建立包含颞下颌关节下颌骨双侧下颌支矢状劈开内固定后的有限元模型

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.42.002

中国组织工程研究 ›› 2015, Vol. 19 ›› Issue (42): 6730-6734.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2015.42.002

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建立包含颞下颌关节下颌骨双侧下颌支矢状劈开内固定后的有限元模型

马文¹，侯敏²，宋大立²，杨静文¹，戴智¹，程家龙¹，柴国良³，周卫源⁴，张瑞泽⁵

1天津医科大学，天津市 300070；2天津市口腔医院，天津市 300041；3天津市蓟县人民医院，天津市 301900；4天津大学，天津市 300072；5四川省林业中心医院，四川省成都市 610010

出版日期:2015-10-08 发布日期:2015-10-08
通讯作者: 侯敏，博士，硕士生导师，天津市口腔医院，天津市 300041
作者简介:马文，男，1988 年生，云南省昆明市人，回族，天津医科大学在读硕士，主要从事正颌外科专业的研究。
基金资助:
天津市卫生局项目(2013KR11)

Establishing a finite element model of the mandible containing the temporomandibular joint after bilateral-sagitta-split-ramus-osteotomy with internal fixation

Ma Wen¹, Hou Min², Song Da-li², Yang Jing-wen¹, Dai Zhi¹, Cheng Jia-long¹, Chai Guo-liang³, Zhou Wei-yuan⁴, Zhang Rui-ze⁵

1Tianjin Medical University, Tianjin 300070, China; 2Tianjin Stomatological Hospital, Tianjin 300041, China; 3Jixian County People’s Hospital, Tianjin 301900, China; 4Tianjin University, Tianjin 300072, China; 5Sichuan Province Forestry Center Hospital, Chengdu 610010, Sichuan Province, China

Online:2015-10-08 Published:2015-10-08
Contact: Hou Min, M.D., Master’s supervisor, Tianjin Stomatological Hospital, Tianjin 300041, China
About author:Ma Wen, Studying for master’s degree, Tianjin Medical University, Tianjin 300070, China
Supported by:
the Project of Tianjin Health Department, No. 2013KR11

摘要/Abstract

摘要：

背景：双侧升支矢状劈开截骨已经成为矫正面部畸形的常规方法，运用有限元方法研究双侧下颌支矢状劈开内固定后颞下颌关节及下颌骨的生物力学是一种重要途径。
目的：建立精确、高仿真的双侧下颌支矢状劈开内固定后包含颞下颌关节的下颌骨模型，为研究双侧下颌支矢状劈开内固定后下颌骨及颞下颌关节生物力学提供基础。
方法：螺旋CT扫描后得到DICOM格式数据导入MIMICS软件建立下颌骨三维模型。将三维模型包裹成单一的封闭壳，在ANSYS中进行网格划分及转换，再将模型写入ANSYS软件进行颞下颌关节相应部分的重建并模拟双侧下颌支矢状劈开及术后固定。
结果与结论：运用MIMICS及ANSYS软件建立双侧下颌支矢状劈开内固定后的带有颞下颌关节及下颌骨的三维有限元模型。此模型和人体组织相比，具有生物相似性及几何相似性。双侧下颌支矢状劈开内固定后的模型，可以通过前移、后移、旋转移动远心端，再行各种方式的内固定。所建立的三维有限元模型可以根据实验目的不同，对各个部位施加载荷，用来研究双侧下颌支矢状劈开内固定后不同组织应力及位移的改变，也可以研究不同固定材料对固定后稳定性的影响。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

关键词: 组织构建, 骨组织工程, 双侧升支矢状劈开截骨术(BSSRO), MIMICS软件, ANSYS软件, 有限元, 下颌骨, 颞下颌关节

Abstract:

BACKGROUND: Bilateral-sagitta-split-ramus-osteotomy (BSSRO) has become a conventional method to correct facial deformities, and the finite element method is a significant way to study biomechanics of the mandible and temporomandibular joint (TMJ) after BSSRO.

OBJECTIVE: To establish a precise and high simulation model of mandible containing TMJ after BSSRO with internal fixation, which is the base to study the biomechanics of the mandible and TMJ after BSSRO.

