有限元模拟在颅颌面外科手术中的应用现状及发展

作者：米那瓦尔·阿不都热依木 综述 阿达莱提·阿合买提江 审校作者单位：新疆医科大学第一附属医院口腔科, 新疆 乌鲁木齐 830011《新疆医科大学学报》2008年3月31卷3期 文章【关键词】  颅颌面外科手术

有限元方法作为生物力学研究中的重要手段之一，它可对复杂的几何形状物体建模,求得整体和局部的应力和位移值及其分布规律，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。这种方法高效、精确、成本低,已成为结构优化设计和几何非线性分析的一种实用、有效、方便的应力分析方法。计算机技术与医学的结合，尤其是与颅颌面外科的结合，促进了医学科学的飞速发展。在手术模拟、医学教育和培训、手术计划和术中辅助方面都有许多应用［1］。当前计算机辅助外科已发展到一个新的高度，外科手术模拟是在三维结构上进行模拟操作、制定手术方案,预测包括软组织在内的组织形变术后效果，利用医学成像、光学成像引导、微型机器人和实时图像处理等技术进行手术导航［2］。计算机手术模拟研究领域中，最具挑战性的任务是对术中产生的软组织变化的模拟。近年来，有限元分析已成为公认的模拟软组织变化的最有效的方法。

1  有限元模拟原理有限元分析法是借助于电子计算机进行运算的数值计算方法，它将要分析的连续实体离散成有限个单元，以各单元的结合体代替原连续体并逐个研究每个单元的力学性质，建立单元的刚度方程，然后根据给定的载荷条件将其组集成总体刚度方程，按照给定的边界位移条件求解总体刚度方程组，得到单元所有节点的位移，并据此计算单元的内力和应力［3］。有限元方法能对复杂的结构、形态、载荷和材料力学性能进行应力分析比较，是口腔生物力学研究中的重要手段［4］，已广泛应用于口腔种植、修复、正畸等各个领域的研究［5］，而有限元法的关键是模型的建立。模型的几何相似性、力学相似性、网格的划分直接影响计算的结果。口腔组织结构的组成复杂并且形态不规则，因此造成数据采集和建模的困难。为此，国内外学者一直都在寻求一种可靠的、快捷的建模方法，辅助颅颌面部及牙颌组织的力学分析［6］。

2  有限元模拟的数据来源有限元模拟所需的数据必须精确、可重复并量化，这就要借助计算机医学成像来获取。计算机医学成像的原理是将物理数字信息转化成图像信息，运用计算机图形学和图像处理技术进行三维重建［7］，而计算机处理的数据主要是由各种扫描技术得到的图像数据。常用的有计算机辅助X线断层摄片(Computed tomography, CT)、激光扫描成像(Laser scanning, LS)、磁共振成像(Magnetic resonance imaging, MRI)及超声波成像(Ultrasonic imaging，US)。

2.1  CT  CT扫描是计算机与医学影像学结合的成功例证。随着计算机技术的发展，CT也已进入了体积扫描的时代，这为三维重建模拟真实情况创造了必要的条件。CT获得的体积扫描数据可对任何部位进行三维图像重建，且图像处理迅速、存储原始数据丰富、重建影像质量高，且可获得患者连带皮肤表面的几何形［8］。CT适用于任何复杂形态和各种密度的三维结构，对任何复杂形态和各种密度的组织都有较高的分辨率［6,9］，能较真实地代表原物的结构,简便快捷，误差小［10］，是目前最常用的方法［6］。CT技术的不足在于其价格昂贵，患者必须暴露于放射线中［8］。

2.2  激光扫描  激光扫描是对物体的表面深度在界面间投影的激光图像扫描，通过激光图像扫描仪获得［11］。可行线性移动扫描，产生面部软组织的网格图。通过对面部照片的获取及激光扫描获得的表面深度的数据，获取精确的头面部记录。目前常用非接触式激光扫描，该方法不与所测物体直接接触，测量精度高、速度快，能够反映牙颌模型的表面形态［12］。这种方法进行数据采集的成本高，数据采集后处理的时间长，生成计算机辅助设计（CAD）模型后还要进行数据转换，才能为有限元建模使用，且测量只能得到表面数据，缺乏反映组织的材料特性的能力。

