X线头颅定位片硬组织形态三维有限元分析模型的建立
作者：田杰 林珠 陈彬 杭洽时 龚宇
单位：第四军医大学口腔医学院 林珠 710032；田杰 现在大连解放军210医院工作；陈彬 杭洽时 第四军医大学医电系；龚宇 解放军第211医院口腔科
关键词：颅骨；三维；有限元法；模型
实用口腔医学杂志990219 〔摘要〕 目的:建立颅颌面硬组织形态三维有限元分析模型。方法：基于有限元分析和Baunrind用头颅正、侧位定位片获取标志点三维坐标的原理，以硬组织标志点作为节点，按照解剖结构及结构间关系对硬组织进行单元划分。结果:选择头影测量硬组织标志点23个作为节点，颅颌面硬组织划分成13个四节点四面体单元,初步建立了一个颅颌面硬组织形态三维有限元分析模型。结论：该模型可用于颅颌面硬组织在三维方向上的形态特征及因生长、正畸矫治、正颌手术引起的形态变化研究。
Establishment of a three-dimentional finite element analysis model for hard tissue morphology on cephalometric X-ray film
, http://www.100md.com
Tian Jie,Lin Zhu,Chen Bin,et al.
Stomatological Hospital,Fourth Military Medical University, Xi'an 710032
〔Abstract〕Objective:To establish a three-dimensional finite element analysis model for hard tissue morphology.Methods:Based on the principle of finite element method and getting three-dimensional coordinates from lateral and frontal cephalometric X-ray films by Baunrind,the landmarks on cephalometric X-ray films were selected as nodes,by which the hard tissue was divided into four noded and pyramidal elements according to anatomic structures and their relationship.Results:A primary three-dimensional finite element analysis model for hard tissue morphology X-ray films was established,on which 23 landmarks were selected as nodes,and the craniofacial hard tissue was divided into 13 tetrahedral elements.Conclusions:This model may be applied to study the three dimensional morphologic characteristics and changes induced by growth,orthodontic treatment and orthognathic operation.
, 百拇医药
Key Words Skull;Three-dimension;Finite element method;Model
颅颌骨是一个复杂的三维实体，只有从三维的角度去分析，才能更真实地反映其形态变化。用有限元法进行颅颌骨三维形态分析是一种新的尝试〔1〕。本研究初步建立了一个包括鼻上颌复合体，下颌骨及牙齿在内的颅颌硬组织形态三维有限元分析模型〔2〕。
1 坐标系的确定
原点：耳杆中心线中点；X 轴：耳杆中心线；Y 轴：通过原点，与FH平面垂直的一条线；Z轴: 通过原点，与FH平面平行并且应与X轴垂直的一条线。如图1所示。
图1 颅颌硬组织三维坐标系的确定
, http://www.100md.com
2 节点的确定
颅颌硬组织三维FEM模型是通过X线头颅正、侧位定位片共同建立的。由于能同时在正侧位定位片上清晰识别的标志点很有限，本研究初步选择23个节点参与单元划分(如图2A，B)
图2 颅颌硬组织三维节点
Me-颏下点，Gor-右下颌角，Cor-右髁突顶点，L6r-右下第一磨牙点，L1-下中切牙近中切角间点，L1C-下中切牙牙槽嵴点，L3Rl-左下尖牙根尖点，L6l-左下第一磨牙点，Gol左下颌角点，U1-上中切牙近中切角间点，U1C-上中切牙牙槽嵴点，U6r-右上第一磨牙点，SP7r-右上第二磨牙牙槽缘点，Orr-右侧眶下点，Ptr-右翼突点，N-鼻根点，Ptl-左翼突点，Orl-左眶下点，SP7l-左上第二磨牙牙槽点，U6l-左上第一磨牙点，ANS-前鼻嵴点，S-蝶鞍点，Ba-颅后点。
, 百拇医药
3 单元划分
本研究颅颌硬组织划分成13个四节点的四面体单元(如表1及图3)。
图3 颅颌硬组织三维模型单元划分示意图
表1 颅颌硬组织三维模型单元划分 单元号
单元组成
单元号
单元组成
1 上颅面部
S-ORl-ORr-N
8 上牙弓
, http://www.100md.com
U1-U6r-U6l-U1C
2 后颅底
