下颌骨截骨术【下颌骨截骨整形手术三维有限元模型的建立】

　　[摘要]目的:为研究下颌骨截骨整形手术的生物力学原理,建立了生物力学相似性较高的无牙下颌骨和颞下颌关节三维有限元模型。方法:以颅颌面系统正常的女性青年志愿者为标本,经过薄层CT断层扫描得到DICOM格式文件,经Mimics和Ansys软件建模,采用只受拉的Link10单元模拟下颌韧带和咀嚼肌约束,采用接触单元对关节窝进行约束。结果:建立了包括颞下颌关节、肌肉和韧带的正常下颌骨三维有限元模型。可根据实验设计建立实验分模型。结论:提高了模型的相似性,为进一步研究下颌角截骨整形生物力学奠定了基础。
　　[关键词]下颌角截骨整形;三维有限元;生物力学
　　[中图分类号]R782.2[文献标识码]A[文章编号]1008-6455(2010)03-0344-04
　　
　　Establishment of three-dimensional finite element model for mandibular angle osteotomy
　　ZHANG Jin1, LUO Qi 1, WANG Jing-peng1, LIU Da-lie1, HUANG Shi-qing2
　　(1.Department of Plastic Surgery,Zhujiang Hospital,the South Medical University, Guangzhou 510282,Guangdong,China;2.Institute of Applied Mechanics,Jinan University, Guangzhou 510632, Guangdong,China)
　　
　　Abstract:ObjectiveTo study the biomechanics of mandibular angle osteotomy, a more precise method for establishment of the three-dimensional (3D) finite element model of edentulous mandible and Temporomandibular Joint (TMJ) is presented.MethodsThe CT images of a young female volunteer were analyzed and managed with DICOM standard and Mimics software. Tension-only Link10 element and contact element were both used for boundary condition in ANSYS software.ResultsA whole 3D finite element model comprising the mandible, TMJ, muscles and ligaments was established. Conclusion A 3D finite element model of mandible and TMJ with highly biomechanical similarity was established for the further study of the biomechanics in the mandibular angle osteotomy.
　　Key words: mandibular angle osteotomy; 3D finite element method; biomechanics.
　　
　　随着计算机技术不断进步,有限元法逐渐成为力学研究中最为重要的分析方法之一,并广泛应用于工程设计制造领域,近年来在生物力学研究中也得到广泛的应用。由于生物体在几何形状和材料性质上的特殊性和复杂性,快速、准确地建立生物组织结构的三维有限元模型是生物力学有限元研究的难题,同时也是进行三维有限元分析的基础。以往的生物力学研究由于有限元模型建立手段的限制,只能采取手工或者多种软件结合方式针对单一组织结构建立具有共性的有限元模型。随着医学影像技术的进步计算机软件系统的发展,使用统一标准的数字化影像文件结合单一软件建立三维有限元模型成为可能。本文应用薄层CT扫描技术,采用DICOM标准格式导入Mimics软件处理,最终应用Ansys有限元软件快速有效建成无牙下颌骨和TMJ三维有限元模型。