METHODS: Spiral CT scan was used to get the data of DICOM that were input into MIMICS to establish the three-dimensional model of the mandible. The three-dimensional model was wrapped into a single closed shell for mesh generation and conversion in ANSYS. Then, the model was input into the ANSYS software for temporomandibular joint reconstruction and simulation of BSSRO and internal fixation.
RESULTS AND CONCLUSION: The three-dimensional finite element model of mandible containing TMJ after BSSRO was established using MIMICS and ANSYS. This model had biological similarity and geometric similarity in comparison with the human tissues. The model could undergo various internal fixations through antedisplacement, retroposition and rotational movement of the distal end. Based on different experimental purposes, the established model can apply a load to all parts to study changes in stress and displacement of different tissues after BSSRO and internal fixation, and it also can be used to study the effect of different fixation materials on the rear stability after internal fixation.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

Key words: Mandible, Temporomandibular Joint, Osteotomy, Finite Element Analysis, Tissue Engineering

马文，侯敏，宋大立，杨静文，戴智，程家龙，柴国良，周卫源，张瑞泽. 建立包含颞下颌关节下颌骨双侧下颌支矢状劈开内固定后的有限元模型[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(42): 6730-6734.

Ma Wen, Hou Min, Song Da-li, Yang Jing-wen, Dai Zhi, Cheng Jia-long, Chai Guo-liang, Zhou Wei-yuan, Zhang Rui-ze. Establishing a finite element model of the mandible containing the temporomandibular joint after bilateral-sagitta-split-ramus-osteotomy with internal fixation[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(42): 6730-6734.

图/表（结果） 5

参考文献

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引言

Trauner等^[1]首次于1957年介绍口内法双侧下颌支矢状劈开术(bilateral sagittal split ramus osteotomy，BSSRO)，之后此术式又经过各国学者的改良^[2-5]，目前已经成为正颌外科矫正小下颌畸形、下颌前突及结合其他修复治疗复杂面部畸形的常规外科治疗方法^[6]。该手术使患者达到满意的咬合关系同时，也改变了颌面部硬软组织的生物力学环境，从而影响术后的稳定性，内固定后的稳定性受多方面的因素影响，比如：近心端的位置、颞下颌关节改变、固定的材料及方式等^[7]，这些因素多年来一直是国内外专家研究的热点。常用的方法有：病例回顾、动物实验、干骨模型、通过二维或三维影像学研究位置的改变、光弹性法研究固定的方式等、有限元法对研究对象的位移及生物力学的研究。因为人体颌面部的结构复杂，病例回顾、动物实验及干骨模型的研究误差较大；而二维影像学可以在一定程度反映组织的位移，但是无法克服解剖结构重叠的误读，精确性有待改进；三维影像学的分析可以描述解剖结构在不同方向的改变，但是仅仅可以研究组织移动的大体趋势，对于具体的数值，其可靠性有待研究；而有限元法可以通过CT所得DICOM数据重建颌骨三维模型，把复杂的结构转移到软件中，再进行相应处理，避免了病例回顾、动物实验及干骨模型研究的局限性。

已经证明，运用三维有限元法研究口腔颌面部生物力学的改变是一种可靠的方法。通过工程类软件建立精确的三维模型，并进行相应的运算使该模型和人体组织具有几何相似性及生物相似性。之后，便可以运用该模型进行相应的的研究，例如通过在模型上模拟手术，观测各个部位的位移和生物力学情况，可以为临床提供参考。

文章通过螺旋CT扫描所得DICOM数据，经过MIMICS和ANSYS软件加工处理，最后得到精确、可重复的双侧下颌支矢状劈开内固定后带有颞下颌关节的下颌骨三维有限元模型。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

材料方法

1.1 设计单一样本观察。

1.2 时间及地点实验于2014年9月至2015年4月在天津大学机械工程学院研究室完成。

1.3 材料 CT影像学资料来源于1名无颅颌面畸形及颞下颌关节疾病的健康男性志愿者，牙列完整。

设备与软件：美国GE宝石能谱CT(120 kV，300 mA，FOV：15.6 cm，Slice Thickness：0.625 mm)； MIMICS 15.0(Materialises Interactive Medical Image Control System，Belgium)；ANSYS 15.0(Analysis system，USA)

1.4 方法

1.4.1 下颌骨三维模型的建立将CT扫描所得DICOM数据导入MIMICS软件。在工具栏分割(segmentation)中，通过阈值分割(thresholding)的分割工具条中设定分割阈值，分割结果保存为蒙板(Mask)；再通过区域增长(region growing)对原始蒙板(Mask)彼此不相连接的分割区域进一步细分，生成新蒙板；运用空腔填充(cavity fill)对模型中的空腔进行修补；最后运用计算3D模型(calculate 3D)得到完整下颌骨三维模型。见图1。所选阈值Max:2900、Min：260。

