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 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)過外表解決、體網(wǎng)格化，按五種梯度（4、6、10、50、100）對原料參數(shù)進行分派，和二分法創(chuàng)建的上頜骨三維有限元模型，在Abaqus6.12軟件中進行力學(xué)本質(zhì)的有限元解析，尋找準確性和運算速率兼?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組中創(chuàng)建的上頜骨三維有限元模型的梯度越細分，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，五種梯度的附材質(zhì)法所得出的應(yīng)力值間均無統(tǒng)計學(xué)差別，與二分法均有統(tǒng)計學(xué)差別；需要五種不同梯度在相近計算機配置下，同組CBCT信息下的有限元模型須要的時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，二分法在計算中會顯現(xiàn)偏差；五種梯度中運算結(jié)果差別不大，但參考到模型的精致及運算效益倡議采取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口腔生物力學(xué)的研發(fā)，高效、確切創(chuàng)建個性化三維有限元解析模型是要害[1]。因為上頜骨不規(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)力解析場景的如實創(chuàng)建，同時上頜骨的異質(zhì)性難以完全實行等，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)借用一例上頜無牙頜患者的CBCT信息創(chuàng)建上頜骨三維數(shù)字模型，對照不同原料參數(shù)分派方式對有限元模型的力學(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)，同時更為該法對上頜骨的生物力學(xué)特征進一步研發(fā)打下根基。

資料和方式

一、試驗?zāi)繕?/p>

本項研發(fā)的時間為2015年1月至2015年7月，研發(fā)通過山中醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院倫理委員會審批[核準號：【2015】倫審字（Y10）號]。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（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，簽定知情認同書。

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，對領(lǐng)域進行分隔，設(shè)定組織的閾值（欠明確）提煉骨組織（欠明確）。通過模型優(yōu)化借用逆向工程軟件GeomagicStudio12.0軟件（Geomagic，美國）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、試驗方式

1.試驗組：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}。將此公式填寫到 Mimics 的彈性模量計算公式格內(nèi)，泊松比為 0.3 [8] ，分別選取 4、6、10、50、100 個梯度區(qū)分原料參數(shù)，形成的 M1，M2，M3，M4，M5（圖2）。

2.對比組：二分法

人工手動操控辨別出2個不同的領(lǐng)域。手動選擇上頜骨最外圍的單元劃定為皮質(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，選擇上頜骨中央面左右雙側(cè)的連線成為觀測路徑，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、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、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)計算方式獲得計算結(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個應(yīng)力集中部位分別提煉應(yīng)力及位移峰值，進行較為，因此緊隨梯度的漸漸細分，應(yīng)力峰值和最大位移趨于靠近，變異水平越來越少（表1、2）。

經(jīng)Fisher's Least Significant Difference（LSD）法進行組間多重較為，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)計學(xué)差別（P＜0.05），M1-M5之間均無統(tǒng)計學(xué)差別（P＞0.05），可認定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)建所用時間

在6組模型創(chuàng)建所耗時間上的較為，緊隨梯度的漸漸細分，時間也依序遞增（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特征，通過計算機對二維數(shù)字斷層圖片序列生成的三維體信息進行解決，將其變換為擁有直觀立體成效的圖片來展現(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行定性，定量解析的技術(shù)?，F(xiàn)在對CT信息的應(yīng)用，已不單僅停頓在借用MIMICS，BONEMAT[10]，AMAB[11]等計算機軟件，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個要害環(huán)節(jié)，牽連三維有限元解析的計算流程及其結(jié)果。因此1個優(yōu)良的原料特征分派計劃既可以變短時間，又能節(jié)約計算的本錢，同時保證結(jié)果的準確性和有效性。

上頜骨的解剖構(gòu)造較為高難，用1個同質(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)系式來計算、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。本研發(fā)根據(jù)骨骼的抱負化模型理論，根據(jù)原料的不同特征將試驗組劃為5組。對比組為傳統(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)。但實則松質(zhì)骨和密質(zhì)骨是漸漸過渡的，兩者之間沒有明確的邊界，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，如此會使模仿的骨骼失真進一步牽連結(jié)果，其次更不可適合個性化有限元研發(fā)的需要。

以上的理論全是把骨骼當(dāng)做各向同質(zhì)的原料來研發(fā)的，但實則骨骼內(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個梯度內(nèi)的彈性模量，即為原料特征，試驗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越細分，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，過量細分是不合理的，區(qū)分越細，會使單元間有材質(zhì)的不同，計算值突然升高，進而不利于操控全部計算本錢，而針對結(jié)果也沒有顯著變化。（本試驗中，一切模型分別加載400N正中程度靜態(tài)載荷時，應(yīng)力整個集結(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)計解析，檢查結(jié)果P＞0.05，認定逐個模型間應(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)，闡明原料被過少區(qū)分時準確度下落牽連運算結(jié)果。在4、6、10、50、100梯度下的運算結(jié)果差別不大，但梯度區(qū)分越細建模耗時越長。雖然統(tǒng)計學(xué)結(jié)果標明試驗的五組中應(yīng)力值沒有差別，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、邊緣的清楚度等方面更佳，況且50梯度耗時比100梯度少，在保證結(jié)果準確的條件下，盡也許實行運算的簡捷性。因而倡議選50梯度法創(chuàng)建上頜三維模型。

本試驗尚存在絕對的缺陷：

①本試驗創(chuàng)建的是無牙頜上頜三維模型，直接對上頜骨前部程度向施力，沒有加載在牙齒上的軸向力；

②本試驗所選上頜骨來自一例標本，之后需加大樣件施加解析。