　　
　　1材料和方法
　　1.1 样本来源:选择颅颌系统发育正常的健康女性青年志愿者,I类磨牙关系,牙周健康,无TMJ 疾患。
　　1.2 试验设备:①CT扫描机:采用飞利浦Brilliance 64排螺旋CT 扫描机;②试验所用计算机系统硬件配置:CPU Core 2 双核2.8G,4G DDR2内存,640G硬盘;③试验用计算机操作系统:Windows XP Professional Sp3;④试验用软件:Mimics12.0(Materialise"s Interactive Medical Image Control System):Ansys12.0(Analysis System)。
　　1.3 方法
　　1.3.1 CT扫描:头颅固定架对患者头颅进行固定,进行颅颌面(全颅)的轴向断层扫描,连续无间隔扫描。扫描基准线平行于眶-耳平面。层厚0.67mm,扫描参数为120kV,230mas,扫描矩阵512×512。颞下颌关节区及下颌骨连续进行170 层扫描。所得图像经联机工作站处理DICOM格式数据文件,刻录存盘。
　　1.3.2 CT图像的处理:CT扫描所获得DICOM格式数据文件导入Mimics12.0软件。根据实验设计要求通过对蒙罩(Mask)的分割(segementation)操作,在CT图像上确定需要进行三维成像的组织结构边界,提取出不含下牙列的下颌骨和颞下颌关节窝,设定参数后重建三维图像。得到的三维模型是原始三维表面模型,表面粗糙,直接利用其进行表面网格划分将会产生单元形状畸形,单元数量过多等问题,影响到后续力学计算的速度和结果分析精确性。因此必须利用Mimics的Remesh模块对三维模型的表面进行平滑(smooth),见图1。再通过Remesh模块对模型表面的三角形面片数量和质量进行优化。表面三角形数量由126178减少到18008个,且三角形底边与高之比均大于0.3,符合有限元分析要求,见图2。
　　1.4 三维有限元模型建立:将优化好的表面网格输出为Ansys12.0软件可以识别的Ansys element文件,在Ansys12.0导入该文件,选择10节点四面体单元Solid92进行三维网格划分,生成实体模型,共生成161788单元189057节点。
　　材料力学参数:下颌骨的皮质骨、松质骨及其他组织(髁突软骨、关节盘等)均为各向同性、均匀连续的线弹性材料。骨组织力学参数由下颌骨CT值计算得出。利用颌骨CT值、表观密度和骨弹性模量之间的对应关系,根据构成骨的像素的灰度值(CT值)来进行插值计算,得到此骨的表观密度,并由表观密度推算出它的弹性模量[1]。
　　在本模型中,骨表观密度由CT值(Hounsfield)导出。根据以下公式计算出单元的表观密度 :
　　骨组织弹性模量由以下经验公式计算:
　　由已知水的CT值和表观密度,皮质骨平均CT值和表观密度,取已知皮质骨最大弹性模量,公式(2)简化为:
　　则得,k =4249 GPa(g/cm3)-3,
　　由于不同部位下颌骨皮质骨和松质骨的CT值有一定变化,所以测量下颌骨五个部位,求得皮质骨最大CT值平均为1600HU,松质骨最大CT值平均为600HU,导入公式(1)和(3)计算出该模型皮质骨和松质骨的弹性模量分别为14963.78 MPa和1179.75MPa。
　　将Ansys前处理模块中生成的实体模型导回,在Mimics的FEA模块中根据下颌骨各单元CT值分别赋材料性质。
　　1.5 模型的边界约束设计:对咀嚼肌、下颌韧带采用杆单元模拟其约束,杆单元材料定义为只受拉不受压的非线性材料,单元横截面积与各自模拟的肌肉和韧带截面积相同。根据Spronsen等[5-6]的研究结果获得咀嚼肌的有关参数(见表1)。参考周学军等[7]的实验结果,获得关节韧带的参数(表2),并采用“面-面接触对” 模拟牙合面和关节窝之间的连接。
　　
　　2结果
　　建立了一个包括下颌骨、颞下颌关节、肌肉和韧带的下颌骨三维有限元总体模型,可根据实验不同需要调用,见图3。
　　
　　3讨论
　　与传统实验性应力分析相比,有限元技术具有更多的优点。但有限元方法分析结果受诸多因素的影响。例如:模型的相似性,单元划分的粗细程度,载荷情况及边界条件与真实情况的差异等,均影响分析结果的精确性[8]。提高有限元分析结果的可靠性,模型精确程度及边界条件设置等都是十分重要的。由于牙颌组织中的牙齿、牙周膜、牙槽骨、颌骨以及修复体的结构外形多样性、不规则性、受力的复杂性,如何准确获取上述结构的几何形态并将其计算机数字化,建立完整准确的下颌骨三维有限元模型是有限元分析能否实现的关键。