1.4.2 下颌骨三维模型优化通过Tools中的三角网格模型的光顺(smoothing)、三角面片缩减(triangle reduction)命令优化模型；再用包裹(wrap)命令消除三维模型上小的间隙，过滤了小的三角面片，将三维模型包裹成单一的封闭壳。

1.4.3 网格划分及转变网格的划分可以在MIMICS中的Remesh板块进行，参数选择默认值，将划分好的模型以后缀为.lis的文件导入ANSYS，再进行面网格到体网格的转变；也可以直接将模型数据写入ANSYS软件，在ANSYS中进行网格划分及转换。见图2。

1.4.4 赋予材料属性在MIMICS中赋予材料属性首先进入FEA板块，进入Material命令利用CT扫描图像的灰度和骨骼的密度的关系，骨密度和生物材料弹性模量的关系来给模型的每个单元赋值。所用公式：ρ=1.205×HU+139；E=0.024×ρ-23.93(MPa)其中ρ为骨密度，HU为影像上结构的不同位置的有区别的灰度值；将赋予材料后的模型导入到ANSYS中备用。

1.4.5 颞下颌关节的建立在ANSYS软件依次建立髁突软骨、关节盘、关节窝以及模拟各结构之间的接触方式。首先，在工具栏中执行Preprocessor>Modeling>Create> Lines>Splines>Splines Thru KPs命令，用髁突表面选择相应的点生成曲线，再执行Create>Areas>Arbitrary>By Skinning命令，依次把所建立的曲线生成面，最终形成封闭的体，根据参考文献[8]设定厚度为0.2 mm，即髁突软骨。按照上述步骤，根据解剖结构确定相应点，生成曲线，最

终生成实体模型，设定厚度为2 mm^[9]，完成关节盘的建立。关节窝的建立首先执行Preprocessor>Modeling>Copy> Areas>命令，复制关节盘的上表面，然后执行命令Modeling>Create>Areas>Rectangle>By Dimensions，选择相应的坐标点，最终在此面的上方构建一个长方体模型，即关节窝。在建立好的模型上模拟接触，摩擦系数设定为0.001^[10]。具体操作是：执行Preprocessor>Modeling> Create>Contact Pair>Contact Wizard命令，设定关节盘的下表面和髁突软骨，关节盘的上表面和关节窝为接触，模拟人体颞下颌关节各结构间的生物特性。见图3。

1.4.6 模拟双侧下颌支矢状劈开术此步骤在MIMICS或ANSYS软件中完成均可。在MIMICS中模拟手术，首先选择工具栏Simulation选项，找到双侧下颌支矢状劈开手术板块，根据提示进行手术模拟操作即可；在ANSYS中模拟手术操作，因为没有相应手术模板，所以截骨比MIMICS操作相对复杂，主要步骤包括：执行Preprocessor> Modeling>Create>Areas>Rectangle>By Dimensions命令，根据双侧下颌支矢状劈开的截骨线，建立3个矩形面，布尔运算后得到实体的面，之后执行Modeling>Move/ Modify>Volumes命令，选择模型上截骨位置的坐标点，完成模拟双侧下颌支矢状劈开手术。见图4。

1.4.7 术后固定此操作在ANSYS软件中完成，根据实验需要模拟钛钉、钛板固定近远心骨段；主要步骤包括：Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>Solid命令。

1.5 主要观察指标模拟双侧下颌支矢状劈开内固定后内固定的带有颞下颌关节的下颌骨模型。

讨论

有限元法(FEM)是一种随着计算机技术的发展并与之结合的研究力学应力的分析法，该方法有诸多优点。1973 年Farah等^[11]首先将有限元法应用于口腔医学，可以在不损伤研究对象的基础上，建立具有较好力学相似性和几何相似性的三维有限元模型，模拟各种复杂的情况，节省了大量时间，也弥补了动物实验的不足。有限元分析是预测颞下颌关节应力分布的有效工具^[12]，此外，有限元法还广泛用于脊柱、臀部、膝关节、牙种植体处生物力学的研究^[13-14]。

