替牙期单侧完全性唇腭裂患者上颌骨复合体三维有限元模型的建立

摘    要：

目的 通过建立单侧完全性唇腭裂（UCLP）患者上颌骨复合体三维（3D）有限元模型，为后期利用3D有限元分析方法来研究该患者牙颌面畸形形成的机制及治疗提供条件。方法 选择1例8岁男性替牙期UCLP患者，提取锥形束CT(CBCT)图像，依次在Mimics 15.0医学图像处理软件中提取轮廓和截取范围、Geomagic Studio 10逆向工程软件中优化平滑处理、Hypermesh建模划分网格软件中划分网格和格式转换，最后导入Abaqus 6.14有限元建模与分析软件中。通过对上颌骨复合体3D有限元模型导入Abaqus 6.14有限元建模与分析软件中进行仿真计算进行验证。结果 上颌骨轮廓的提取是根据骨组织CT的灰度值，阈值范围为226～1 222 Hu，自动生成蒙板（Mask）；利用选择性编辑（Edit masks）工具中Draw、Erase、Threshold等功能去除毛刺，填补空洞；经计算（calculate 3D from mask）生成上颌骨复合体3D几何模型。然后得到STP格式的几何模型，最后建立了包含上颌骨、颧骨、部分眼眶、蝶骨及部分颅骨的UCLP上颌骨复合体3D有限元模型，节点数为205 415，单元数为127 181。Abaqus 6.14有限元建模与分析软件中仿真分析，矢状向、水平向位移与临床相符。结论 应用CBCT扫描和Mimics、Geomagic、Hypermesh、Abaqus软件相结合的方法,建立的模型细致逼真，方法简便高效。

关键词：腭裂;上颌骨复合体;几何模型;三维有限元模型;

唇腭裂是先天性颅颌面畸形中比较常见的，单侧完全性唇腭裂（unilateral complete cleft lip and palate,UCLP）又是唇腭裂中最常见的类型，常表现为反合、上颌骨发育不足及牙弓狭窄等错合畸形[1,2,3,4]。为探究该类患者错合畸形的形成机制和临床治疗方法，很多学者做了大量的研究，方法涉及动物实验、临床试验、生物力学等[5,6]。随着信息技术的不断发展，有限元分析（finite element analysis,FEA）的方法逐步成为口腔生物力学研究中最为重要的手段[7,8,9]。它通过将人体软硬组织作为一种物理系统，建立模型，利用数学方法和计算机系统进行一系列分析，研究人体软硬组织在不同物理作用下的生物力学影响[10]。替牙期是生长发育高峰期，是错合畸形形成和矫治的关键阶段，对该时期的UCLP患者进行有限元研究，可以分析不同受力状态下颌骨及牙弓的物理变化，从而研究该类患者牙颌面畸形的形成机制和临床矫治方法。FEA的前提是建立切合实际的三维（three-dimensional,3D）模型，要求其几何形状及力学特性的相似度高。为此，笔者采用Mimics、Geomagic、Hypermesh、Abaqus软件逐步建立了替牙期UCLP患者上颌骨复合体（maxilla complex,MC)3D有限元模型，以利于后期进一步的FEA研究奠定基础。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 临床材料

根据文献报道，选择具有代表性的非综合征性的1例替牙期UCLP患者进行建模，男性，8岁，出生后3个月行唇裂修复术，6个月行腭裂修复术，未行后期序列治疗；骨性Ⅲ类[由蝶鞍中心、鼻根点及上齿槽座点所构成的角（SNA)=72°，由蝶鞍中心、鼻根点及下齿槽座点所构成的角（SNB)=75°，上齿槽座点、下齿槽座点、鼻根点构成的角（ANB，即SNA与SNB之差）=-3°]，上颌骨发育不足，上下前牙反合。

1.1.2 主要设备与软件

锥形束CT(cone beam CT,CBCT）扫描机（产品型号：i-CAT 17-19）（卡瓦集团，美国）。

Mimics 15.0医学图像处理软件（Materialise，比利时）；Geomagic Studio 10逆向工程软件（Raindrop，美国）；Hypermesh建模划分网格软件（Altair，美国）；Abaqus 6.14有限元建模与分析软件（Simulia，法国）。

