牙颌三维有限元建模方法的研究进展

1、牙颌三维有限元建模方法的研究进展口腔颌面修复学杂志年月第”卷第期综述牙颌三维有限元建模方法的研究进展宰孙力李鸿波储冰峰【摘要】口腔生物力学的研究方法多种多样，随着计算机技术的发展，三维有限元分析的优越性越来越突出，建立牙颌组织有限元模型是口腔生物力学研究的基础，本文将回顾相关文献，对牙颌组织有限元建模研究进展作一综述。关键词：牙颌；三维有限元应力分析中国图书分类号】【文献标识码】【文章编号】（）有限元分析法是依托高速电子计算机而发展起来的一种理论力学方法。年，和几乎同时将其应用于口腔医学领域，随着计算机技术、三维影像技术的发展，三维有限元法已经成为口腔生物力学研究领域中一种有效的分析工具，建立

2、牙颌三维有限元模型是研究口腔生物力学的基础。建立牙颌三维有限元模型的方法根据采用模型的种类通常分为活体和标本模型两大类活体模型根据研究目的的不同有志愿者（正常牙列）【】、青少年错骀畸形患者【】牙体、牙列缺失及颌骨缺损患者等。标本模型主要有三种：尸体标本、颌骨标本包埋、应用软件制作成牙齿的三维立体几何模型。根据获得数字模型的方法可分为：（）切片、磨片法年，由美国国立医学图书馆发起，首次开展数字化虚拟人技术，我国于年开展了数字化虚拟人技术。以人体连续断面构建成数据集，可以逼真的建立人体骨骼、肌基金项目：国家自然科学基金（项目编号：）军队十一五课题（项目编号：）孙力解放军总医院老年口腔病科硕士生北京

3、李鸿波解放军总医院老年口腔病科副主任医师北京储冰峰通讯作者解放军总医院老年口腔病科主任医师教授北京肉、血管等器官组织的数字化模型，为医学教育和医学临床的应用提供必需的框架。应用有限元赋予模型生物力学材料特征，使其具有一定的运动和力学反应。直接对标本进行切片、磨片逐层测绘断层图像的外形坐标，这些方法属破坏性建模方法，出错率高，误差来源多。很难表达比较复杂细微的结构，二维模型的建立过程复杂，主观性大，耗费大量人力。（）扫描对模型进行扫描获得原始二维图像并录入到计算机内，用图形处理软件（如等）进行轮廓提取，将获取的数据输入三维有限元软件中，最终建立三维有限元模型【一，其分辨率为毫米级或亚毫米级。该方

4、法具有以下优点阻：扫描无创伤和破坏性，可用于活体的建模，断层影像获得的二维或三维信息全面、准确，并能显示较细致复杂的结构；每一断层的二维信息定位准确，且空间位置依次排列，原始数据和图像可重复使用。同时可以根据实际情况模拟牙列、牙周情况的多样性，此方法定位准确，精度、分辨率高，是目前牙颌三维有限元建模应用最广泛的方法。将技术和有限元方法有机地结合起来，应用于牙颌三维模型的重建，重现的牙颌形态、结构相似性好，可适应口腔组织结构的要求。等【使用螺旋建立正常颌骨及关节盘的的三维有限元模型，为其生物力学的研究提供数学模型基础。吴琴艳应用螺旋对人无牙万方数据骀下颌骨连续容积扫描，利用软件对扫描数据进行三维

5、重建，获得的三维图像可以被任意角度旋转、任选层面切割观察和测量；获得了下颌骨及下颌管细致逼真的三维影像。该方法的缺点是：由于物体的三维图形是由水平面上的二维图像叠加而成，所以导致层平面上的分辨率优于层与层间的分辨率，层厚和像素成为影响测量精度的主要问题，而且设备体积庞大，扫描时间长，皮肤投照剂量大。建模虽然使用了扫描产生的数据，但是并未真正深入到数据的本质。有学者研究开发了基于医学图像通讯标准存储格式的图像处理软件，此类软件不仅可以直接读取机输出的数据文件，存储在计算机中，而且还可以改善图像质量，采用高斯滤波处理图像以减少噪声，同时又采用梯度算子检测边缘。近年来利用三维影像重建技术和三维有限元

6、分析技术，以积零为整的思想为指导，建立了模块化、共享型的牙列三维有限元模型，以期对口腔医学提供一套重复利用率高、应用范围广的有限元模型库。它是经完善修改的实体模型为基础进行的，通过三维影像重建技术直接建模。采用此模型可在使用有限元方法时，尽可能避免繁琐的建模过程，使研究者可以把大量时间更多地投入模型的力学分析方面。（）核磁共振图像利用可以对颞下颌关节区建模。尤其对关节盘、关节韧带等软组织的影像显示的较更加准确和清晰。等】首次利用技术模拟了小开口状态下的关节区模型，但模型中忽略下颌骨和髁状突软骨的存在，为更高要求的力学分析研究造成了极大不便。（）扫描的原理和相同，它可以采集空间距离很近的平行断面

