CT和选区激光烧结技术在颌骨修复中的应用

1CT扫描和选区激光烧结技术在颌骨修复中的应用颜功兴张凯冯小伟【摘要】目的探讨根据不同的患者，不同的设计方案，生成个性化的缺损模型、修复体模型，建立颅骨上颌骨及牙列三维仿真，为上颌骨的修复提供标准数学模型和实体模型。方法选择一具颅骨标本作为建模素材，通过螺旋CT扫描技术及三维影像技术完成初步重建，建立上颌骨及牙列的三维有限元模型，在此基础上运用快速原形技术得到修复体进行颌面修复。结果获得了形态细致逼真的上颌骨及牙列三维重建生物力学模型和修复体，修复后形态与功能得以很好重建。结论综合运用CT扫描、三维建模、快速成型等技术可以获得不同个体的上颌骨及牙列三维仿真模型和逼真的修复体，为临床探索上颌骨及牙列的修复设计了一套完整思路。【关键词】CT扫描；有限元；RP技术；ConstructionofThreeDimensionalFiniteElementModelofSkullMaxillaandDentition（Departmentofengineeringmechanics,Chongqinguniversity,Chongqing,400030)YangongxingZhangkaiFengxiaowei【Abstract】ObjectiveBasedondistinctpatientsanddifferentdesignproject,individualharmedmodelandrestorationmodelcanbebuilt.Andaccordingtothe3Dsimulationofmaxilla、skullanddentition，standardmathematicalmodelandentitymodelformaxillarepaircanbeprovided.MethodsOnthebasisofscanedskullimage,CTimagereconstructiontechniqueand3-DFEMwereused,andthemaxillofacialrepairbyrestorationwithrapidprototypingproductiontechnique.ResultsAgood3DFEmodelofnormalmaxillaryanddentitionandrestorationwereconstructed.Andconfigurationandfunctionofmaxillofacialwererebuiltafterrepair.Conclusion3DFEmodelofnormalmaxillaryanddentitionandrestorationbyCTimagereconstruction、3DFEMandrapidprototypingproductiontechniquecanbeachievedwithpleasinginappearanceonpatients、lowcostandlesspost-operativecomplications.Andacompleteideaformaxillaanddentitionrepaircanbeachieved.【Keywords】CT；FEA；RP快速原型技术(又称快速成型技术，简称RP或RPM技术RapidPrototyping／PapidpmtotypingManufacturing)，是国外80年代后期发展起来的一门新兴技术。它是将计算机内的三维实体模型进行分层切片得到各层截面的轮廓，计算机又将此信息控制激光器(或喷嘴)有选择性地切割一层又一层的片状材料形成一系列具有一个微小厚度的片状实体，再采用激光烧结方法使其逐层堆积成一体制造出所设计的三维模型或样件[1]。因创伤及手术等因素造成颅骨缺损是外科常见病之一，本研究通过螺旋CT扫描技术及三维影像技术完成初步重建，并在此基础上运用Abaqus软件建立了形态逼真的上颌骨及牙列三维有限元模型，再利用快速成型技术的快速性、准确性以及擅长制造复杂实体的特点，将其运用于上颌骨及牙列缺损的整复，采用个体化设计和个体化制造的理念和手段，在精确整复缺损、恢复外形国家自然科学基金资助项目（10572160）、教育部高等学校骨干教师资助计划、重庆市科委资助作者单位：400030重庆重庆大学力学系；2的基础上进行修复，探索一种既能获得满意的面部外形，又能恢复功能的颌面缺损修复手段，为上颌骨及牙列缺损形态与功能的仿真修复提供一条新的思路，为解决颌骨畸形、缺损整复中的难题奠定基础。1材料与方法1.1建模素材：经防腐处理的头颅标本一例，其牙列完整，牙弓形态基本对称，颌关系正常。1.2头面部CT扫描：采用PhilipCT扫描机对头颅标本进行连续螺旋扫描及三维影像重建。螺旋扫描参数如下：球管电流与电压150mA/120kv。扫描范围自颅骨顶始，至下颌骨下缘止，层厚1mm，最终得到224张断层扫描图像并传入重建工作站，以DICOM格式存储。图1和图2即为颅骨CT断层扫描图像。1.3三维影像重建：选择上颌骨及牙列所在的层面为建模范围，利用阈值设定和区域生长功能，选择合适的参数对上颌骨及其牙列分别进行三维重建，得到的模型如图3、图4所示。图1颅骨螺旋CT扫描正面观图2颅骨螺旋CT扫描侧面观图3Mimics中建立的上颌骨及牙列模型正面观图4Mimics中建立的上颌骨及牙列模型侧面观1.4有限元模型在Abaqus软件中分别读取IGES格式的上颌骨及牙列模型数据，去除模型中应力分布影响较弱的部分（如鼻梁骨），得到的模型如图5、图6所示。