1.2 方法

1.2.1 锥形束CT影像获取

患者端坐位，头位通过下颌托调整，眶耳平面方向与地平面方向一致，戴用特别制作的2 mm厚度咬合板；保持平静呼吸状态，使上下牙列分开，以免造成牙齿重叠，影响牙齿的重建，运用CBCT扫描机，对患者的上下颌骨进行扫描，获取CBCT资料。扫描参数：拍摄时长26.9 s，管电压120 k V，电流5 m A，视野范围（柱状）D=16 cm、H=11 cm，分辨率0.25 mm。

1.2.2 建立上颌骨复合体三维有限元模型

将CBCT获取的图像导入Mimics 15.0医学图像处理软件中，自动定义Anterior（前）、Posterior（后）、Left（左）、Right（右）、Top（上）、Bottom（下）六个方向，从正位、侧位、后面三个角度来显示扫描得到的模型，截取UCLP患者MC的范围（包含上颌骨、颧骨、部分眼眶、蝶骨及部分颅骨），生成3D模型；将该模型以立体光刻（stereolithography,STL）格式输出。

将该模型导入Geomagic Studio 10逆向工程软件中进一步优化处理，对3D模型进行网格诊断、修补、曲面裁剪和拟合曲面等操作，得到更为精确的几何模型。

把获得的几何模型导入到Hypermesh建模划分网格软件中，进行曲面的网格划分及文件格式转换，网格划分主要步骤包括：减少三角片数量（Reduce），设置网格优化参数，由面及体，划分体网格。进行网格优化时，减少单元数量，对一些质量较差的三角片进行更改、合并、删除等操作。最后通过网格中三角片的自交检测后，得到STP格式的几何模型。

经过Hypermesh建模划分网络软件处理之后得到的STP文件，导入Abaqus 6.14有限元建模与分析软件中，最终得到UCLP MC有限元模型。

1.2.3 验证实验

将建立的MC 3D有限元模型导入Abaqus 6.14有限元建模与分析软件中进行仿真计算，以牙槽突部位作为施力位点，并垂直于牙槽突表面施加口周力值，模拟临床中UCLP患者在口周力的作用下上颌骨的受力及受抑制情况，观察分析口周力作用后上颌骨位移变化（图1）。

2 结果

2.1 上颌骨骨性结构提取结果

根据软件自带的阈值调整工具（Thresholding）提取上颌骨轮廓。上颌骨轮廓的提取是根据骨组织CT的灰度值，阈值范围为226～1 222 Hu，自动生成蒙板（Mask）。利用区域增长工具（Region growing）选择区域，由于图像和分割的误差，使得生成的模型表面不光滑。利用选择性编辑（Edit masks）工具中Draw、Erase、Threshold等功能去除毛刺，填补空洞。最后经计算（calculate 3D from mask）生成3D模型（图2）。

2.2 上颌骨复合体的几何模型

在多边形模式中，通过去除特征和填充孔，将模型表面的孔、凸、凹去掉；在精确曲面模块中，通过对轮廓线的探索、编辑、提取，完成各区域的划分，再通过曲面片和格栅的构造及曲面拟合。对模型各部分进行平顺、光滑、简化三角片数量等处理，最后用网格医生自动修复，获得UCLP MC的几何模型（图3）。

2.3 STP格式的几何模型

导入几何模型后进行几何清理，几何模型存在间隙、重叠和缺损，消除缺损和孔，以及压缩相邻曲面的边界等；再对模型进行分块处理，进入面网格，检查网格的治疗后对网格进行修改，再生成体网格，删掉无用的面网格后得到更高质量划分的网格，再导出STP格式的几何模型。见图4。

