探討人顳下頜關(guān)節(jié)三維有限元的實體建模方法

1、    探討人顳下頜關(guān)節(jié)三維有限元的實體建模方法        【摘要】 目的：探討由活體直接獲得人顳下頜關(guān)節(jié)（包括下頜骨、關(guān)節(jié)盤及關(guān)節(jié)結(jié)節(jié)）的三維影像以建立其三維有限元實體模型的方法。材料與方法：利用Auto-CAD軟件及螺旋CT掃描技術(shù)與三維有限元分析方法相結(jié)合，將CT掃描像轉(zhuǎn)換為可用于有限元實體建模的數(shù)字像。結(jié)果：三維有限元實體模型與螺旋CT三維重建影像比較，幾何相似性與還原性良好，材料構(gòu)造合理，并由此建立了理想的人顳下頜關(guān)節(jié)三維有限元模型。結(jié)論：在臨床實踐中，借助于螺

2、旋CT掃描及Auto-CAD軟件在活體建立人顳下頜關(guān)節(jié)三維有限元模型是切實可行的，結(jié)果是滿意的。關(guān)鍵詞：螺旋CT；Auto-CAD技術(shù)；有限元方法；三維影像重建；三維有限元實體建模中號：R782文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3761(2000)01-0026-03The investigation of modeling three-dimensional finite element solid of human temporomandibular jointHU KaiLIU Hong-chenFANG Jing（Department of Stomatology, General H

3、ospital of PLA, Beijing, 100853）【Abstract】 Objective：To obtain three-dimensional (3-D) image of human temporomandibular joint ( TMJ ) including the mandible, disc and articular tubercle directly from in vivo in order to develop its 3-D finite element model. Materials and Methods：Combining spiral CT

4、scanning technology with 3-D finite element method, together with Auto-CAD software, the CT tomographic scanning image of TMJ was changed to the numerical image used to finite element solid modeling. Results：Compared with 3-D image reconstructed by spiral CT, geometric similarity and shape restorati

5、on of 3-D finite element solid model were good. Its material structure was reasonable, also. So, an ideal 3-D finite element model of human TMJ was constructed. Conclusion：The method to develop 3-D finite element model of human TMJ in vivo by spiral CT scanning and Auto-CAD technology was feasible i

6、n clinical practice, and the results were satisfying.Key words：spiral CT; Auto-CAD technology; finite element method; three-dimensional image reconstructing; three-dimensional finite element solid modeling能夠獲得可用于有限元實體建模的三維重建影像，一直是致力于有限元理論分析的國內(nèi)外學(xué)者感興趣的課題。已有學(xué)者采用切片法和CT法在尸體的基礎(chǔ)上建立了下頜骨或顳下頜關(guān)節(jié)（temporomandibu

7、lar joint，TMJ）的三維有限元模型并進行了相應(yīng)的應(yīng)力分析1,2。隨著TMJ三維影像重建技術(shù)的應(yīng)用3,4，對采用無損傷的CT掃描法對活體下頜骨進行三維影像重建及有限元實體建模，也開展了頗有意義的探討5。但是，對于在活體基礎(chǔ)上重建完整的TMJ（包括下頜骨、關(guān)節(jié)盤及關(guān)節(jié)結(jié)節(jié)）三維影像，并進行有限元三維建模，國內(nèi)外尚未見報道。本研究利用TMJ螺旋CT三維影像重建技術(shù)與三維有限元分析方法相結(jié)合，借助于Auto-CAD技術(shù)，獲得了人顳下頜關(guān)節(jié)的三維影像，并由此建立了其三維有限元模型，以期為TMJ生物力學(xué)研究在臨床中的應(yīng)用提供參考和依據(jù)。1 材料與方法1.1 TMJ螺旋CT掃描和三維影像重建選擇牙

8、列完整，咬合關(guān)系正常，無咬合障礙，后牙為中性，無任何TMJ彈響、疼痛、張口受限和下頜脫位等顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病癥狀和體征的成年健康女性志愿者1例作為建模素材。采用Philip Tomoscan SR 7000 型CT 掃描機及Easy Vision CT/MR R2 工作站進行TMJ和下頜骨螺旋掃描及三維像重建和顯示。螺旋掃描參數(shù)為螺旋層厚3mm，床進速度 3mm/s，從髁狀突到頦部連續(xù)橫斷掃描36層，重建薄層厚度1.5mm，選擇骨組織窗觀察斷層和重建時的下頜骨。1.2 CT掃描像轉(zhuǎn)換為像文件選用Agfa Arcus II型掃描儀處理TMJ CT斷層平片，將CT掃描像轉(zhuǎn)化成計算機數(shù)字像。根據(jù)CT二

