鼻上颌骨复合体三维有限元模型的建立

1、目的：通过建立鼻上颌骨复合体三维有限元模型，探讨建立三维有限元模型建立的方法，为研究鼻上颌骨复合体的生物力学的特性提供了基础。

2、方法：螺旋CT薄层扫描获取DICOM格式数据文件，导入三维重建软件Mimics，并应用有限元软件Ansys建立鼻上颌骨复合体三维有限元模型。

3、结果：用该方法所建立鼻上颌骨复合体三维有限元模型与实体有很好的相似性，并且操作误差小，建模分辨率高。

4、结论：应用DICOM数据计算机辅助建模法是一种快捷、准确、高效的有限元建模方法，该实验所建鼻上颌骨复合体三维有限元模型精确度高，操作的可重复性好，能为临床耳鼻咽喉科研究鼻上颌骨复合体骨折的生物力学的机制提供基础。

鼻上颌骨复合体位于面中部，并突出于面部，几何结构复杂，它是由上颌骨、颧骨、鼻骨、泪骨、上牙列以及与上颌骨解剖关系紧密的部分颅骨组成的骨性结合体，因此外伤所致骨折发生的几率相对较高，如要分析其骨折的生物力学机制，首先要全面了解其结构本身和结构状态对生物力学特性的影响。近年来计算机运算速度及计算方法的不断进步，有限元法逐渐成为力学研究中最为重要的分析方法，尤其在口腔生物力学研究中得到广泛的应用，快速、准确地建立三维有限元模型是生物力学有限元研究的首要问题，也是进行三维有限元分析的基础。目前国内外已运用多种建模方法建立了下颌骨的三维有限元模型，而由于鼻上颌骨复合体结构复杂，对其有限元模型建立的则较少。本文应用CT扫描技术，采用DICOM数据导入Mimics软件，最终应用Ansys有限元软件建立鼻上颌骨复合体三维有限元模型。在探索如何建立鼻上颌骨复合体三维有限元模型的新方法和模式的同时，为临床耳鼻咽喉科、颅颌面外科进一步研究鼻上颌骨复合体骨折的生物力学的机制提供了可靠的基础。

1、材料与方法

（1）建模素材 选择一位健康成年男性志愿者，无头面部外伤及手术史。

（2）实验设备

①CT机：研究所用CT为美国通用GE公司产16排螺旋CT（LIGHTSPEED 16）

②工作平台： 安装有Windows XP sp3操作系统的PC机，CPU Pentium D 2.8GHz，4G内存

③软件环境：医学三维重建软件Mimics10. 01 （Materialise ’s Interactive Medical Image Control System ） 和有限元分析软件Ansys10. 0 （Analysis System） 。

（3）CT扫描

采用美国GE通用公司生产十六排螺旋CT对受试者的头颅进行扫描，扫描时受试者取仰卧位，扫描电压120KV，电流100mAs，扫描层厚1.3mm，窗宽1000，窗位200，共得到200余张CT断层图像，选择其中用于重建鼻上颌骨复合体的CT断层图像80张，将二维断层图像经CT工作站处理为DICOM格式数据文件，刻录存盘。

（4）图像处理及三维重建

CT扫描所获得DICOM格式数据文件导入医学三维重建软件Mimics10. 01 软件，确定需要进行三维重建的图像范围，设定Thresholding范围仅显示骨骼组织，并用蒙皮（Mask）编辑CT图像上需要成像的组织，重建出鼻上颌骨复合体三维图像。因所得到的三维模型单元形状不规则，单元数量过多，会影响到力学分析的精确性，对分析速度也有极大的影响，所以利用remesh模块对三维模型的表面三角形数量和质量进行优化。然后Mimics10. 01输出三维模型的表面（Area）文件到Ansys10.0，最终在Ansys软件中完成有限元模型的建立。

（5）有限元工作方式

将所研究的弹性物体离散成有限个单元。选择单元位移函数，建立单元刚度矩阵和整体刚度矩阵，引入边界条件，求解方程式。获得所有节点位移分量，由节点位移求出各单元应力。整个求解过程及有关数据处理均由计算机自动完成。研究中将上颌骨复合体的皮质骨、松质骨均假设为各向同性的均质连续弹性材。

2、结果

CT扫描断层图像以DICOM格式导入Mimics医学三维重建软件，由二维断层图像重建出三维表面模型，Remesh模块对三维模型的表面进行优化，在Ansys软件中完成正常人鼻上颌骨复合体实体模型的三维重建，计算机自动处理三维网格划分，结合手工划分最终生成236120个单元，117894个节点的鼻上颌骨复合体三维有限元模型。在整个建模过程中重要的解剖结构特征得到了准确的再现，并且与颅底、颧骨等周围骨组织结构的连接完整保留，模型影像分辨率高，具有三维实体信息，并且模型的数据格式可以顺利导入各种有限元分析软件。

