借用原料参数创建上颌骨三维有限元模型的初步讨论

目标 讨论借用CBCT灰度值附材质法创建上颌骨三维有限元模型的方式及原料参数梯度区分的合感性，为高效创建个性化上颌骨三维有限元模型供应根据。

方式 借用1例患者颌骨的锥形束CT信息，借用Mimics17.0软件，经过外表解决、体网格化，按五种梯度（4、6、10、50、100）对原料参数进行分派，和二分法创建的上颌骨三维有限元模型，在Abaqus6.12软件中进行力学本质的有限元解析，寻找准确性和运算速率兼备的原料特征分派梯度值。

结果 在五种不同梯度的试验组中创建的上颌骨三维有限元模型的梯度越细分，模型一样越精致、色彩品种越多、不同色彩边缘越清楚；在上颌骨正中程度加载时，五种梯度的附材质法所得出的应力值间均无统计学差别，与二分法均有统计学差别；需要五种不同梯度在相近计算机配置下，同组CBCT信息下的有限元模型须要的时间紧随梯度的加大而延续。

论断 在上颌骨正中程度加载时，二分法在计算中会显现偏差；五种梯度中运算结果差别不大，但参考到模型的精致及运算效益倡议采取50梯度建模。

【要害词】CBCT 上颌骨 有限元模型 原料参数

有限元方式已全面用来口腔生物力学的研发，高效、确切创建个性化三维有限元解析模型是要害[1]。因为上颌骨不规则的形式构造牵连模型的几何类似性，现在的建模技术限定了应力解析场景的如实创建，同时上颌骨的异质性难以完全实行等，这类原因不单牵连上颌骨三维有限元模型的创建况且牵连模型的力学类似性[2，3]。本研发借用一例上颌无牙颌患者的CBCT信息创建上颌骨三维数字模型，对照不同原料参数分派方式对有限元模型的力学特征牵连，为该有限元方式在临床相关迅速创建和解析模型方面供应相关理论根据，同时更为该法对上颌骨的生物力学特征进一步研发打下根基。

资料和方式

一、试验目标

本项研发的时间为2015年1月至2015年7月，研发通过山中医科大学第一医院伦理委员会审批[核准号：【2015】伦审字（Y10）号]。锥形束CT资料：在山中医科大学第一医院口腔科应用锥形束CT扫描机（NewTomVGi，QRSRL，意大利）拍摄的锥形束CT资料中筛选1例适合当选规范的影像信息。

当选规范：上颌牙列缺失，男人，年纪55～65岁，上颌骨形式完好、构造常态。选定图片后联络患者，签定知情认同书。

二、数字化模型的修整

将锥形束CT信息（.dicom体例）导入Mimics17.0软件，对领域进行分隔，设定组织的阈值（欠明确）提炼骨组织（欠明确）。通过模型优化借用逆向工程软件GeomagicStudio12.0软件（Geomagic，美国）精修模型，获取上颌牙列缺失的上颌骨体网格化模型（图1）。

三、试验方式

1.试验组：智能分派法（CT值赋材质法）

以CT灰度值为根基，借用其与表观密度（骨骼为摆列放松或致密的骨小梁而生成的多孔性原料，大多是与外部不雷同的闭孔，将含有闭孔原料的密度称为表观密度）和弹性模量之间的某种函数联系，计算CT信息得出骨骼弹性模量在不同密度下数值不同，接着依据规范的梯度进行材质的分派[4]。

体网格化的上颌骨模型再导入到Mimics17.0软件中，根据公式来定论材质，泊松比（Poissonratio）为0.3。依据灰度值由公式可得出表观密度，最终借用表观密度得出弹性模量。

度}。将此公式填写到 Mimics 的弹性模量计算公式格内，泊松比为 0.3 [8] ，分别选取 4、6、10、50、100 个梯度区分原料参数，形成的 M1，M2，M3，M4，M5（图2）。

2.对比组：二分法

人工手动操控辨别出2个不同的领域。手动选择上颌骨最外围的单元划定为皮质骨，其弹性模量为13700MP，泊松比为0.3；上颌骨的其它领域划定为松质骨其弹性模量为1370MP，泊松比为0.3，形成M6（图3）。

3.有限元解析

施行正中面加载，束缚于咀嚼肌依附处，模仿咀嚼肌的牵连[9]。各类计划赋值后的有限元模型分别在Abaqus6.12软件中施行加载，400N正中程度加载于上颌骨时，选择上颌骨中央面左右双侧的连线成为观测路径，据公式得出在400N载荷的状况下6组模型的应力散布状况。

结 果

1.建模状况

试验组从M1到M5的三维有限元模型中，色彩品种渐渐增加，各类色彩的层级、边缘清楚，模型产生更详尽。此中50、100梯度的模型在构造精致度、色彩的层级、边缘的清楚度等方面更佳（图2）

