CBCT扫描结合逆向工程软件建立邻牙合嵌体洞型三维有限元模型探究.doc

CBCT扫描结合逆向工程软件建立邻牙合嵌体洞型三维有限元模型探究 摘要目的：建立下颌第一磨牙含邻牙合面（类）洞型三维有限元模型，为嵌体修复的生物力学分析奠定基础。方法：采用CBCT扫描的方法, Mimics软件读取断层影像数据，数据分割、三维重建，Geomagic软件补洞、精修，运用Pro/E软件制作洞型及嵌体，ANSYS workbench软件网格划分。结果：准确地建立了含有嵌体、牙釉质、牙本质、髓腔的邻牙合面（类）洞型三维有限元模型，所得模型具有良好的几何相似性与生物力学性能相似性。结论：应用CBCT扫描结合逆向工程软件Mimics、Geomagic，及造型软件Pro/E，有限元分析软件ANSYS workbench建模的方法快捷可行。 关键词邻牙合（类）洞型；三维有限元分析；嵌体 中图分类号R785文献标识码A文章编号1008-6455（2011）10-1562-04 Study on CBCT scan combined with reverse engineering software to establish three-dimensional finite element model of meiso-occlusal inlay cavity ZHANG Long1,LU Yi2,YANG Bo-song3,JIE De-gang4 (1.Department of Stomatology,First Affiliated Hospital of Medical College of Xian Jiaotong University,Xian 710061,Shaanxi,China;2.Department of Prosthodontics,Affiliated Stomatological Hospital of Xian Jiaotong University; 3.School of Mechanical Engineering, Xian Jiaotong University; 4.School of Materials Science and Engineering, Xian Jiaotong University） Abstract:ObjectiveTo establish three-dimensional finite element model of the mandibular first molar included meiso-occlusal (class)cavity for biomechanical analysis of the inlay repair established digital model. MethodsUsing CBCT scanning method, Mimics software to read tomography data, data segmentation, 3D reconstruction, Using Geomagic software to imitate filling-up hole and truing, utilizing Pro / E software to make the model of cavity and inlay, Using ANSYS workbench software to divide gridding.ResultsA three-dimensional finite element model of meiso-occlusal (class)cavity included inlay, enamel, dentinum, dental cavity was accurately established, these model had the favourable similarities of geometric and biomechanics. Conclusions The use of modeling approach of CBCT scan combined with reverse engineering software Mimics and Geomagic, modeling software Pro/E,the finite element analysis software ANSYS workbench was fast feasible. Key words:Meiso-occlusal(class)cavity; Three-dimensional finite element analysis; Inlay 近年来随着计算机运算速度和软件编程技术的高速发展，依靠先进计算机技术的有限元分析方法已被广泛应用于口腔医学领域。有限元研究结果准确与否的关键在于模型的建立, 建立有效地牙齿三维有限元模型是研究口腔生物力学的基础。传统的生成方法复杂,误差较大。目前学者们多数研究采用CT扫描、图像处理后建立三维有限元模型，这种建模方法准确、简单、实用1。