3图5上颌骨及牙列螺旋CT三维重建影像正面观图6上颌骨及牙列螺旋CT三维重建影像侧面观材料力学参数：将材料考虑为连续、均匀、各向同性的线弹性材料，其材料参数见附表：表1有关材料力学参数[3]材料类型弹性模量E(GPa)泊松比μ骨皮质13.70.3骨松质1.370.3牙齿20.70.3由于模型关于正中矢状平面对称，为了减少计算工作量，网格划分都只对右侧上颌骨和牙列进行，如图7、图8所示。采用四面体实体单元对模型划分网格，颌骨部分网格划的比较稀疏，牙齿等局部细微的地方对网格进行加密，以保证模型的精度。模型总节点总数为71734，单元总数为362914。图7已划网格的右侧上颌骨图8已划网格的右侧上颌骨及牙列模型正面观及牙列模型侧面观1.5假体的制作：对切除部分上颌骨及牙列的患者，按照手术设计在数字模型上切除病变区上颌骨及牙列，获得缺损部分的模型。调整点云数位置和角度，通过数据的镜像对称形成缺损区的资料，再进行修复体的曲面设计与修饰，再将STL格式文件数据传送到制作中心进行修复体的实体化，以获得树脂模型，最后埋铸造形成钛修复体并进行后处理(含修复体的洗、钝化和义齿固位装置的制备)。2结果该模型形态细致逼真，模型形态与实体标本一致，可以被任意旋转并从不同角度观察，能得到上颌骨及牙列骨骼鲜明、直观、整体的印象。模型可编辑性强，可进行任意分割、复制和存储。模型可用于口腔修复学中牙列缺损和修复的病例模型，同时也可分析口腔正畸学中微植体植入后上颌骨的生物力学响应。根据上颌骨及牙列三维有限元模型，再利用快速成型技术的快速性、准确性以及擅长制造复杂实体的特点，将其运用于上颌骨及牙列缺损的整复，获得了逼真的修复体。43讨论有限元模型首先要求模型和原物的几何相似性强，在CT扫描时，断层越密，其几何相似性越好，模型的几何形态越接近实物。人体头颌骨牙列形状复杂，具有空间三维曲面、形状小且多处为混合曲面以及曲面形状变化多样等特点。能否获取准确的数据决定了三维有限元模型的几何相似性。本文采用CT技术获取各层的解剖轮廓图，可以实现间隔较密地平行扫描，每层的解剖结构清晰可见，能较真实地代表原物。模型具有可编辑性，可进行任意分割、旋转，在三维立体空间可以从研究者需要的任何角度进行观察[4,5]。同时模型引入了上颌骨及牙列的力学材料常数，使建立的模型与实体相比具有良好的生物力学相似性。上颌及牙列缺损是口腔修复的常见疾病，其类型繁多，如果针对每一个病例进行个体化建模和生物力学分析，再制定修复设计的最佳方案，其成本高，效率低，在实际工作中不够现实。本文在建立上颌骨及牙列模型的基础上提出“模块化”的概念，使模型具有“开放性”及“可编辑性”，可以根据不同的患者，不同的设计方案，生成个性化的缺损模型、修复体模型，节省了重复建模所需要的时间和精力，获得了与患者个体较为接近的模型[6,7,8]，在口腔修复和正畸教学、科研、临床上都有较大的实用价值。快速原型技术应用在颅颌面修复方面，主要是因为颌面部器官多呈对称性，对于一侧器官缺损通过对侧数据来对缺损进行重建，能保证面部双对称性。对于跨过中线区的缺损，可以通过剩余下颌骨的外形曲线计算出颌骨整体的曲线，进一步恢复上颌骨的形态。还可以对模型进行快速、准确的测量，找出设计中的不足进行修改，特别是对上颌骨重建后修复体位置及方向的确定可以有一个直观概念。本项研究对模型进行了假设和简化，其中有些与实际情况不完全相符，如在提取上颌骨和牙列的过程中有手工操作等。因此，本项研究建立的上颌骨及牙列有限元模型和修复体再优化还有待进一步研究。同时，如果能应用生物活性材料制作修复体，并结合组织工程方法减少甚至不需自体取骨，将是今后研究的方向。4参考文献[1]郭建,朱飞.基于医用CT成像技术的快速原形制造方法,激光杂志,2008,29(1):70-71[2]李玲,薛淼.上下颌骨及牙列三维有限元模型的建立,口腔材料器械杂志,2002,12(3):117-121[3]赵志河,房兵等.颅面骨三维有限元模型的建立,华西口腔医学杂志,1994,12(4):298-300[4]张彤,刘洪臣.上颌骨复合体三维有限元模型的建立,中华口腔医学杂志,2000,35(5):374-377[5]MarguliesSS,ThibaultKL.Infantskullandsutureproperties:measurementsandimplicationsformechanismsofpediatricbraininjury.JBiomechEng,2000,122:364-371.[6]KumaresanS,RadhakrishnanS.Importanceofpartitioningmembranesofthebrainandtheinfluenceoftheneckinheadinjurymodeling.MedBiolEngComput,1996,34:27-32.[7]VooK,KumaresanS,PintarFA,etal.Finite-elementmodelsofthehumanhead.MedBiolEngComput,1996,34:375-381.[8]RuanJS,KhalilT,KingAI.Dynamicresponseofthehumanheadtoimpactbythree-dimensionalfiniteelementanalysis.JBiomechEng,1994,116:44-50.5