2.3  MRI  MRI在软组织成像方面具有较大的优势，通过超快扫描或回声平面成像技术，MRI可形成实时图像，在软组织病变的早期发现、定性方面比CT更敏感。MRI采集的数据可与CT读取的数据互通，因此亦可在计算机软件的支持下结合图像采集的原始数据，建立有限元模型。但其在颅面外科形态学的数据采集中与CT相比并无较大优势，同样也不能根据解剖名称精细区分软组织结构。　　2.4  US  三维和动态超声最近已成为可能的临床和研究工具［13］。超声通过获得体积超声回声信息分布进行图像重建。较其他成像技术，其获取过程快，无侵犯性，无放射性，相对便宜，可在门诊进行操作。有文献报道，目前超声可提供自然状态下唇部活动的实时动态3D解剖成像［14］，且对软组织深度的测量与CT、MRI一样精确［15］。然而，与CT和MRI等体积成像医学技术相比，US获取高质量的图像往往相对较难。

3  有限元模拟的应用方法在实际应用中首先可通过计算机辅助设计(CAD)，建立面部软组织的几何模型，然后应用有限元分析软件，对几何模型进行有限元网格划分，其中，四面体单元是适应性极强的网格划分单元。根据面部解剖结构和各种软组织分布的特点，可作相应的细分及处理。建立有限元模型后，即可根据实际应用的需要，将模型旋转，从不同角度观察;在模型上移去一部分,任意切割、任意提取或添加单元，观察网格传递形变，实现手术模拟中的截骨、移动、充填等要求，观察最终可能实现的手术结果。这种模型可允许反复交互式操作，而且对模型没有任何损坏和消耗［11］。在同一模型上进行不同术式的模拟，可得到模拟手术以后的软组织形变，医生可以根据模拟结果对手术方案和手术结果进行评价。目前，国外已建立了许多有限元分析软件，可用于患者个体化研究［16］。国内在此方面的研究不多，但也有建立二维有限元分析系统研究颅面形态学的报道［17,18］。