Ba-Ptl-Ptr-S
9 下颌骨体
GOr-GOl-Me-L1C
3 前颅底
S-Ptl-Ptr-N
10 左下颌骨
Me-COl-GOl-L1C
4 左前上面区
ANS-Ptl-ORl-N
, http://www.100md.com 11 右下颌骨
COr-GOr-Me-L1C
5 右前上面区
ANS-Ptr-ORr-N
12 下牙弓
L6l-L6r-L1-Me
6 上牙弓
U1-U6r-U6l-N
13 下颌骨体
GOr-GOl-Me-N
7 上颌基骨
U1C-SP7r-SP7l-N
, http://www.100md.com
4 讨 论
用有限元法对颅颌面形态进行三维分析的研究很少。本吉满等〔1〕初步建立了一个仅包括鼻上颌复合体的颅颌面形态三维有限元分析模型，并进行了小样本的生长发育研究。本研究基于Baunrind等〔3〕用头颅正侧位定位片获取标志点三维坐标的原理，利用头颅正、侧位定位片，初步建立了一个包括鼻上颌复合体、下颌骨及牙齿在内的颅颌面硬组织形态三维有限元分析模型，而使从三维角度更真实、全面地反映颅颌面硬组织的形态变化成为可能。但由于目前技术条件所限，能同时在正、侧定位片上明确辩认的同名标志点确实有限，因而节点数较少，也就导致单元数目较少，但可以相信，随着X线技术、计算机技术等相关学科的发展，该模型将会进一步完善。
参考文献
1本吉满, 山崎俊恒, 井上贵一朗, 他. 有限要素法(FEM) の成长分析ヘの应用に关する研究——第4报,Tensor 解析の三次元应用の有用性. 日矫齿志, 1989，48(5):521
2 田杰.颅颌面形态有限元分析系统的建立与应用研究:〔学位论文〕.西安：第四军医大学,1997
3 Baumrind S, Moffitt FH, Curry S. The geometry of three-dimenional measurement from paired coplanar X-ray images. Am J Orthod, 1983, 84:313
(收稿：1998-12-25), 百拇医药
单位：第四军医大学口腔医学院 林珠 710032；田杰 现在大连解放军210医院工作；陈彬 杭洽时 第四军医大学医电系；龚宇 解放军第211医院口腔科
关键词：颅骨；三维；有限元法；模型
实用口腔医学杂志990219 〔摘要〕 目的:建立颅颌面硬组织形态三维有限元分析模型。方法：基于有限元分析和Baunrind用头颅正、侧位定位片获取标志点三维坐标的原理，以硬组织标志点作为节点，按照解剖结构及结构间关系对硬组织进行单元划分。结果:选择头影测量硬组织标志点23个作为节点，颅颌面硬组织划分成13个四节点四面体单元,初步建立了一个颅颌面硬组织形态三维有限元分析模型。结论：该模型可用于颅颌面硬组织在三维方向上的形态特征及因生长、正畸矫治、正颌手术引起的形态变化研究。
Establishment of a three-dimentional finite element analysis model for hard tissue morphology on cephalometric X-ray film
, http://www.100md.com
Tian Jie,Lin Zhu,Chen Bin,et al.
Stomatological Hospital,Fourth Military Medical University, Xi'an 710032
〔Abstract〕Objective:To establish a three-dimensional finite element analysis model for hard tissue morphology.Methods:Based on the principle of finite element method and getting three-dimensional coordinates from lateral and frontal cephalometric X-ray films by Baunrind,the landmarks on cephalometric X-ray films were selected as nodes,by which the hard tissue was divided into four noded and pyramidal elements according to anatomic structures and their relationship.Results:A primary three-dimensional finite element analysis model for hard tissue morphology X-ray films was established,on which 23 landmarks were selected as nodes,and the craniofacial hard tissue was divided into 13 tetrahedral elements.Conclusions:This model may be applied to study the three dimensional morphologic characteristics and changes induced by growth,orthodontic treatment and orthognathic operation.