CBCT又称锥束形CT（Cone Beam CT），20世纪90年代后期应用于口腔成像领域2，是专门针对口腔颌面部三维扫描而发明的，也称为牙科CT。CBCT应用于口腔三维成像以来，解决了常规二维透视成像技术所固有的影像重叠、失真等问题，与传统CT相比，用CBCT进行口腔三维成像具有检查剂量低、空间分辨率高等优点，使得建立牙齿三维有限元模型更精细成为可能。 随着粘结技术的不断进步及铸造水平的提高，嵌体修复技术又在临床上广泛开展，并已形成了牙体缺损的嵌体化修复趋势3-4。如何合理利用不同材料，达到防止牙体劈裂的效果，是学者们十分关注的问题5-6。本实验研究，通过CBCT扫描，采用了先进的Mimics10.01、Geomagic Studio12.0 逆向工程软件，Pro/E 5.0三维造型软件，有限元分析软件ANSYS workbench建立右侧下颌第一磨牙含邻牙合面（类）洞型嵌体修复的三维有限元模型，从而为后续不同形式嵌体修复模型的建立及应力分析提供有效平台。 1材料和方法 1.1 材料 1.1.1 样本的选择：选择牙列完整，咬合关系良好，无牙周疾患及牙槽骨吸收、牙冠形态及牙根长度正常成年男性志愿者1名。 1.1.2设备及软件：锥体束CT（CBCT）：韩国怡友pax-zenith3D DCT PRO型（西安交通大学附属口腔医院提供）；实验用计算机：（HP R43笔记本电脑，1.75GB内存，Intel(R) Core(TM)2 Duo CPU T55501.83GHz ）；实验用软件：Mimics 10.01（Materialise公司，比利时） Geomagic Studio 12.0（Raindrop公司，美国），PRO/E（Pro/ENGIEEER）5.0（Parametric technology Corporation，PTC公司，美国）Ansys13.0(Analysis System，美国)。 1.2 方法 1.2.1 CBCT扫描数据的获取：使被检者坐于CBCT椅位，戴入预先制作的咬合板，微张口，避免上下颌牙列接触。采用韩国怡友pax-zenith3D DCT PRO型锥束形CT（CBCT）扫描机进行扫描，在电压90KV、电流 7mA条件下，层厚间距0.2mm，探头沿患者头部360度扫描一周，共得到断层图像351张断层影像。获得的图像位图以医学图像通讯标准DICOM格式直接从CT机中导出，记录在稳定性良好的光盘上保存和使用。 1.2.2 图像分割并初步建模：将DICOM数据导入Mimics10.01软件中，通过import image命令将光盘上的数据导入，以右侧下颌第一磨牙为研究对象，经过筛选共得含有目标磨牙的133张断层图像，根据牙齿的不同组织所对应不同的灰度值，设定阈值，来拾取牙体、牙釉质及牙髓腔，通过蒙板工具（MASK），区域生长工具（REGION GROWING）及模板编辑（EDIT MASK）工具拾取具有相似灰度特征的目标区域进行数据分割拟合，将编辑好的蒙板运用3D模型工具（CACULATE 3D）计算生成3D模型，实体模型以STL(Standard Template Library)格式几何文件输出。 1.2.3 三维几何模型的精修：将牙体、牙本质、髓腔的图形文件导入Goemagic studio12.0软件进行模型的细化和精修。因Mimics输出的模型存在较多缺陷，需对之进行优化处理。采用下述方法：对于高度折叠区域，选中包含折叠区的部位进行删除，接着进行填洞（FILL HOLE）；对于毛刺部分，用砂纸(SANDPAPER)打磨，对于大范围小曲率的凹凸不平，则使用整体光滑（SMOOTH）命令。可以反复运用以上三种方法，直至所得模型表面平整光滑为止。用自动曲面（AUTO SURFACE）和拟合曲面（FIT SURFACE）进行拟合，并生成体，将以上曲面重构的牙体各部件的实体模型保存为IGES(The Initial Graphics Exchange Specification)格式文件。 1.2.4 牙齿各部分的实体建模及装配：将牙釉质、牙髓腔、整牙以IGES文件导入到PRO/E 5.0软件中，利用布尔运算得到包含牙釉质，牙本质和牙髓腔的组件，切换到组件模式下，将牙釉质和牙本质组装成组件，装配后得到其组装后的完整磨牙模型。此时的牙齿是一个可以区分牙釉质、牙本质、牙髓腔的牙齿实体模型。 1.2.5 洞型以及嵌体制作：装配后得到牙齿各部分完整磨牙模型，在 PRO/E 5.0中，组建模式下，在牙冠上选取三个高点定义一个基准平面，然后选取扫描切口命令，通过定义洞型的顶面、底面草绘图形状以及两草绘面之间的距离定义并生成出洞型。根据MO洞型的标准7，构建牙合面洞深2mm，侧壁外展约6，鸠尾峡为颊舌径的1/3，龈壁宽1mm，深1.5mm邻面箱型洞型。龈壁位于平齐颈缘线处，其龈壁应底平,髓壁与就位道一致,龈壁及髓壁相互垂直，各壁无倒凹， 洞缘预备成45洞斜面，洞斜面宽度1.5mm。 将全牙导入此装配界面，用默认坐标系定位使其和带洞型的全牙完全重合。将全牙用布尔减运算减去带洞型的全牙，生成嵌体。此嵌体默认是镶嵌在洞型里面的，将此装配体也保存为PRO/ E默认组件.asm格式，以待进一步有限元分析。 