人颅面骨三维有限元模型的建立

　　[摘要] 目的 利用计算机辅助技术，建立颅面骨三维有限元模型，为颌面部火器伤的生物力学分析奠定基础。方法通过薄层螺旋 CT 扫描正常志愿者颌面部，将获得的颅面骨数据通过 Mimics 软件进行三维实体重建，利用 ANSA 软件进行布 尔运算，生成颅面骨骼，进行网格划分。结果 建立了上颌骨、下颌骨等颅面骨三维有限元模型。结论 利用薄层 CT，结 合 Mimics、ANSA 软件建立的颅面骨有限元模型真实准确，建立方法实用，可根据枪弹伤情况进行不同的生物力学分析。

　　[关键词] 颅面骨; 有限元; 三维模型

　　中图分类号 R 782. 05 文献标识码 A

　　文章编号 1004 -0188( 2012) 05 -0477 -03 doi: 10. 3969 / j. issn. 1004 -0188. 2012. 05. 004

　　Construction of three - dimensional finite element model of human craniofacial bone

　　Yan Lanyuan1 ，Chen Yubin2 ，Miao Yingyun3 ，Tan Yinghui4 1. Dentofacial Surgery of Stomatology Hospital，General Hospital of Chengdu Military Command，Chengdu，Sichuan，610017，China; 2. Department of Stomatology，Battle Surgery Research Institute of Daping Hospital，Third Military Medical University，Chongqing，400042，China; 3. Transmission Laboratory of Chongqing University， Chongqing，400044，China; 4. Department of Stomatology，Xinqiao Hospital of Third Military Medical University，Chongqing，400037， China

　　[Abstract] Objective To establish a three - dimensional ( 3D ) finite model of craniofacial bone through computer aided technique in order to establish basis for biomechanics analysis of firearm wound in maxillofacial region. Methods Thin - layer spiral CT was used to scan healthy volunteers' maxillofacial region. The three - D reconstruction of entity was made according to the obtained data of craniofacial bone by Mimics software. ANSA software was used to make the Boolean operation and establish the craniofacial skeleton. Then grid division was made. Results A three - D finite model of craniofacial bones including maxilla and mandible was established successfully. Conclusion The 3 - D finite model established by thin - layer CT combined with Mimics and ANSA software has a high biological similarity. Different biomechanical analyses can be made according to the situations of gunshot wounds.

　　[Key words] craniofacial bone; finite element; three - dimensional model

　　口腔颌面部位于人体暴露 部 位，极 易 遭 受 外 部

　　损伤，是致伤残的常见 部 位，因 此，对颌面部火器伤 的研究成为国内外的 重 点。近 年 来，由 于 计 算 机 软 件的高速发展，三维有限元法也越来越多应用于口 腔生物力学领域，但是，对于颅面骨枪弹伤的三维有 限元模型报道甚少。本研究采用薄层 CT 扫描图像 数据，利用计算机辅助工程 技 术，建立了包含上颌 骨、下颌骨等颅面骨枪弹伤的三维有限元模型，为进 一步研究颌面部火器伤的生物力学损伤机制提供了 一种新的工具和方法。

　　1 对象与方法

　　1. 1 研究对象 选择牙 列 完 整、咬 合 关 系 正 常、无科( 鄢兰元) ; 第三军医大学附属大 坪 医 院 野 战 外 科 研 究 所 口 腔 科( 陈渝斌) ; 重庆大学传动实验室 ( 缪莹赟) ; 第三军医大学附属新桥

　　医院口腔科( 谭颖徽)任何颞下颌关节紊乱症的症状 和 体 征、全 身 情 况 健康的成年男性( 年龄 35 岁) 1 名作为扫描对象。

　　1. 2 计算机硬件及应用软件 计算机配置: 酷睿 2

　　四核( 2. 2HZ) 处 理 器，内 存 4G，硬 盘 640G。软 件:

　　( 1 ) CT 图 像 处 理 软 件: Mimics V10. 0 software ( Materialise 公司，比利时) ; ( 2) 有限元前处理软件: ANSA V12. 0. 3 BETA CAE Systems ( Ansys 公 司，美 国) ; ( 3 ) 有限元专业分析软 件: LS - DYNA、LS - POST V970 software( Livermore 公司，美国) 。

　　1. 3 建模方法

　　1. 3. 1 人颅面骨原始数据的采集 采 用 美 国 GE 公司 64 排螺旋 CT 机( Sensation 64) ，对研究对象进 行头颅 CT 断层扫描。扫描条件为 120 kV、300 mA、 扫描 层 厚 0. 625 mm。扫描获得的数据以 DICOM

　　( digital imaging and communication in medicine) 标准 导出刻录光盘保存。CT 断层扫描图像导入后，软件将根据断层图像 自动生成冠状面和矢状面图像。

　　1. 3. 2 人颅面骨三维数字模型 的 重 建 将 获 得 的 研究对象 头 部 DICOM 标 准 数 据 输 入 Mimics 软 件， 提取整个头部软硬组织，进行阈值分析，分离出头面 部骨性组织，手动修剪去除颅面骨以外的其他骨组 织图像，并通过阈值分析，确定骨皮质、松质的范围， 完成人颅面骨三维模型的建立 。