, 百拇医药
Key Words Skull;Three-dimension;Finite element method;Model
颅颌骨是一个复杂的三维实体，只有从三维的角度去分析，才能更真实地反映其形态变化。用有限元法进行颅颌骨三维形态分析是一种新的尝试〔1〕。本研究初步建立了一个包括鼻上颌复合体，下颌骨及牙齿在内的颅颌硬组织形态三维有限元分析模型〔2〕。
1 坐标系的确定
原点：耳杆中心线中点；X 轴：耳杆中心线；Y 轴：通过原点，与FH平面垂直的一条线；Z轴: 通过原点，与FH平面平行并且应与X轴垂直的一条线。如图1所示。
图1 颅颌硬组织三维坐标系的确定
, http://www.100md.com
2 节点的确定
颅颌硬组织三维FEM模型是通过X线头颅正、侧位定位片共同建立的。由于能同时在正侧位定位片上清晰识别的标志点很有限，本研究初步选择23个节点参与单元划分(如图2A，B)
图2 颅颌硬组织三维节点
Me-颏下点，Gor-右下颌角，Cor-右髁突顶点，L6r-右下第一磨牙点，L1-下中切牙近中切角间点，L1C-下中切牙牙槽嵴点，L3Rl-左下尖牙根尖点，L6l-左下第一磨牙点，Gol左下颌角点，U1-上中切牙近中切角间点，U1C-上中切牙牙槽嵴点，U6r-右上第一磨牙点，SP7r-右上第二磨牙牙槽缘点，Orr-右侧眶下点，Ptr-右翼突点，N-鼻根点，Ptl-左翼突点，Orl-左眶下点，SP7l-左上第二磨牙牙槽点，U6l-左上第一磨牙点，ANS-前鼻嵴点，S-蝶鞍点，Ba-颅后点。
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3 单元划分
本研究颅颌硬组织划分成13个四节点的四面体单元(如表1及图3)。
图3 颅颌硬组织三维模型单元划分示意图
表1 颅颌硬组织三维模型单元划分 单元号
单元组成
单元号
单元组成
1 上颅面部
S-ORl-ORr-N
8 上牙弓
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U1-U6r-U6l-U1C
2 后颅底
Ba-Ptl-Ptr-S
9 下颌骨体
GOr-GOl-Me-L1C
3 前颅底
S-Ptl-Ptr-N
10 左下颌骨
Me-COl-GOl-L1C
4 左前上面区
ANS-Ptl-ORl-N
, http://www.100md.com 11 右下颌骨
COr-GOr-Me-L1C
5 右前上面区
ANS-Ptr-ORr-N
12 下牙弓
L6l-L6r-L1-Me
6 上牙弓
U1-U6r-U6l-N
13 下颌骨体
GOr-GOl-Me-N
7 上颌基骨
U1C-SP7r-SP7l-N
, http://www.100md.com
4 讨 论
用有限元法对颅颌面形态进行三维分析的研究很少。本吉满等〔1〕初步建立了一个仅包括鼻上颌复合体的颅颌面形态三维有限元分析模型，并进行了小样本的生长发育研究。本研究基于Baunrind等〔3〕用头颅正侧位定位片获取标志点三维坐标的原理，利用头颅正、侧位定位片，初步建立了一个包括鼻上颌复合体、下颌骨及牙齿在内的颅颌面硬组织形态三维有限元分析模型，而使从三维角度更真实、全面地反映颅颌面硬组织的形态变化成为可能。但由于目前技术条件所限，能同时在正、侧定位片上明确辩认的同名标志点确实有限，因而节点数较少，也就导致单元数目较少，但可以相信，随着X线技术、计算机技术等相关学科的发展，该模型将会进一步完善。
参考文献
1本吉满, 山崎俊恒, 井上贵一朗, 他. 有限要素法(FEM) の成长分析ヘの应用に关する研究——第4报,Tensor 解析の三次元应用の有用性. 日矫齿志, 1989，48(5):521
2 田杰.颅颌面形态有限元分析系统的建立与应用研究:〔学位论文〕.西安：第四军医大学,1997
3 Baumrind S, Moffitt FH, Curry S. The geometry of three-dimenional measurement from paired coplanar X-ray images. Am J Orthod, 1983, 84:313
(收稿：1998-12-25), 百拇医药