探讨人颞下颌关节三维有限元的实体建模方法
【摘要】 目的：探讨由活体直接获得人颞下颌关节（包括下颌骨、关节盘及关节结节）的三维影像以建立其三维有限元实体模型的方法。材料与方法：利用Auto-CAD软件及螺旋CT扫描技术与三维有限元分析方法相结合，将CT扫描图像转换为可用于有限元实体建模的数字图像。结果：三维有限元实体模型与螺旋CT三维重建影像比较，几何相似性与还原性良好，材料构造合理，并由此建立了理想的人颞下颌关节三维有限元模型。结论：在临床实践中，借助于螺旋CT扫描及Auto-CAD软件在活体建立人颞下颌关节三维有限元模型是切实可行的，结果是满意的。
能够获得可用于有限元实体建模的三维重建影像，一直是致力于有限元理论分析的国内外学者感兴趣的课题。已有学者采用切片法和CT法在尸体的基础上建立了下颌骨或颞下颌关节（temporomandibular joint，TMJ）的三维有限元模型并进行了相应的应力分析[1,2]。随着TMJ三维影像重建技术的应用[3,4]，对采用无损伤的CT扫描法对活体下颌骨进行三维影像重建及有限元实体建模，也开展了颇有意义的探讨[5]。但是，对于在活体基础上重建完整的TMJ（包括下颌骨、关节盘及关节结节）三维影像，并进行有限元三维建模，国内外尚未见报道。本研究利用TMJ螺旋CT三维影像重建技术与三维有限元分析方法相结合，借助于Auto-CAD技术，获得了人颞下颌关节的三维影像，并由此建立了其三维有限元模型，以期为TMJ生物力学研究在临床中的应用提供参考和依据。
1 材料与方法
1.1 TMJ螺旋CT扫描和三维影像重建
选择牙列完整，咬合关系正常，无咬合障碍，后牙为中性，无任何TMJ弹响、疼痛、张口受限和下颌脱位等颞下颌关节紊乱病症状和体征的成年健康女性志愿者1例作为建模素材。
采用Philip Tomoscan SR 7000 型CT 扫描机及Easy Vision CT/MR R2 工作站进行TMJ和下颌骨螺旋扫描及三维图像重建和显示。螺旋扫描参数为螺旋层厚3mm，床进速度 3mm/s，从髁状突到颏部连续横断扫描36层，重建薄层厚度1.5mm，选择骨组织窗观察断层和重建时的下颌骨。
1.2 CT扫描图像转换为图像文件
选用Agfa Arcus II型扫描仪处理TMJ CT断层平片，将CT扫描图像转化成计算机数字图像。根据CT二维平片图像的灰度值，由Adobe Photoshop 4.0图像处理软件分离出皮质骨、松质骨，以确定下颌骨各成分的边界，并将此边界及参考坐标转换为Auto-CAD 格式文件。在Auto-CAD中，通过将图形及坐标平移、按比例缩放，使位图坐标转化为真实坐标，并输出为DXF格式文件，见图1所示。
图1 CT 扫描图像的边界数字化转换
A.CT 二维断层平片 B.皮质骨松质骨的分离
C.边界的数字化提取
1.3 TMJ三维有限元实体模型的建立
采用ANSYS 5.3有限元分析软件进行TMJ的三维影像重建和实体建模。通过自编程序将边界坐标直接写为ANSYS命令文件。在ANSYS中，通过实体建模方法，将边界线逐步生成下颌骨各表面及实体。为简化起见，我们将下颌骨按解剖形态分为多个实体分别建模，每个实体之间通过共同面连接，因为在相对简单的实体上剖分网格比较容易。对于TMJ中关节盘的模拟，根据以往解剖研究发现[6]，在关节结节与髁状突之间建立了平均2mm厚的实体单元。另外，在髁状突表面设计了覆盖着平均0.2mm厚的关节软骨层。
借助ANSYS 5.3前处理程序软件，选用四面体单元自由划分网格，建立了1967个节点、7618个单元的人TMJ三维有限元模型。
[NextPage]2 结果
下颌骨的螺旋CT三维重建影像细致逼真，同时，可以被任意旋转，可以从任何感兴趣的角度和方式来观察，再加上扫描损失信息和数据量少，可得到下颌骨鲜明、直观和整体的印象。有限元模型的下颌骨三维重建影像具有良好的几何构造，下颌骨各部位形态从不同角度观察与螺旋CT重建影像近似，形态还原基本相似，重建效果比较满意，而且亦可被任意旋转，获取详细、满意的下颌骨三维信息。