3、讨论

有限元法（ finite element method, FEM）是将连续的弹性体分割成有限个单元，以其结合体来代替原弹性体，并逐个研究每个单元的性质，以获得整个弹性体的力学分析方法 。它首次由Turner于1956 年在航空工业中应用成功。此后，随着计算机技术的进步，有限元分析法已逐步发展成为工程中广泛应用的方法。后来Friedenberg将其应用于医学领域。有限元法是生物力学研究中的重要手段之一，它可对复杂几何形状物体建模，求得整体和局部的应力和位移值及其分布规律，并可根据需要改变受载与边界条件等力学参数，在维持原模型几何形状不变的情况下，可方便地对其应力大小和分布的变化进行对比分析，作为一种工程力学研究方法，正逐渐被应用到矫形外科领域，骨应力分析是FEM的主要用途之一。

在用传统的实验方法根本无法全面、精确描述其应力分布，而有限元分析可以很好地表现骨组织应力分布的总体趋势，无需建立体外实体模型即可以进行多种力学分析 ,其分析方法高效、精确、可信度高等。

目前能用于鼻上颌骨复合体有限元的建模方法有： （1） 磨片、切割法 由于需要切割破坏模型，并且在断面很薄的情况下，也很难获得一致的断面厚度，在包括材料的选择，图像的处理，边缘提取等环节都容易产生误差，所以该方法已经被淘汰。（2）三维测量法 三维测量数据采集成本较高 ,数据处理时间较长，只能得到的表面数据无法反映组织内在的材料特性 ,也不常用。（3）CT 图像处理法 CT图像处理法其主要过程为：（a） CT 扫描获得原始数据；（b）将 CT 胶片通过扫描、摄像等方法输入计算机，获得二维图像；（c）在图像分析软件中形成轮廓线位图 ,获取图像边界数据；（d）将获得的数据输入三维有限元分析软件中处理 ,最终获得有限元模型。该方法需要人工图格式以及人工准确对位，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，对位的不准确也直接影响着所建立模型精确性。

本研究应用DICOM数据直接建模法，简化了CT建模的程序，避免反复操作造成的数据的失真或丢失，实现了自动化辅助建模。Dicom （ Digital Imaging and Communications in Medicine）医学数字图像通讯 ,是医学信息领域中的一种通用的图像及数据通讯标准，国际上已广泛地应用于各医学成像设备及信息系统中。Mimics为介于医学与机械领域之间的一套逆向软件，可以对CT和MRI扫描图像进行显示、分割及三维重建，并转换成为CAD/ CAM、Ansys等有限元分析软件可以处理的数据格式（如 STL 格式）。本研究利用Mimics直接读取Dicom数据直接建立三维模型，模型为三维表面模型，非三维实体模型，然后转换为 Ansys 三维有限元软件可识别的格式，在Ansys中完成有限元网格划分，建立三维有限元实体模型。在该建模过程中，鼻上颌骨复合体三维图像直接来源于薄层 CT 扫描数据，并在预处理时无任何形式图像转换，在大大减少工作量的同时去除了人为因素造成的误差，并且在计算机自动辅助建模下，使得所建鼻上颌骨复合体有限元实体模型更加精确，分辨率更高。用该方法所建鼻上颌骨复合体有限元实体模型（1）与CT三维重建医学生物模型具有很好的相似性。（2）模型具有强大的装配功能 ,可在其基础上进行再建模操作。（3）模型在三维空间内可从任何角度进行观察研究，在加载后，通过应力分布图可直观地看到其内部应力及位移的分布状况。（4）该模型建立了完整的鼻上颌复合体形态 ，包括了上颌骨后部及其与鼻上颌骨复合体相连结的颅骨，因而使应力分布的运算更加精确，为临床耳鼻咽喉科能进一步研究鼻上颌骨复合体骨折的生物力学的机制提供模型基础成为可能。

由于鼻上颌骨复合体几何结构复杂 ,要达到模型与实体各解剖部位完全符合不但耗时、耗力 ,而且建模难度较大，并且有时为了有限元分析的需要，在建模时在对鼻上颌骨复合体有限元模型前处理时做了些简化处理（例如将材料属性设为连续、均值、各向同性的线弹性材料，材料受力变形较小），导致了与实体的组织学特性不完全相符 ,所以部分信息的不准确可能对整个模型的力学相似性造成一定的影响。