1.2.6 有限元模型网格的划分：将含洞型的嵌体牙分别导入到ANSYS workbench软件中，分析类型为结构分析（STRUCTURAL ANALYSIS）, 定义单元类型为SOLID 45,运用智能自由划分方法生成四面体单元网格。即可构成整个下颌第一磨牙三维有限元模型含邻牙合面洞（类）洞型嵌体的三维有限元模型。所得模型为后续的不同形式嵌体修复的生物力学分析提供数字模型。 1.2.7 材料参数、试验假设及边界条件：材料参数：牙齿结构的力学特性参数选自有关文献；牙本质：弹性模量18600 Mpa，泊松比0.318；牙釉质：弹性模量84100 Mpa，泊松比0.308；牙髓：弹性模量0.002 Mpa，泊松比0.459；实验假设：假设模型中的各材料和组织为连续、均质、各向同性的线弹性材料；边界条件：假定牙齿固定于牙槽骨内，各点在x、y、z三个轴的位移等于零10，受力时模型各界面均不产生相互滑动。 2实验结果 2.1 牙体实体几何模型：本研究成功建立的右下颌第一磨牙全长22.02mm（20.5mm）、冠长7.9mm (7.6mm)、根长12.1mm(12.9mm)、冠宽11.1mm（11.2mm）、冠厚10.6mm(10.5mm)。与王惠芸11报道（括号中）的下颌第一磨牙大致相符。图1为牙体三维实体模型。图2为得到的牙体各部件精修后的实体几何模型。 2.2MO洞型及嵌体模型：在 PRO/E 5.0中，利用布尔运算得到牙体各组件，整牙-扩展牙釉质=无牙髓腔牙的本质；无牙髓腔的牙本质-牙髓腔=牙本质（带牙髓腔的牙本质）；整牙-无牙髓腔牙本质=牙釉质，装配形成完整磨牙模型并生成MO洞型及嵌体(图3)。 2.3含邻牙合面洞洞型嵌体的三维有限元模型：ANSYS workbench有限元软件对模型进行网格划分。图4为有限元实体网格模型，该模型可以全方位旋转和缩放，嵌体、牙釉质、牙本质可以分离，可对其内部和外部任意方向进行观察，模型上可施加各种工况条件。采用文献参数中的材料属性对牙齿的各个部分进行赋予各自的属性。得到的节点总数为24646个，单元为13834。其中牙釉质节点为8463个，单元为4572，牙本质节点为14416，单元为8357个，牙嵌体节点为1767，单元为905个。 3讨论 有限元法是一种广泛应用于工程科学领域的数学方法。自1973年Thresher12首先将有限元法应用于口腔医学,有限元法已经成为口腔生物力学研究领域中一种有效分析工具。有限元的基本原理是将连续的结构分割为若干个有限大小的单元，以单元的组合体替代原结构，建立有效的数字模型，进行力学分析。其特点在于被分析的结构可以是任意形状和不同的组成材料等情况。一旦建立了模型，可分析研究各种不同的加载情况，对该模型各组成部分的应力变化情况，比以往其他应力测量方法全面、精确。此方法已被广泛的应用于口腔各个学科中13。 目前，有限元建模大多采用CT图像处理法。传统螺旋CT技术，是通过多层扫描后对所获得的一系列轴向断层图像进行三维叠加重建，相对而言，其所获得图像的纵向分辨率较低，比较容易产生阶梯状伪影，图像质量不够细腻。本实验所采用为CBCT扫描，CBCT专门应用于口腔科，也成为牙CT。其空间分辨率是螺旋CT的1.7倍，辐射量为其1/400，伪影少，特别是牙槽骨等小范围骨骼区域成像能力好，立体形态准确，能够较清晰地再现牙体结构，对颌骨细微的成像临床前景广14-15。实验获得0.2mm的真实数据断层图像，而目前造价好的64排螺旋CT扫描最低扫描断层层厚只能达到0.325mm,采用CBCT使建立起牙齿三维有限元模型更高精度可能提供了保证。使图像的数据化的有限元模型更具有可靠性与真实性。目前，CBCT扫描建模还未查阅到明确的文献报道。 本研究利用Geomagic studio逆行工程软件进行曲面优化，使得模型曲面更美观，也更接近牙齿的真实形状16。PROE软件是参数化建模的三维造型设计软件，具有优于同类软件产品的较强的实体造型和表面造型功能，可以构造非常复杂的模型17。使设计工作更快速、更经济准确完成所要进行的装配工作，而PROE强大的装配检查，还可以避免以往设计中容易产生的碰撞等不合理结构，使三维模型的设计更趋完美18。笔者采用在PRO/E中，将分离的各组分复位，这种方法保证各过程间无缝连接的基础上使复杂问题简单化，比以往的方法更简便快捷，建立的模型精度大大提高19。Ansys workbench软件作为新一代的CAE仿真平台,具有与诸多CAD软件(如Pro/e、UG、Solidworks等)无缝接口的功能,在这一基础上又提供了参数相互传递的功能,同时又有自身的变量输入功能20，和以往建模方法相比,提高了建模的效率,增加了模型的扩展性,为后期复杂的嵌体分析提供了平台。 牙釉质与牙本质属生理过渡型结构。使用CT扫描识别二者边界极为困难21，以往研究往往将二者视为一体。本研究采用CBCT扫描根据牙体结构，细化了牙釉质、牙本质，保存了髓腔，这些细化提高了模型的准确性和真实性，为后续的有限元分析建立了良好的基础。 参考文献 1李志华,陈天云,刘剑,等.上颌第一磨牙的三维有限元模型的建立J.实用临床医学,2001,2(1):31-33. 2Scarfe WC,FarmanAG,Sukovic 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