2.4 上颌骨复合体有限元模型

建立了包含上颌骨、颧骨、部分眼眶、蝶骨及部分颅骨的UCLP MC有限元模型，节点数为205 415，单元数为127 181。见图5。

2.5 验证结果

将模型导入Abaqus 6.14有限元建模与分析软件中进行仿真计算。在Abaqus 6.14有限元建模与分析软件中模拟在口周力的作用下，上颌骨的健患侧骨块在3D方向上均发生位移的改变（图6）。位移的方向主要是向后向内，健侧骨块的前段受抑制最明显。在矢状向变化最明显，健侧骨块较裂侧骨块的前段向后移动多，前段均大于其中后段；其次是水平向，健患侧骨块的前段位移最明显，健侧骨块大于患侧骨块，两侧上颌骨块均由外向内移动，牙弓宽度缩窄；垂直向变化最小。与临床中该唇腭裂患者的矢状向及横向发育不足等情况相符，因此在临床中可以起到很好的预测作用。

3 讨论

目前与腭裂结构畸形相关的MC 3D有限元模型文献报道相对较少。先前有学者[11,12,13]已经通过获取12岁（恒牙早期）、17岁（接近成年人）完全性唇腭裂患者螺旋CT扫描图像，从而使腭裂MC 3D有限元模型得以建立。笔者建模对象是8岁的替牙期男性患者，处于生长发育关键期，这个时期建立的模型对治疗方案的制定比较重要，对错合畸形形成机制的研究意义较大。众所周知，由于上颌骨与周围很多重要的解剖结构相连接，比如颧骨、颅骨、蝶骨、眼眶及上颌牙列，共同组成MC，其形态结构相对复杂[14]；腭裂畸形变异更为复杂，骨性缺损可以导致腭板及邻近结构变形[15,16,17]，同样可以导致MC整体结构不对称，且硬腭缺损会对MC的结构和形态变化产生影响[18,19]。笔者选择建模的对象正处于替牙期，相比于成年人唇腭裂患者来说，骨骼发育未完全，骨骼形态也不规则，内部形态的复杂性决定了要使模型与实体高度相似，不但费时、费力，而且建模的难度相对较大。建立一个UCLP MC 3D有限元模型要经过重复多次的优化和简化处理，对模型表面出现孔、凸、凹进行填补修改及细微调整。

关于图像采集，通过CBCT获取图像，相较于之前研究采用的CT胶片扫描[20]，胶片扫描得到的图像细节和信息在采样过程中丢失较多；相较于用螺旋扫描CT扫描患者头颅[20,21]，螺旋CT能获得的断层图像清晰、真实、完整、可靠，但曝光扫描的时间相对较长。关于模型质量，模型的节点数和单元数是衡量的标准。10节点四面体单元相较于之前的单元，函数准确且复杂，精度较高，模型复杂形状的还原相对比较精确高效[22]。笔者建立的模型节点数为205 415，单元数为127 181，其相较于前期建立的近成年患者的腭裂MC有限元模型[23]，选择四面体10节点单元划分网格，建模精确度相对较高，计算结果也比较准确。由于处于生长发育期颌骨仍未发育完全，体积相对较小，相应地减少运算的工作量。但由于多处骨骼不完整，难以形成封闭的实体。因此，可以依据具体问题精简模型，比如在远离加载的地方适当地把曲面的面积调大。一方面有利于进行网格的划分；另一方面，由于曲面形状规则，网格及模型的质量也较高。FEA中的重要环节就是建立3D有限元模型，分析结果的准确度取决于建模过程的准确度。由传统CT扫描到CBCT扫描技术的发展[24]，使得图像采集更加方便，模型精度更加真实可靠；模型的3D重建因为医学数字成像与通信（digital imaging and communication in medicine,DICOM）数据建模方法的出现变得更加方便快捷；DICOM数据建模方法由于Mimics软件的出现和应用得到了飞速的发展[24,25]。笔者正是将获取的CBCT资料以DICOM格式导出，获得清晰、真实的图像，截面的跳跃和不连续情况很少出现，通过Mimics软件辅助建模并结合其他建模软件，所构建的几何模型顺滑，网格划分合理，模型的精度较高。