下颌骨是人体面下1/3的主要构成成分，位置较突，所以容易受外伤，同时对颜面美观也有着极大影响，颞下颌关节是人体中最为复杂的滑膜关节之一，为负重关节，是具有转动和滑动的双重关节，担负着言语、咀嚼、吞咽等功能；在正颌手术中，术后髁突的位置改变、关节内压力的改变、内固定的方式都影响术后稳定性^[15]，因此，应把下颌骨和颞下颌关节紧密联系起来。本实验建立的双侧下颌支矢状劈开内固定后的含有颞下颌关节的完整下颌骨，为研究双侧下颌支矢状劈开内固定后髁突、关节盘或下颌骨任意部位的生物力学提供基础，同时，也可以运用该模型研究不同固定方式对术后稳定性的影响，使有限元分析法广泛运用于临床。

目前，三维有限元建模的方法很多，比如：磨片法、切片法；三维测量法；CT图像处理法；DICOM数据建模法；数字化虚拟人技术建模法等。

磨片法、切片法是通过实体模型磨切的方法，扫描每一断层，获得相应的图像信息后，再将图像的顺序叠加，最后建立三维模型；此方法属于破坏性建模，误差较大；仅适用于体外的模型；颞下颌关节结构比较复杂，现已很少适用此方法建模。Tanaka等^[16]在研究紧咬牙时颞下颌关节不同区域的应力分布时用到此方法。

三维测量法是用接触或非接触的方法进行测量，把数据输入计算机，建立三维牙颌模型。高勃等^[17]用此方法进行牙冠表面测量；但由于此方法不能反映模型内部的情况，故不适用于颞下颌关节的建模。

CT图像处理法是目前研究口腔生物力学较常用的方法，对志愿者进行CT扫描，获得原始二维数据，将数据输入计算机，获得二维图像，运用图像分析软件获取图像的边界数据，最终将获得的数据输入三维有限元分析软件中进行处理，获得三维有限元模型。

DICOM数据建模法：患者完成CT扫描后，不必生成胶片，大量的数据信息可依照DICOM标准存盘或传输。运用相应的软件，如Mimics等，输入CT或MRI扫描的数据，进行图像的分割，阈值的设定图像增强等处理，直接建立三维模型，再使用Geomagic逆向工程软件，对模型进行修饰、剪裁、光顺等后处理操作，使模型达到科研要求，再导入到有限元分析软件，如ANSYS、ABAQUS，进行相关的数据分析。此方法比CT建模简单，省略了用图形处理软件对数据进行边界提取、二次处理等大量的工作^[18]。

数字化虚拟人是现代计算机信息枝术与医学等学科相互结合的成果^[19]。以人体组织连续断面构成数据集合，可以逼真地建立骨骼、肌肉、血管等器官组织的数字化模型。

MIMICS(Materialise’s Interactive Medical Image Control System)是Materialise专门研发的一款医学影像处理软件。运用MIMICS分割来源于CT，MRI，micro-CT，CBCT扫描所得等的医学图像，通过图像处理，建立高精度的3D模型；可以在MIMICS相应版块进行工程运用，也可以把数据导入第三方软件进行工程分析。

ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)软件，能进行从简单的线性静态分析到复杂的非线性瞬态分析，能与AutoCAD，Nastran，Geomagic等多种软件接口，实现数据的共享和交换，现已广泛用于航空航天、土木工程、电子、机械制造、等多领域。

本实验运用螺旋CT扫描所得DICOM数据导入MIMICS软件，通过图像分割，区域增长等多功能处理，得到三维下颌骨模型；并在MIMICS或ANSYS软件中进行模型网格的划分及体网格的转化；通过ANSYS软件进行髁突软骨、关节盘、关节窝的模拟；将数据导入MIMICS软件对各组织赋予材料属性；得到包含颞下颌关节的完整下颌骨，在MIMICS或ANSYS软件中对模型进行双侧下颌支矢状劈开模拟手术，并模拟钛钉钛板固定；最终得到包含颞下颌关节的完整下颌骨双侧下颌支矢状劈开内固定后的三维有限元模型。

运用MIMICS和ANSYS联合建模包含以下优点：①直接运用MIMICS软件处理DICON数据，一次性得到三维模型，避免了运用图像处理软件进行边界的提取等繁琐的工作，节省了大量时间。②在ANSYS软件中建立髁突软骨、关节盘、关节窝等结构并赋予材料属性，使所建立的模型具有几何相似性和力学相似性。③在两种软件模拟双侧下颌支矢状劈开术截骨，为今后的研究提供了多种选择。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

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