　　重建的人颅面骨三维模型清晰，窝沟点隙准确无误， 未见明显扫描盲区，模 型 形 态 逼 真，空 间 位 置 准 确， 可任意角度、方位观察 。

　　2. 3 人颅面骨三维有限元模 型 的 建 立 ANSA 软 件中，通过自动结合手动划分网格，并对畸形网格进 行反复修改，严格控制网格质量，得到人颅面骨三维 有限元模 型。共 包 括 289 805 个 单 元，其 中 四 面 体

　　211 235 个单元，五面体 1012 个单元，六面体 75 671 个单元。建立的三维有限元模型网格质量较高，数 据保持完全一致，无畸形网格、单元出现，从冠状面、 矢状面等多个角度观 察，整个模型表面光滑、平 整、 均匀，准确地反映了人颅面骨的几何形态。

　　1. 3. 3 人颅面骨三维有限元模型的建立 利 用Mimics 软件直接建立颅面骨三维面网 格 模 型，然 后 利用 ANSA 软件划分体面网格，同时手动修改畸形 网格，由封闭表面构建实体，从而生成三维实体模 型，然后进行三维有限元模型构建。

　　1. 3. 4 材料力学属性 实验模型中，各种组织材料 均将其假定为连续均质、各向同性的线弹性材料，材

　　3 讨论

　　料参数均来自参考文献[1 -2]。选取皮质骨弹性模 量为 1. 37 × 104 MPa，泊松比为 0. 31; 松质骨弹性模

　　量为 1. 37 × 103 MPa，泊松比为 0. 26; 7. 62 mm 子弹 弹头弹性模量为 2. 01 × 105 MPa，泊松比为 0. 30。

　　2 结果

　　2. 1 人颌面部 CT 扫描数据采集结果 共得到该研 究对象 569 张 CT 扫描二维断层图像，扫描获得的数 据以 DICOM 标准保存并导出。

　　2. 2 人颅面骨三维模型的重建 运用 Mimics 软件

　　动物模型、尸体模型及人工材料模型是目前国

　　内外传统的火器伤致伤模型〔3〕。但是这 3 种建模方 法价格昂贵、耗时，且不能重复进行实验。而有限元 分析具有强大的建模功能及相 关 接 口 工 具，在 不 同 实验条件下的仿真实验中，可以求解获得模型任何 部位的变形、应 力 / 应 变 分 布、内部能量的变化等情 况，它属于无创测试，模型可以进行重复利用，近 年 来已被广泛的应用于口腔医学的生物力学研究领域 中。

　　目前，生物体有限元建模方法主要有以下几种:

　　( 1) 磨片、切片法〔4〕; ( 2) 三维测量法〔5〕; ( 3) CT 图像 处理法〔6 -7〕; ( 4 ) DICOM 数 据 直 接 建 模 法 等〔8〕。由 于前 3 种方法都存在建模方法复杂、人力耗费大、成 本较高、数据易丢失的 缺 陷，所 以，现在国内外学者 多采用 DICOM 数据直接建模法。DICOM 即医学数 字图像通讯，涵盖了医学数字图像的采集、归 档、通 信、显示及查询等几乎所有信息交换的协议，大大简 化了医学影像信息交换的实现，推动了图像管理与 通 信 系 统 ( PACS ) 的 研 究 与 发 展〔9 -11〕。 因 此， DICOM 数据文件提供了非常精细的组织密度信息， 大量 CT 数据信息可依照 DICOM 标准进行网上传输 或文件存取〔12〕。

　　本研究在以下方面提高了重建模型的精确性:

　　( 1) DICOM 原始图像直接导入电脑软件进行应用， 不掺杂人 为 因 素，减少了实验误差产生; ( 2 ) 利 用 Mimics 软件的自动建模性能，大大提高 了 建 模 的 速 度; ( 3) 直接 运 用 CT 数 据，重 建 过 程 中 无 数 据 丢 失 和修改，保证了模型的 准 确 性。建立的颅面骨三维 模型与自然颅面骨具有高度的 几 何 相 似 性，符 合 实 际情况，为三维有限元模型的建立提供了基础。

　　虽已有很 多学者建立了下颌骨三维有限元模 型〔13 -14〕，但本实验中有限元模型与以往研究建立的 模型相比，有如下优点: ( 1) 本次实验的人颅面骨三 维有限元模型是通过 CT 扫描所获得的 DICOM 格式 的图像直接导入 Mimics 软件建立的三维重建模型， 这种方法所建立的三维模型与人颅面骨具有高度的 几何相似性，符合实际情况，从而保证了后期模拟仿 真的真实性和可靠性; ( 2) 网格数量多( 共30 497 个 单元) ，特别是六面体数量多 ( 共75 671 个) ，无 畸 形 网格的出现，从而保证了后期模拟仿真的准确性。

　　综上 所 述，本研究利用薄层 CT 扫 描，结 合 Mimics、ANSA 软件建立的颅面骨火器伤有限元模型 真实准确，建立方法实用，可根据实际情况进行不同 的生物力学分析。但是，有限元分析对于复杂的实 体模型进行了一定的简化处理，不能完全代表人体 的实际情况，更多的研究工作有待进一步开展。

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