随着越来越多新型技术的出现和设备软件的更新，辛宇等[26]利用CBCT图像建立的模型可以在短时间内完成力学分析；张彤等[27]采用螺旋CT断层扫描、数字影像传输及有限元仿真软件建立规整骨结构的有限元模型；杜娟[28]建立的3D有限元模型是将计算机图像处理和ANSYS有限元建模与分析软件（AN-SYS公司，美国）整合到一起；邓锋等[29]建立的上颌骨模型是将CBCT扫描法和Mimics软件结合到一起；这些技术都使上颌骨建模方法更加简便化、系统化、多样化。Mimics软件已经成为医工结合方面互通的“桥梁”软件，直接处理DICOM格式的扫描数据和信息，利用3D结构重建的功能，再结合Hypermesh软件有限元网格强大的处理功能，从而建立有限元模型。因此采用CBCT的DICOM格式结合Mimics软件辅助建模的方法，逐渐在口腔医学系统的3D有限元建模领域中成为主流，FEA的方法逐步成为研究3D空间的颌面骨骼的生物力学行为的有效方法[21]。文献报道[30]采用较先进的有限元建模方法，融合了新型建模软件及网格划分软件，应用多种格式转换导出一个可以在Abaqus软件和Ansys软件中进行FEA的模型，为生物力学分析的发展提供必要的条件。笔者研究通过提取UCLP患者CBCT扫描图像，应用Mimics、Geomagic、Hypermesh软件逐步将DICOM格式的图像转换为有限元格式的数据，这种数据能够直接在Abaqus软件中进行分析和处理，进一步在Abaqus软件中对模型施加工况，研究模型的应力变化和位点位移的变化。所建的模型更能体现了UCLP患者的上颌骨及周围相连的骨骼解剖结构特点，为分析牙颌面畸形的形成机制提供研究基础，为进一步研究UCLP患者的治疗提供验证条件，通过这种方法建立UCLP MC3D有限元模型相对简单高效，构建的模型优质可靠。

以往关于唇腭裂治疗对上颌骨作用的研究所建立的模型只是单个上颌骨模型或上颌骨和部分颅骨的模型，只是在颌骨模型的某些位点上模拟施力，并不能很好地还原真实的临床状况，而笔者研究的优势在于建立了UCLP患者的腭裂MC模型，模拟效果与临床真实情况更接近。该模型上界至鼻根，后界到枕骨大孔后方，形成了比较完整的UCLP MC 3D有限元模型。结构上，两侧上颌骨由于完全性唇腭裂的存在完全分割，模型高度不够，两个独立单元就会出现，十分影响分析结果的准确度[31]。笔者所建立的UCLP MC模型，腭裂两侧仍连为一个整体，便于后期的生物力学分析；应用上，利用建立的模型，可以用来分析UCLP患者牙颌畸形的特点；也可以根据研究需要，在Abaqus软件中对模型施加工况，进一步研究模型的应力位移的变化。该模型可用于治疗过程的模拟，同样可用于UCLP患者正畸治疗的时机选择、治疗方案的制定。后期利用该模型可以探讨前牵引力、植骨及扩弓等治疗方法对上颌骨应力及位移变化的影响。

4 结论

笔者收集CBCT扫描图像的资料，通过Mimics、Geomagic、Hypermesh、Abaqus这4个软件的加工和处理，逐步建立了UCLP MC 3D有限元模型，可反映唇腭裂上颌骨解剖结构特点，可供有限元实验分析。通过这种建模方法建立的有限元模型拥有完整的MC形态，为临床能进一步研究UCLP患者形成原因提供条件，为正畸治疗的生物力学机制提供基础。可模拟在临床上对施力的位置、大小和方向进行改变，并为后期研究牙颌面部畸形的治疗，探讨前牵引力、植骨及扩弓等治疗方法对上颌骨产生的影响，也可同时为进行牙、牙槽骨及上颌骨的动态性力学分析提供条件。

参考文献：[1]杨彩秀,范存晖,许涛等.替牙期单侧完全性唇腭裂患者上颌骨复合体三维有限元模型的建立[J].生物医学工程与临床,2022,26(02):143-149.DOI:10.13339/j.cnki.sglc.20220218.012.

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来源：人体模拟及其器械仿真解决方案