　　生物体三维有限元建模方法经历了数代演进,主要包括:①磨片、切片法[9-10];②三维测量法[11-12];③CT图像处理法;④DICOM数据直接建模法等[13]。磨片、切片法是破坏性建模方法并且磨切片厚度难以控制,图像的拍摄处理,边缘提取等环节都可能产生误差,因此该方法目前很少采用。三维扫描测量的方法进行数据采集的成本高,数据采集后处理的时间长,生成CAD模型后还要进行数据转换后才能供有限元建模使用,且测量只能得到表面数据,不能够区分结构材料性质的变化,更适用于实物的测量反求。CT图像处理方法需要人工把CT胶片上的每一张图像扫描转换为计算机能识别的位图格式,并且使用图像处理软件中人工定位配准。不仅需要花费大量的人力、物力,而且在通过胶片扫描传递数据的过程中容易丢失很多信息;配准精度也直接影响着所建立模型精确性[13-15]。
　　本实验采用DICOM数据直接建模法其过程为:①CT扫描输出DICOM格式数据文件;②DICOM数据的读入专用软件。分割图像,生成3D模型,优化表面网格;③通过与有限元分析软件的良好的数据接口,直接导入有限元分析软件前处理模块生成体网格;④根据各单元的CT值给单元赋材料性质;⑤最后将赋完材料性质的实体导入有限元分析软件进行装配,完成建模。
　　DICOM格式数据文件直接建模,可以直接读取数据并处理,避免反复的数据导入、导出,文件格式的转换造成的数据失真或丢失,大大提高了模型的精确度。本研究将DICOM数据直接导入Mimics软件直接生成三维模型,再通过Ansys element文件接口将模型导入Ansys12.0,由表面单元直接生成体单元,避免了过去由面生成体以后再划分体单元,造成的体单元质量下降。利用DICOM文件中包含的CT值信息,根据模型每个单元密度赋材料性质,使数据得到最大限度的利用。避免了过去建模中将皮质骨和松质骨进行分割,分别建模的繁琐,同时极大提高了模型的精度。
　　三维有限元模型的几何相似性、单元的大小、形状、数目、载荷情况、边界条件与真实情况的差异等,均影响应力分析结果。目前根据不同研究需要已建立的下颌骨三维有限元模型[7, 16-18],边界约束设计也各不相同,周学军等[7]考虑到肌肉的柔索性质,即只能限制物体沿着柔索伸长方向的运动,而不能限制物体在其他方向的运动[19],采用缆索元模拟肌肉约束,更符合分析下颌骨经矫形力作用下的受力情况。史真等建立了下颌牵张成骨三维有限元模型[20],李勇等正常人下颌升支矢状截骨术的三维有限元模型[21]李慧超建立了下颌角整形手术术前术后模型[22],Frivo等建立了单侧TMJ有限元模型[23]。柳大烈等建立了咬肌牵动的颧骨复合体三维有限元模型用于研究颧骨缩小整形手术的生物力学[24]。因此,本实验在ANSYS软件中采用只受拉的Link10单元模拟咀嚼肌及韧带的约束。此外,与以往主要研究咬合力的有限元模型不同的是,在研究下颌角整形手术时,必须考虑颞下颌关节及其韧带作用,本实验在模拟嚼肌、颞肌、翼内肌和翼外肌约束的同时,模拟了颞下颌关节韧带包括颞下颌韧带、茎突下颌韧带、蝶下颌韧带对颞下颌关节的约束,提高了模型的生物和力学相似性。为进一步研究下颌截骨整形手术提供了基础。
　　下颌角截骨整形的一种方法是通过沿截骨线进行钻孔后凿断。目前用有限元法模拟下颌截骨整形手术的研究还鲜见报道。Remmler等[25]用有限元法建立预测模型,进行颅面部牵张成骨的术前分析,认为有限元法能以数学形式反映颅面组织的材料特征、物理特征和反应特性,可以模拟多种外科手术、生理活动和头部外伤。利用本模型的下一步实验,拟通过布尔运算模拟下颌角截骨,在下颌角部根据实验手术设计改变工况和边界条件,加载冲击载荷,模拟手术操作过程,分析不同条件下下颌骨及相关结构的生物力学变化。同时还可以模拟不同体积的下颌角骨组织截除后正常咬合时和下颌骨受到撞击时生物力学性能的变化。
　　需要强调的一点是,由于有限元需要对复杂的实体中的一些次要结构和因素进行简化,再加上一些实验条件假设,所以,有限元的计算结果的绝对值很难代表人体的真实值,而且生物体的个体差异也无法考虑到实验模型中。目前尚无法达到完全模拟复杂的人体生物力学环境建立计算模型。
　　
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　　[收稿日期]2009-11-13[修回日期]2010-02-05
　　编辑/张惠娟