應(yīng)力峰值和最大位移趨于靠近，變異水平越來(lái)越少（表1、2）。

經(jīng)Fisher's Least Significant Difference（LSD）法進(jìn)行組間多重較為，方差解析結(jié)果F＝2.721，P＝0.025。M6與其他各模型之間有統(tǒng)計(jì)學(xué)差別（P＜0.05），M1-M5之間均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差別（P＞0.05），可認(rèn)定M6與其他各模型在應(yīng)力值上存在差別，M1-M5在應(yīng)力值上不存在差別（表3）。

4.模型創(chuàng)建所用時(shí)間

在6組模型創(chuàng)建所耗時(shí)間上的較為，緊隨梯度的漸漸細(xì)分，時(shí)間也依序遞增（表4）。

討 論

醫(yī)學(xué)圖片的三維重建往往是指借用人類的視覺(jué)特征，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)二維數(shù)字?jǐn)鄬訄D片序列生成的三維體信息進(jìn)行解決，將其變換為擁有直觀立體成效的圖片來(lái)展現(xiàn)身體組織的三維形式，三維可視化技術(shù)就是借用一系列的二維切片圖片重建三維圖片模型并進(jìn)行定性，定量解析的技術(shù)?，F(xiàn)在對(duì)CT信息的應(yīng)用，已不單僅停頓在借用MIMICS，BONEMAT[10]，AMAB[11]等計(jì)算機(jī)軟件，從新創(chuàng)建圖片的三維模型；依據(jù)CT數(shù)值的灰度值來(lái)決議有限元模型的原料特征，是數(shù)字化模型向生物模型轉(zhuǎn)換的1個(gè)要害環(huán)節(jié)，牽連三維有限元解析的計(jì)算流程及其結(jié)果。因此1個(gè)優(yōu)良的原料特征分派計(jì)劃既可以變短時(shí)間，又能節(jié)約計(jì)算的本錢(qián)，同時(shí)保證結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。

上頜骨的解剖構(gòu)造較為高難，用1個(gè)同質(zhì)性的模型反映其構(gòu)造功能也許不太確切[12]。本研發(fā)借用CT值賦值法，在Mimics的經(jīng)歷公式中，通過(guò)CT灰度值[13]，表觀密度與彈性模量三者之間的函數(shù)聯(lián)系式來(lái)計(jì)算、模仿上頜骨的真正狀況[14，15]，復(fù)原了上頜骨的非均質(zhì)性，適合上頜骨獨(dú)到的有限元解析特征，在某種程度上能夠反應(yīng)骨質(zhì)特點(diǎn)。本研發(fā)根據(jù)骨骼的抱負(fù)化模型理論，根據(jù)原料的不同特征將試驗(yàn)組劃為5組。對(duì)比組為傳統(tǒng)二分法即兩類材質(zhì)（皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨）。骨骼的生物力學(xué)特征按傳統(tǒng)的方法，通常劃為兩類：骨松質(zhì)和骨皮質(zhì)。但實(shí)則松質(zhì)骨和密質(zhì)骨是漸漸過(guò)渡的，兩者之間沒(méi)有明確的邊界，同一骨骼的松質(zhì)骨在不同身體上的散布是有差別的。若在醫(yī)學(xué)建模軟件中根據(jù)松質(zhì)骨和密質(zhì)骨的原料特征就獲得兩類不同范疇的閾值，如此會(huì)使模仿的骨骼失真進(jìn)一步牽連結(jié)果，其次更不可適合個(gè)性化有限元研發(fā)的需要。

以上的理論全是把骨骼當(dāng)做各向同質(zhì)的原料來(lái)研發(fā)的，但實(shí)則骨骼內(nèi)部的骨小梁構(gòu)造十分高難，體現(xiàn)大全是各形各異的。在本論文中，由于試驗(yàn)前提有限，仍舊將上頜骨當(dāng)做一類各向同質(zhì)的彈性原料做類似解決。圖2所示，每種色彩即表示1個(gè)梯度內(nèi)的彈性模量，即為原料特征，試驗(yàn)組五種梯度分派下建立的上頜骨三維有限元模型的梯度值越來(lái)越細(xì)分，模型的解剖邊界越明確、色彩間外表平滑。圖中的M4、M5模型與前三者相比，構(gòu)造形式表示更精致、不同色彩的輪廓更清楚、色差反應(yīng)的更直觀；有類學(xué)者提出區(qū)分越精致結(jié)果越確切，而更多學(xué)者提出合理的原料特征分派梯度規(guī)范是十分須要的，過(guò)量細(xì)分是不合理的，區(qū)分越細(xì)，會(huì)使單元間有材質(zhì)的不同，計(jì)算值突然升高，進(jìn)而不利于操控全部計(jì)算本錢(qián)，而針對(duì)結(jié)果也沒(méi)有顯著變化。（本試驗(yàn)中，一切模型分別加載400N正中程度靜態(tài)載荷時(shí)，應(yīng)力整個(gè)集結(jié)于上頜骨正中周邊、眶底區(qū)、眶內(nèi)側(cè)壁、眶外側(cè)壁并且顴骨，都滿足常態(tài)頜骨生物力學(xué)結(jié)果[16]。M1-M5模型間采取LSD統(tǒng)計(jì)解析，檢查結(jié)果P＞0.05，認(rèn)定逐個(gè)模型間應(yīng)力值不存在差別;M6與其他五組模型間檢查結(jié)果P＜0.05，即存在明顯性差別，M6組劃為2種材質(zhì)即骨皮質(zhì)、骨松質(zhì)，闡明原料被過(guò)少區(qū)分時(shí)準(zhǔn)確度下落牽連運(yùn)算結(jié)果。在4、6、10、50、100梯度下的運(yùn)算結(jié)果差別不大，但梯度區(qū)分越細(xì)建模耗時(shí)越長(zhǎng)。雖然統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果標(biāo)明試驗(yàn)的五組中應(yīng)力值沒(méi)有差別，可是在五種模型中50、100梯度的模型在構(gòu)造精致度、色彩的層級(jí)、邊緣的清楚度等方面更佳，況且50梯度耗時(shí)比100梯度少，在保證結(jié)果準(zhǔn)確的條件下，盡也許實(shí)行運(yùn)算的簡(jiǎn)捷性。因而倡議選50梯度法創(chuàng)建上頜三維模型。

本試驗(yàn)尚存在絕對(duì)的缺陷：

①本試驗(yàn)創(chuàng)建的是無(wú)牙頜上頜三維模型，直接對(duì)上頜骨前部程度向施力，沒(méi)有加載在牙齒上的軸向力；

②本試驗(yàn)所選上頜骨來(lái)自一例標(biāo)本，之后需加大樣件施加解析。