9、維平片像的灰度值，由Adobe Photoshop 4.0像處理軟件分離出皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨，以確定下頜骨各成分的邊界，并將此邊界及參考坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為Auto-CAD 格式文件。在Auto-CAD中，通過將形及坐標(biāo)平移、按比例縮放，使位坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為真實坐標(biāo)，并輸出為DXF格式文件，見1所示。1CT 掃描像的邊界數(shù)字化轉(zhuǎn)換A.CT 二維斷層平片 B.皮質(zhì)骨松質(zhì)骨的分離C.邊界的數(shù)字化提取1.3 TMJ三維有限元實體模型的建立采用ANSYS 5.3有限元分析軟件進行TMJ的三維影像重建和實體建模。通過自編程序?qū)⑦吔缱鴺?biāo)直接寫為ANSYS命令文件。在ANSYS中，通過實體建模方法，將邊界線逐步生成下頜骨各表面

10、及實體。為簡化起見，我們將下頜骨按解剖形態(tài)分為多個實體分別建模，每個實體之間通過共同面連接，因為在相對簡單的實體上剖分網(wǎng)格比較容易。對于TMJ中關(guān)節(jié)盤的模擬，根據(jù)以往解剖研究發(fā)現(xiàn)6，在關(guān)節(jié)結(jié)節(jié)與髁狀突之間建立了平均2mm厚的實體單元。另外，在髁狀突表面設(shè)計了覆蓋著平均0.2mm厚的關(guān)節(jié)軟骨層。借助ANSYS 5.3前處理程序軟件，選用四面體單元自由劃分網(wǎng)格，建立了1967個節(jié)點、7618個單元的人TMJ三維有限元模型。2 結(jié)果下頜骨的螺旋CT三維重建影像細致逼真，同時，可以被任意旋轉(zhuǎn)，可以從任何感興趣的角度和方式來觀察，再加上掃描損失信息和數(shù)據(jù)量少，可得到下頜骨鮮明、直觀和整體的印象。有限元模

11、型的下頜骨三維重建影像具有良好的幾何構(gòu)造，下頜骨各部位形態(tài)從不同角度觀察與螺旋CT重建影像近似，形態(tài)還原基本相似，重建效果比較滿意，而且亦可被任意旋轉(zhuǎn)，獲取詳細、滿意的下頜骨三維信息。建立的TMJ三維有限元實體模型包括下頜骨、關(guān)節(jié)盤及關(guān)節(jié)結(jié)節(jié)三部分，形態(tài)細致逼真，關(guān)節(jié)盤和關(guān)節(jié)結(jié)節(jié)的模擬重建形態(tài)亦比較滿意，TMJ的材料結(jié)構(gòu)組成分為皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、髁狀突軟骨層和關(guān)節(jié)盤，與活體TMJ基本一致，見2。由此形成了理想滿意的TMJ三維有限元模型，如3所示。2 人顳下頜關(guān)節(jié)三維有限元模型中構(gòu)造材料分布的模擬情況不同顏色代表不同的材料成分其中1 為松質(zhì)骨2 為皮質(zhì)骨3 為關(guān)節(jié)盤4 為關(guān)節(jié)軟骨3 人顳下頜關(guān)節(jié)包

12、括下頜骨關(guān)節(jié)盤及關(guān)節(jié)結(jié)節(jié)的三維有限元模型3 討論有限元模型與原物的幾何相似性是生物力學(xué)研究的基礎(chǔ)和重點，建立的有限元模型要求具有滿意的形態(tài)還原性。以往采用的切片法不僅因組織丟失而誤差較大，而且不適用于活體1,7。CT三維影像重建技術(shù)的應(yīng)用為在活體重建有限元模型并獲得理想、精確的生物力學(xué)研究結(jié)果提供了可能5。電子計算機與放射診斷學(xué)的結(jié)合為醫(yī)學(xué)影像學(xué)的發(fā)展開辟了廣闊的空間。近幾年，螺旋CT的出現(xiàn)更是一個重大的飛躍。螺旋CT指X線焦點相對病人做螺旋運動，容積式采集數(shù)據(jù)的CT。其X線源的旋轉(zhuǎn)與病人的平移同時進行，可實現(xiàn)快速掃描和回顧成像。螺旋CT獲得的影像質(zhì)量優(yōu)于常規(guī)CT或與常規(guī)CT相當(dāng)，但仍避免不了

13、包括階梯偽影在內(nèi)的一些奇怪的偽影的出現(xiàn)，即使重建間隔足夠小，只要物體的橫斷面縱向有所不同，螺旋線將更顯現(xiàn)8。雖然如此，螺旋CT因其獲得的容積掃描數(shù)據(jù)和任何部位可進行多斷面或三維像重建等顯著優(yōu)越性，而具有像處理快捷、存貯原始數(shù)據(jù)豐富、重建影像質(zhì)量很好的特點，可獲得重建影像的良好幾何相似形，從而拓寬了CT的應(yīng)用范圍及價值。三維有限元模型，首先是建立理想滿意的幾何形態(tài)的三維實體模型及網(wǎng)格剖分。由實體模型獲得適合有限元分析要求的邊緣數(shù)字化描述，即為離散化過程。網(wǎng)格分割越細，模型的幾何形態(tài)越接近原物，就能得到越來越接近精確的結(jié)果1。但網(wǎng)格太密會消耗大量的時間和精力,造成不必要的浪費。另外，不同的有限元實

