鼻上颌骨复合体三维有限元模型的建立

1、材料与方法

（1）软件环境

医学三维重建软件Mimics 和有限元分析软件Ansys

（2）图像处理及三维重建

2、结果

CT扫描断层图像以DICOM格式导入Mimics医学三维重建软件，由二维断层图像重建出三维表面模型，Remesh模块对三维模型的表面进行优化，在Ansys软件中完成正常人鼻上颌骨复合体实体模型的三维重建，计算机自动处理三维 格划分，结合手工划分最终生成236120个单元，117894个节点的鼻上颌骨复合体三维有限元模型。在整个建模过程中重要的解剖结构特征得到了准确的再现，并且与颅底、颧骨等周围骨组织结构的连接完整保留，模型影像分辨率高，具有三维实体信息，并且模型的数据格式可以顺利导入各种有限元分析软件。

3、讨论

有限元法（ finite element method, FEM）是将连续的弹性体分割成有限个单元，以其结合体来代替原弹性体，并逐个研究每个单元的性质，以获得整个弹性体的力学分析方法 。它首次由Turner于1956 年在航空工业中应用成功。此后，随着计算机技术的进步，有限元分析法已逐步发展成为工程中广泛应用的方法。后来Friedenberg将其应用于医学领域。

有限元法是生物力学研究中的重要手段之一，它可对复杂几何形状物体建模，求得整体和局部的应力和位移值及其分布规律，并可根据需要改变受载与边界条件等力学参数，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，作为一种工程力学研究方法，正逐渐被应用到矫形外科领域，骨应力分析是FEM的主要用途之一。

在用传统的实验方法根本无法全面、精确描述其应力分布，而有限元分析可以很好地表现骨组织应力分布的总体趋势，无需建立体外实体模型即可以进行多种力学分析 ,其分析方法高效、精确、可信度高等。

目前能用于鼻上颌骨复合体有限元的建模方法有：

（1） 磨片、切割法 由于需要切割破坏模型，并且在断面很薄的情况下，也很难获得一致的断面厚度，在包括材料的选择，图像的处理，边缘提取等环节都容易产生误差，所以该方法已经被淘汰。

（2）三维测量法 三维测量数据采集成本较高 ,数据处理时间较长，只能得到的表面数据无法反映组织内在的材料特性 ,也不常用。

（3）CT 图像处理法 CT图像处理法其主要过程为：

1. CT 扫描获得原始数据；
2. 将 CT 胶片通过扫描、摄像等方法输入计算机，获得二维图像；
3. 在图像分析软件中形成轮廓线位图 ,获取图像边界数据；
4. 将获得的数据输入三维有限元分析软件中处理 ,最终获得有限元模型。该方法需要人工图格式以及人工准确对位，而且在通过胶片扫描传递数据的过程中容易丢失很多信息，对位的不准确也直接影响着所建立模型精确性。

本研究应用DICOM数据直接建模法，简化了CT建模的程序，避免反复操作造成的数据的失真或丢失，实现了自动化辅助建模。Dicom （ Digital Imaging and Communications in Medicine）医学数字图像通讯 ,是医学信息领域中的一种通用的图像及数据通讯标准，国际上已广泛地应用于各医学成像设备及信息系统中。

用该方法所建鼻上颌骨复合体有限元实体模型

（1）与CT三维重建医学生物模型具有很好的相似性。

（2）模型具有强大的装配功能 ,可在其基础上进行再建模操作。

（3）模型在三维空间内可从任何角度进行观察研究，在加载后，通过应力分布图可直观地看到其内部应力及位移的分布状况。

（4）该模型建立了完整的鼻上颌复合体形态 ，包括了上颌骨后部及其与鼻上颌骨复合体相连结的颅骨，因而使应力分布的运算更加精确，为临床耳鼻咽喉科能进一步研究鼻上颌骨复合体骨折的生物力学的机制提供模型基础成为可能。

由于鼻上颌骨复合体几何结构复杂 ,要达到模型与实体各解剖部位完全符合不但耗时、耗力 ,而且建模难度较大，并且有时为了有限元分析的需要，在建模时在对鼻上颌骨复合体有限元模型前处理时做了些简化处理（例如将材料属性设为连续、均值、各向同性的线弹性材料，材料受力变形较小），导致了与实体的组织学特性不完全相符 ,所以部分信息的不准确可能对整个模型的力学相似性造成一定的影响。

承接医学有限元分析项目委托

颈椎、腰椎、肩关节、髋关节、肘关节、膝关节、踝关节、义齿、种植体、上下颌骨、黏膜、牙冠 、心血管、医疗器械等分析。