成人颅颌骨后牙区及上颌窦及骨盆种植体的三维有限元建模

成人颅颌骨后牙区及上颌窦及骨盆种植体的三维有限元建模

上下颌骨缺损在临床上非常常见，通常导致患者的面部形状破坏和口腔系统功能障碍，严重影响生活质量。采取颧骨种植牙修复是目前研究的热点,而种植义齿的受力及其力学分布是影响种植义齿成功的关键。本实验借助医CT电子扫描技术、图像传输与转换技术,以及三维有限元软件模拟建立了上颌骨后牙区、上颌窦及颧骨的三维有限元模型。1材料和方法1.1男性志愿者选择一例颜面外形正常、牙列完整、咬合关系良好,无牙周疾患及牙槽骨吸收,无后牙牙体缺损及明显磨耗的身体健康的成年男性志愿者。预先制作的咬合板。日本岛津公司生产的CT扫描机SHMADZUSCT-5000T。计算机CPU为IntelPIV2.4,硬盘为80G,内存为DDR512M。3D-Doctor图形处理软件、ABAQUS建模软件以及AltairHyperview后处理软件。1.2方法1.2.1齿轮ct扫描将其上颌骨摆正位置,放置咬合板,使上颌后牙咬合平面与射线正好平行,扫描截面尽可能与牙齿长轴垂直。采取螺旋CT扫描。自上颌牙弓咬合平面开始至眶上缘做连续横断扫描。扫描参数为:螺旋层厚为1.5mm,床进速度为1mm/s,球管电流与电压125mA/120kV。最终得到45幅二维CT扫描断层图像,以DICOM格式将数据存入计算机。1.2.2图像的显微图像将45辐DICOM格式的颅颌部位的二维CT扫描断层图像直接输入到计算机3D-Doctor软件中。图像能通过不同明暗度高清晰呈现牙冠、牙根、骨皮质、骨松质、上颌窦腔的边界。描记边界绘制上颌骨后牙区、上颌窦、颧骨的轮廓位图,自动生成X、Y、Z轴三维坐标化数据,以word格式将数据存入计算机。1.2.3层面间接触力的变化将word格式坐标数据输入计算机ABAQUS软件中,连接各层面间坐标点成闭合曲线,层面间拉伸形成空间实体。定义各不同部分的弹性模量。最后建立了正常上颌骨后牙区、上颌窦及颧骨的三维有限元模型,45411个单元,56643个结点。1.2.4种植体的设计分别在三维有限元模型的第一前磨牙、第二前磨牙、第一磨牙、第二磨牙部位描入种植体,途径上颌骨、上颌窦外侧壁达到颧骨最厚平面之中央处。采用羟基磷灰石涂层圆柱形纯钛种植体。参考正常人上颌后牙的数据设计上部结构为圆柱形牙,直径为7mm,高为7mm,通过调改基台的高度达到咬合平面。另外,种植体的直径可以增加多种型号,如3.5mm、4.0mm、5.0mm等;骨松质的弹性模量也可以设计成变量;载荷方向也可模拟口内设计为垂直向、颊舌向30°等。1.3表1显示了材料的力学参数2ct三维模型通过CT扫描正常人颅颌获得了高精度的图像,利用多种软件技术获得了良好的上颌骨后牙区、上颌窦、颧骨的三维有限元模型,见图1。共45411个单元,56643个结点。建成的三维模型从任意角度观察与CT图像具备良好的几何相似性。获得的模型可自由移动、旋转、放大和缩小,可从任意方向切开断面观察局部情况。通过对模型进行各种不同材料设置,并且描入颧骨种植体,见图2,加各种不同方式的载荷,从而可以很好地模拟各种不同工况。3讨论3.1三维三维模型的几何精度3.1.1ct扫描结果以往人们在建模CT扫描的标本选取上多采用经防腐处理的离体标本,其部分组织已受到破坏,而且其内部结构也有所改变,其CT扫描的数据结果跟实际相比较偏差较大。本研究是基于正常人活体CT扫描,其上颌后牙区、上颌骨、颧骨及其周围的软硬组织未经任何加工处理,其CT扫描的数据结果符合实际,获得的信息全面、准确,并能反应较细致复杂的结构。另外本研究也采用的高分辨率的CT扫描机器,扫描层间距也非常薄,这样也更有利于建立几何相似性更贴近实际的模型。3.1.2实现图像数据的网上传输或文件读取本研究是基于DICOM数据的有限元建模方法。螺旋CT扫描的原始数据格式为DICOM格式。DICOM文件提供了非常精确的组织密度信息。它包括图像数据和各种辅助信息,如患者的个人资料、CT机器的设置等,可进行网上传输或文件的存取。3D-Doctor软件可直接读取CT扫描的原始DICOM格式数据,它能识别图像各部分的组织密度,能通过不同明暗度高清晰呈现牙冠、牙根、骨皮质、骨松质、上颌窦腔的边界。运用图形学手段,可以沿图像边界搜索,描记各个层面上的轮廓边界。图像整个处理过程精度高,可以保证原始数据的几何精度,可以保证解剖学标志的重建。与以往建模方法相比,它避免了以往经BMP或者TIF格式处理和转化图像等复杂过程,减少了数据的丢失,减少了许多人为的误差。3.1.3abaqus软件点坐标分析本研究使用工程上十分常用的ABAQUS软件,其数据坐标转换成曲线能力非常强,它能精细地加工处理图像曲线上的每个点,能合理地重新划分曲线坐标点个数以拉伸层面成空间结构。以往像Solidworks软件在处理图像上的点坐标时,一般不能很好地划分曲线上的坐标点数目,在拉伸形成复杂空间结构时往往会不成功,而且对层面曲线的坐标点个数以及上下两个层面曲线的基本形态匹配要求十分严格,而ABAQUS软件可以避免这些缺点,它能将复杂的上颌骨复合体结构拉伸成网格状空间结构。颧骨种植体的植入位置也采取了坐标化数据。另外,ABAQUS软件可以动态进行工矿加载,能模仿口腔内牙齿咀嚼的时间动态过程,从时间的推进上看种植体及其周围骨的应力和位移分布。3.2建立模型的方法1)建成的模型在后处理软件AltairHyperview操作平台中可以自由移动、旋转、放大和缩小观察,可以对不同弹性模量的材料分别加以不同的颜色以示区别观察。不同的材料可以隐藏或显示以方便观察。2)建成的模型可以从任意层面角度切割,可以非常直观地看到局部或模型内部的应力及位移分布情况。3)建成的模型可以进行任意点之间距离的测量,如测量颧骨种植体植入起始点与最末点之间的距离等;可以进行角度的测量,如颧骨种植体植入的方向与矢状面所成的角度等。本实验借助CT扫描技术、3D-Doctor图形处理