14、體建模方法對其模型幾何相似性也可產(chǎn)生影響。CT法建模與以往采用的切片法相比較，具有適用于活體等諸多顯著優(yōu)點，見表1。但該方法亦對模型幾何相似性存在一定的影響，包括掃描及重建丟失部分信息和數(shù)據(jù)、松質(zhì)骨定位不易精確以及建模時各層面之間坐標(biāo)定位的準(zhǔn)確性。以上三點尚需今后在CT建模時加以重視和改進。表1有限元模型生成方法的比較方法優(yōu)點缺點塑料包埋下頜骨連續(xù)切片(切片法)準(zhǔn)確的松質(zhì)骨分布，定位以及橫截面幾何形狀由于切片丟失了骨組織；薄切片獲得相同厚度有困難；CT掃描獲得的邊緣數(shù)字化（CT法）準(zhǔn)確的橫截面幾何形狀；數(shù)字化準(zhǔn)確、迅捷；易于標(biāo)本保存標(biāo)本易損壞；標(biāo)本制備和幾何形狀數(shù)字化需要艱苦的努力和大量的時間

15、松質(zhì)骨定位不準(zhǔn)確；需要CT掃描機本研究將CT掃描與Auto-CAD技術(shù)相結(jié)合，由CT二維平片轉(zhuǎn)換為有限元分析軟件可利用的像文件，以進行三維分割。在強大的ANSYS 5.3有限元程序軟件的轉(zhuǎn)換和處理下，形成并模擬了正常人TMJ的三維有限元模型。由于網(wǎng)格面線條的存在，像缺乏真實感，通過不同材質(zhì)和燈光環(huán)境的加工，得到了實體化TMJ模型，并可被任意旋轉(zhuǎn)，自由地移去影像上的某一部分從任何感興趣的角度和方式來進行觀察。本研究形成的TMJ有限元模型的三維重建影像幾何形態(tài)逼真、像還原性良好，材料構(gòu)造合理，能較真實地代表原物。由此可見，從CT片的二維像到TMJ三維有限元重建以及實體化的系統(tǒng)方法是切實可行的，可以

16、獲得基本滿意的三維重建TMJ影像及有限元實體模型。建立正確、完善的有限元模型是有限元應(yīng)力分析的基礎(chǔ)，是全面認識TMJ生物力學(xué)行為的第一步，理想的模型為進一步的研究提供可靠手段和方法。本研究利用 TMJ 螺旋CT三維影像重建技術(shù)與三維有限元分析方法相結(jié)合，在活體上建立了一種可進一步實驗分析和臨床應(yīng)用的TMJ三維有限元模型，為TMJ生物力學(xué)研究和臨床應(yīng)用提供了研究手段和依據(jù)。本課題為國家自然科學(xué)基金資助項目 批準(zhǔn)號：39900165作者單位：胡凱（解放軍總醫(yī)院口腔科 北京100853）劉洪臣（解放軍總醫(yī)院口腔科 北京100853）方競（北京大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)系 北京100871）榮起國（北京大學(xué)力

17、學(xué)與工程科學(xué)系 北京100871）葉惠義（解放軍總醫(yī)院放射科 北京100853）參考文獻1，Hart PT, Hennebel VV, Thongpreda N：Modeling the biomechanics of the mandible：a three-dimensional finite element study. J J Biomech, 1992,25:261.2，Tanaka E, Tanne K,Sakuda M：A three-dimensional finite element model of the mandible including the TMJ and it

18、s application to stress analysis in the TMJ during clenching,J Med Eng Phys, 1994,16:316. 3，Kahl Nieke B, Fischbach R, Gerlach KL：CT analysis of temporomandibular joint state in children 5 years after functional treatment of condylar fractures. J Int J Oral Maxillofac Surg, 1994,23:332.4，劉洪臣 劉寧 吳高洪等。 顳頜關(guān)節(jié)CT像計算機三維重建方法的探討。J現(xiàn)代口腔醫(yī)學(xué)雜志。 1995,9:17.5，胡凱，周繼林，洪民等。建立模擬功能狀態(tài)下的下頜骨三維有限元模型。 J口腔頜面外科雜志， 1997,7:183.6，Hansson T, Nordstrom B. Thickness of the soft tissue layers and articular disk in temporomandibular joints with deviations in form. J Acta Odontol Scand, 1977,35:281.7，Tanne K, Tanak