7、图像，对样本进行单个或者用数字方式对堆积的断面进行分析以及体积结构的重构，灰度等级可达。等剐使用扫描建立第二前磨牙的三维有限元模型，进行对比应力分析，证实了使用建模的准确性。王疆等【用对人完整上颔第一前磨牙扫描，将获得的影像通过软件进行拟合，初步获得三维模型。再将模型导入软件中进行精修和细化，形成口腔颌面修复学杂志年月第”卷第期有限元分析软件可识别的三维实体模型，最后将牙体组织的三维实体模型在软件中进行布尔运算，区分出釉质、牙本质及髓腔系统，并分别进行了网格划分，建立人上颌第一前磨牙牙冠的精细三维有限元模型。采用了同步加速器结构中的专用束线技术，使分辨率达到微米级线探测器非常小，对象面积小，分

8、辨率精度达到山，图像伪影问题大为改善。但敏感度需要进行配套的线探测器的设计，被扫描物体大小受到放置平台（一般可以为）及厚度限制。（）三维激光扫描三维激光扫描是利用三角法测量原理，通过获取激光在模型表面的反射光而获得模型的表面数据。三维激光扫描仪可以自动将不同角度的扫描点数据作出精确的定位。高速度及高精度地取得点资料，计算出整体对象的综合精度可达到以内，能够旋转，一次定位就可以量取全部的点。由于牙体不同部位具有不同的应力参数，此方法可在建立起来的模型中对任意牙齿的数据进行分离，模拟该牙齿的倾斜、缺失、移位、旋转和生成相应牙体不同部位的模型等。国内外学者将三维激光扫描仪应用到实验和临床研究中，建立

9、治疗前后的三维有限元模，】。三维激光扫描本身也存在着一些缺点：扫描产生的信息量很大，对计算机等硬件的要求高；扫描只能获得模型表面数据，对内部结构的信息不了解；在模型倒凹和倾斜度大的部位出现扫描盲区，需后期处理。牙颌三维有限元建模方法的发展趋势建模精度由于牙颌形态复杂，给建模工作带来较大难度，在建模时会作一定的简化处理。但简化过程同时意味着部分信息的丧失，可能对整个模型的几何和力学相似性造成影响。因此，提高数据的精度一直是国内外学者研究的目标。目前各种高精度的采样方法，如三维激光扫描、扫描、数据采集方法、软件的逐步应用和改进，为更精确的牙颌三维有限元模型建立注入了新活力。但是目前尚未见到采用不同

10、建模方法所建立的有限元模型精度的比较研究。建模速度常规建模过程中，首先生成万方数据口腔颌面修复学杂志年月第卷第期模型再转到有限元分析软件中，划分网格，最终生成有限元模型。整个步骤环节多、手工修改数据多、成本高、周期长、投入人力物力大。为提高建模的整体速度，国内外学者尝试直接利用数据建模，缩短了建模的时间，另外设计开发多种建模常用的子程序应用于建模过程中，可使一些重复性、机械性较高的工作效率大大提高。材料性质的铡定与生物仿真化与人体其它部位相比，牙颌系统的生物力学性质更为复杂多样，牙、颌骨、软骨、关节盘等软硬组织的力学性质相差甚远，而且至今没有统一的定论。这就对计算机提出了更高的计算和制图能力要

11、求。迄今为止，大多口腔领域有限元模拟都基于材料线弹性假设，其物理相似性有待进一步提高，这些组织的力学性质对有限元分析模型的分析结果都会产生重要影响，特别是建立具有非线性、各向异性等生物力学特性的三维有限元模型，完成静态到动态的转变，真正向生物仿真方向发展，最终真正达到为临床工作服务的目标。模型的个性化、智能化建立的有限元模型要尽可能的反映患者的实际情况，尤其是对于牙体、牙列以及颌骨缺损情况复杂的患者，要进行个性化建模。而且建立的模型具有较好的智能性和可编辑性。对模型参数化设置或进行较小的变动就能模拟临床实例，从而获得相应的分析结果。如下颌骨建模中牙齿的独立建模，增加或减少基牙，建立适用于修复学

12、不同缺牙类型的模型；添加种植体，选择种植体的位置和方向，建立适用于种植修复设计的模型等等，为选择修复设计、分析修复治疗效果提供指导。参考文献【】沈毅，孙坚。李军，等正常人上颌骨的生物力学分析【】组织与工程与重建外科杂志，（）：【】张君王旭霞，等埋伏牙牙周应力分布的三维有限元分析【】华西口腔医学杂志，（）：【】杨宝宽王林。严斌，等上颌牙列及方丝弓矫治器三维有限元模型的建立及验证口腔医学，（）：【季彤，铁英，王冬梅等下颌骨缺损胖骨重建的三维有限元应力分析【】华西口腔医学杂志，（）：一【】丁旭，孙应明，丁加根，等下颌单钢后牙游离端缺失种植固定桥三维有限元模型的建立【】口腔颌画修复学杂志，（）：一【】，：，（）：【】，（，（）：【】，】，（）：【】彭佳美，严斌，王林，等三维数字化牙颌模型在口腔正畸学中的应用【】中国实用口腔科杂志，（）：【】林川杜莉，沈颉飞建立三种桩核系统修复下颔第一磨牙的三维有限元模型【】实用口腔医学杂志，（）：【】牟雁东，樊瑜波，刘展不同基牙牙周状况下双侧游离缺损冠外附着体义齿的三维有限元分析