建立的TMJ三维有限元实体模型包括下颌骨、关节盘及关节结节三部分，形态细致逼真，关节盘和关节结节的模拟重建形态亦比较满意，TMJ的材料结构组成分为皮质骨、松质骨、髁状突软骨层和关节盘，与活体TMJ基本一致，见图2。由此形成了理想满意的TMJ三维有限元模型，如图3所示。
图2 人颞下颌关节三维有限元模型中构造
材料分布的模拟情况
不同颜色代表不同的材料成分其中 1 为松质骨
2 为皮质骨 3 为关节盘 4 为关节软骨
图3 人颞下颌关节包括下颌骨关节盘
及关节结节的三维有限元模型
3 讨论
有限元模型与原物的几何相似性是生物力学研究的基础和重点，建立的有限元模型要求具有满意的形态还原性。以往采用的切片法不仅因组织丢失而误差较大，而且不适用于活体[1,7]。CT三维影像重建技术的应用为在活体重建有限元模型并获得理想、精确的生物力学研究结果提供了可能[5]。
电子计算机与放射诊断学的结合为医学影像学的发展开辟了广阔的空间。近几年，螺旋CT的出现更是一个重大的飞跃。螺旋CT指X线焦点相对病人做螺旋运动，容积式采集数据的CT。其X线源的旋转与病人的平移同时进行，可实现快速扫描和回顾成像。螺旋CT获得的影像质量优于常规CT或与常规CT相当，但仍避免不了包括阶梯伪影在内的一些奇怪的伪影的出现，即使重建间隔足够小，只要物体的横断面纵向有所不同，螺旋线将更显现[8]。虽然如此，螺旋CT因其获得的容积扫描数据和任何部位可进行多断面或三维图像重建等显著优越性，而具有图像处理快捷、存贮原始数据丰富、重建影像质量很好的特点，可获得重建影像的良好几何相似形，从而拓宽了CT的应用范围及价值。
三维有限元模型，首先是建立理想满意的几何形态的三维实体模型及网格剖分。由实体模型获得适合有限元分析要求的边缘数字化描述，即为离散化过程。网格分割越细，模型的几何形态越接近原物，就能得到越来越接近精确的结果[1]。但网格太密会消耗大量的时间和精力,造成不必要的浪费。另外，不同的有限元实体建模方法对其模型几何相似性也可产生影响。CT法建模与以往采用的切片法相比较，具有适用于活体等诸多显著优点，见表1。但该方法亦对模型几何相似性存在一定的影响，包括扫描及重建丢失部分信息和数据、松质骨定位不易精确以及建模时各层面之间坐标定位的准确性。以上三点尚需今后在CT建模时加以重视和改进。
表1 有限元模型生成方法的比较
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方法 |
优点 |
缺点 |
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塑料包埋下颌骨 |
准确的松质骨分布， |
由于切片丢失了骨组织； |
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CT扫描获得的 |
准确的横截面几何形状； |
标本易损坏；标本制备和几何形状 |
本研究将CT扫描与Auto-CAD技术相结合，由CT二维平片转换为有限元分析软件可利用的图像文件，以进行三维分割。在强大的ANSYS 5.3有限元程序软件的转换和处理下，形成并模拟了正常人TMJ的三维有限元模型。由于网格面线条的存在，图像缺乏真实感，通过不同材质和灯光环境的加工，得到了实体化TMJ模型，并可被任意旋转，自由地移去影像上的某一部分从任何感兴趣的角度和方式来进行观察。本研究形成的TMJ有限元模型的三维重建影像几何形态逼真、图像还原性良好，材料构造合理，能较真实地代表原物。由此可见，从CT片的二维图像到TMJ三维有限元重建以及实体化的系统方法是切实可行的，可以获得基本满意的三维重建TMJ影像及有限元实体模型。
建立正确、完善的有限元模型是有限元应力分析的基础，是全面认识TMJ生物力学行为的第一步，理想的模型为进一步的研究提供可靠手段和方法。本研究利用 TMJ 螺旋CT三维影像重建技术与三维有限元分析方法相结合，在活体上建立了一种可进一步实验分析和临床应用的TMJ三维有限元模型，为TMJ生物力学研究和临床应用提供了研究手段和依据。