4  颅面外科学中有限元模拟的应用颅面外科的目标不仅要改善功能，而且要恢复美观悦人的外貌［19］。为了获取最好的手术效果，需在手术前选择一个最佳的手术方案。颅面外科手术常需医生在术前能依据拟采取的术式、截骨部位、截骨量以及骨段移动的方向，预测患者术后的颜面外观形态变化结果，和患者及其亲友进行交流，再根据预测结果是否被认同,然后确定和修正手术方案。如何准确预测术后的颜面软组织变化结果一直是临床医生关心和研究的课题之一。颅颌面部手术模拟中，重点强调量化多层软组织的移位和形变，因此对建模的相似性要求较高［20］。过去，对软组织的变化只能作一些有限的预测，而且是基于对骨和组织移动关系的经验化的研究，并不能有效地预测软组织改变的结果。用传统的方法对皮肤和肌肉组成的软组织进行几何模型建立，多层贴合问题难以得到很好地解决。目前有研究［1,21］采用所提出的Marching Cubes算法［20］，加以改进实现面部多层软组织的建模，并进一步进行有限元模型的建立。该模型与面部的解剖结构有很好的几何相似性［20］。软组织的有限元模拟有助于很好地了解患者的解剖特征及提高手术操作的结果，在颅面外科领域中尤为突出。计算机辅助外科发展以来，颅面外科是目前应用最多的领域，许多最早的3D重建和获取患者解剖图像的工作是由此领域发展而来的。软组织变形模型必须同时具有软组织的解剖特征和其物理行为特征，特别是对于软组织复杂的非线形变形行为的模拟，需要通过建立更加具有物理真实感的模型来实现。软组织的物理性质往往难于得到精确的表达，同时也难于应用实验来验证计算机模拟的准确性。因此，应用计算机模拟人体软组织的生物力学行为的研究也仅仅是近年来才逐渐发展起来，并逐渐形成了一个崭新的研究领域——手术模拟中的软组织建模。90年代中后期，有学者［1, 21,22］开始使用有限元的方法模拟手术后的组织变形。面部软组织的非线性材料性质可用有限元模型进行数学描述。这就使模拟在颅面外科手术中的软组织改变和预测患者术后外观的精确性得以保证，医患双方均可以观察到每一种术式术后任意角度软组织三维变化的效果图形，并可从中选取一种最佳的手术方案。这不仅为医生提供了更为科学的决策依据，提高手术成功率和满意度，而且为改变医患之间的交流模式、提高交流的水平和质量，真正实现患者参与手术方案制定探索了一条新途径。有限元法在口腔颅颌面外科中主要应用于颅骨牵张、颌面软硬组织术后变化、骨折过程中颌骨的受力分析等;口腔种植和内科学中的应用主要集中于种植体、充填物对义齿、牙体及其相关组织应力分布的影响［23］。手术模拟一般包括以下步骤：（1）骨块分割的模拟。（2）骨块移动及重新定位的模拟。在现有的研究中，绝大多数手术模拟方法都是采用平面切割的方法，但实际手术中骨块之间的分割往往是非平面的。Zachow等 ［21］使用了德国ZIB研究所自行开发的软件系统Amira，并在该系统中实现了骨块分割面形态的任意化。在建立好的软组织模型中将骨块移动的情况加载进去，通过相应的算法取得软组织形变和位移的近似值。多数学者［1,24］在他们的模型中使用的是线弹性公式。Roch等［25］在他的研究中使用的是非线弹性公式，同时将软组织的准不可压缩特性考虑进去，跟接近真实的模拟软组织形变的情况，但更为耗时，不适合实时手术模拟中的应用。Zachow等［21］所建立的模型中各种组织被认为是均匀的非线性材料，然后导入自行开发的有限元软件包进行分析。由于患者的整体条件、体质和年龄的不同，软组织的弹性和可塑组织的性质亦不同，例如老年患者，已有组织弹性和张力的降低，不可避免地影响其软组织的生物机械行为。因此，必须应用测定患者个体化的非侵入性活体测量技术以获取弹力组织的性质，逼真预测术后最终外形的改变。目前，国外已有报道将有限元模拟成功应用到预测颅面部畸形［26］、颅面部骨移动术［27］后的面部软组织变形、模拟咀嚼肌的活动形态［16］等方面。国内也应用到了上颌Lefort工型截骨前徙术、上下颌同期手术、上下颌前份截骨术、下颌后退术、下颌骨前徙手术的软组织变化分析中［17］。然而，建立有限元分析模型对计算机CPU的要求较高，而且模拟耗费时间较多，有时为模拟粘弹性和短时期及长时期后的松弛情况，必须利用更复杂的有限元公式，导致花费在计算中的时间更多，目前只有特殊研究机构报道，尚不能普及推广应用，大多数颅面外科手术仍是凭经验进行操作。但除却高性能的计算要求和高终端的制图能力外，模拟软组织弹性的能力和人类器官的功能的极大益处使计算机可变模型在计算机辅助外科方面已形成一个新的研究领域［28］。大多今天在可变模型中的领先技术，如有限元分析等已被投入到整形和颅面外科中去。新的有限元计算方法的发展将不断提高计算的速度。随着计算机技术的日益普及和患者对手术要求的日益增高，有限元分析在颅面外科领域中将会有极广阔的发展前景。

5  发展方向有限元法作为一种与现代计算机技术相结合的理论分析方法,在口腔生物力学中的应用是先进、有效的,具有广泛应用前景。但是由于人体组织结构的不规则、材料的非线性,对计算机提出了高性能的计算和制图能力要求。到目前为止,大多口腔领域有限元模拟都基于线弹性假设,其物理相似性有待进一步提高,特别是建立具有非线性、各向异性等生物力学特性的三维有限元模型,完成静态到动态的转变,以真正向生物仿真方向发展。此外，建模硬件设备的问题（计算机、CT扫描机、后处理工作站等）、资金投入问题、建模后如何与临床实际工作联系起来等问题都需要今后更加深入的研究。

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