2.应力散布云图

依据Abaqus6.12软件构造静力学计算方式获得计算结果，获得6组模型在加载力下的位移及应力云图，以4分法的M1应力云图为例，其应力集中部位首要都为上颌正中部位、眶内侧、外侧、眶底区、颧骨等部位（图4）。

3.应力及位移峰值

在5个应力集中部位分别提炼应力及位移峰值，进行较为，因此紧随梯度的渐渐细分，应力峰值和最大位移趋于靠近，变异水平越来越少（表1、2）。

经Fisher's Least Significant Difference（LSD）法进行组间多重较为，方差解析结果F＝2.721，P＝0.025。M6与其他各模型之间有统计学差别（P＜0.05），M1-M5之间均无统计学差别（P＞0.05），可认定M6与其他各模型在应力值上存在差别，M1-M5在应力值上不存在差别（表3）。

4.模型创建所用时间

在6组模型创建所耗时间上的较为，紧随梯度的渐渐细分，时间也依序递增（表4）。

讨 论

医学图片的三维重建往往是指借用人类的视觉特征，通过计算机对二维数字断层图片序列生成的三维体信息进行解决，将其变换为拥有直观立体成效的图片来展现身体组织的三维形式，三维可视化技术就是借用一系列的二维切片图片重建三维图片模型并进行定性，定量解析的技术。现在对CT信息的应用，已不单仅停顿在借用MIMICS，BONEMAT[10]，AMAB[11]等计算机软件，从新创建图片的三维模型；依据CT数值的灰度值来决议有限元模型的原料特征，是数字化模型向生物模型转换的1个要害环节，牵连三维有限元解析的计算流程及其结果。因此1个优良的原料特征分派计划既可以变短时间，又能节约计算的本钱，同时保证结果的准确性和有效性。

上颌骨的解剖构造较为高难，用1个同质性的模型反映其构造功能也许不太确切[12]。本研发借用CT值赋值法，在Mimics的经历公式中，通过CT灰度值[13]，表观密度与弹性模量三者之间的函数联系式来计算、模仿上颌骨的真正状况[14，15]，复原了上颌骨的非均质性，适合上颌骨独到的有限元解析特征，在某种程度上能够反应骨质特点。本研发根据骨骼的抱负化模型理论，根据原料的不同特征将试验组划为5组。对比组为传统二分法即两类材质（皮质骨和松质骨）。骨骼的生物力学特征按传统的方法，通常划为两类：骨松质和骨皮质。但实则松质骨和密质骨是渐渐过渡的，两者之间没有明确的边界，同一骨骼的松质骨在不同身体上的散布是有差别的。若在医学建模软件中根据松质骨和密质骨的原料特征就获得两类不同范畴的阈值，如此会使模仿的骨骼失真进一步牵连结果，其次更不可适合个性化有限元研发的需要。

以上的理论全是把骨骼当做各向同质的原料来研发的，但实则骨骼内部的骨小梁构造十分高难，体现大全是各形各异的。在本论文中，由于试验前提有限，仍旧将上颌骨当做一类各向同质的弹性原料做类似解决。图2所示，每种色彩即表示1个梯度内的弹性模量，即为原料特征，试验组五种梯度分派下建立的上颌骨三维有限元模型的梯度值越来越细分，模型的解剖边界越明确、色彩间外表平滑。图中的M4、M5模型与前三者相比，构造形式表示更精致、不同色彩的轮廓更清楚、色差反应的更直观；有类学者提出区分越精致结果越确切，而更多学者提出合理的原料特征分派梯度规范是十分须要的，过量细分是不合理的，区分越细，会使单元间有材质的不同，计算值突然升高，进而不利于操控全部计算本钱，而针对结果也没有显著变化。（本试验中，一切模型分别加载400N正中程度静态载荷时，应力整个集结于上颌骨正中周边、眶底区、眶内侧壁、眶外侧壁并且颧骨，都满足常态颌骨生物力学结果[16]。M1-M5模型间采取LSD统计解析，检查结果P＞0.05，认定逐个模型间应力值不存在差别;M6与其他五组模型间检查结果P＜0.05，即存在明显性差别，M6组划为2种材质即骨皮质、骨松质，阐明原料被过少区分时准确度下落牵连运算结果。在4、6、10、50、100梯度下的运算结果差别不大，但梯度区分越细建模耗时越长。虽然统计学结果标明试验的五组中应力值没有差别，可是在五种模型中50、100梯度的模型在构造精致度、色彩的层级、边缘的清楚度等方面更佳，况且50梯度耗时比100梯度少，在保证结果准确的条件下，尽也许实行运算的简捷性。因而倡议选50梯度法创建上颌三维模型。

本试验尚存在绝对的缺陷：

①本试验创建的是无牙颌上颌三维模型，直接对上颌骨前部程度向施力，没有加载在牙齿上的轴向力；

②本试验所选上颌骨来自一例标本，之后需加大样件施加解析。