CBCT扫描结合逆向工程软件建立邻牙合嵌体洞型三维有限元模型研究(2)
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1.2 方法
1.2.1 CBCT扫描数据的获取：使被检者坐于CBCT椅位，戴入预先制作的咬合板，微张口，避免上下颌牙列接触。采用韩国怡友pax-zenith3D DCT PRO型锥束形CT(CBCT)扫描机进行扫描，在电压90KV、电流 7mA条件下，层厚间距0.2mm，探头沿患者头部360度扫描一周，共得到断层图像351张断层影像。获得的图像位图以医学图像通讯标准DICOM格式直接从CT机中导出，记录在稳定性良好的光盘上保存和使用。
1.2.2 图像分割并初步建模：将DICOM数据导入Mimics10.01软件中，通过import image命令将光盘上的数据导入，以右侧下颌第一磨牙为研究对象，经过筛选共得含有目标磨牙的133张断层图像，根据牙齿的不同组织所对应不同的灰度值，设定阈值，来拾取牙体、牙釉质及牙髓腔，通过蒙板工具(MASK)，区域生长工具(REGION GROWING)及模板编辑(EDIT MASK)工具拾取具有相似灰度特征的目标区域进行数据分割拟合，将编辑好的蒙板运用3D模型工具(CACULATE 3D)计算生成3D模型，实体模型以STL(Standard Template Library)格式几何文件输出。
1.2.3 三维几何模型的精修：将牙体、牙本质、髓腔的图形文件导入Goemagic studio12.0软件进行模型的细化和精修。因Mimics输出的模型存在较多缺陷，需对之进行优化处理。采用下述方法：对于高度折叠区域，选中包含折叠区的部位进行删除，接着进行填洞(FILL HOLE)；对于毛刺部分，用砂纸(SANDPAPER)打磨，对于大范围小曲率的凹凸不平，则使用整体光滑(SMOOTH)命令。可以反复运用以上三种方法，直至所得模型表面平整光滑为止。用自动曲面(AUTO SURFACE)和拟合曲面(FIT SURFACE)进行拟合，并生成体，将以上曲面重构的牙体各部件的实体模型保存为IGES(The Initial Graphics Exchange Specification)格式文件。
1.2.4 牙齿各部分的实体建模及装配：将牙釉质、牙髓腔、整牙以IGES文件导入到PRO/E 5.0软件中，利用布尔运算得到包含牙釉质，牙本质和牙髓腔的组件，切换到组件模式下，将牙釉质和牙本质组装成组件，装配后得到其组装后的完整磨牙模型。此时的牙齿是一个可以区分牙釉质、牙本质、牙髓腔的牙齿实体模型。
1.2.5 洞型以及嵌体制作：装配后得到牙齿各部分完整磨牙模型，在 PRO/E 5.0中，组建模式下，在牙冠上选取三个高点定义一个基准平面，然后选取扫描切口命令，通过定义洞型的顶面、底面草绘图形状以及两草绘面之间的距离定义并生成出洞型。根据MO洞型的标准[7]，构建牙合面洞深2mm，侧壁外展约6°，鸠尾峡为颊舌径的1/3，龈壁宽1mm，深1.5mm邻面箱型洞型。龈壁位于平齐颈缘线处，其龈壁应底平,髓壁与就位道一致,龈壁及髓壁相互垂直，各壁无倒凹， 洞缘预备成45°洞斜面，洞斜面宽度1.5mm。
将全牙导入此装配界面，用默认坐标系定位使其和带洞型的全牙完全重合。将全牙用布尔减运算减去带洞型的全牙，生成嵌体。此嵌体默认是镶嵌在洞型里面的，将此装配体也保存为PRO/ E默认组件.asm格式，以待进一步有限元分析。
1.2.6 有限元模型网格的划分：将含洞型的嵌体牙分别导入到ANSYS workbench软件中，分析类型为结构分析(STRUCTURAL ANALYSIS), 定义单元类型为SOLID 45,运用智能自由划分方法生成四面体单元网格。即可构成整个下颌第一磨牙三维有限元模型含邻牙合面洞(Ⅱ类)洞型嵌体的三维有限元模型。所得模型为后续的不同形式嵌体修复的生物力学分析提供数字模型。
1.2.7 材料参数、试验假设及边界条件：①材料参数：牙齿结构的力学特性参数选自有关文献；②牙本质：弹性模量18600 Mpa，泊松比0.31[8]；牙釉质：弹性模量84100 Mpa，泊松比0.30[8]；牙髓：弹性模量0.002 Mpa，泊松比0.45[9]；③实验假设：假设模型中的各材料和组织为连续、均质、各向同性的线弹性材料；④边界条件：假定牙齿固定于牙槽骨内，各点在x、y、z三个轴的位移等于零[10]，受力时模型各界面均不产生相互滑动。
2实验结果
2.1 牙体实体几何模型：本研究成功建立的右下颌第一磨牙全长22.02mm(20.5mm)、冠长7.9mm (7.6mm)、根长12.1mm(12.9mm)、冠宽11.1mm(11.2mm)、冠厚10.6mm(10.5mm)。与王惠芸[11]报道(括号中)的下颌第一磨牙大致相符。图1为牙体三维实体模型。图2为得到的牙体各部件精修后的实体几何模型。
2.2MO洞型及嵌体模型：在 PRO/E 5.0中，利用布尔运算得到牙体各组件，整牙-扩展牙釉质=无牙髓腔牙的本质；无牙髓腔的牙本质-牙髓腔=牙本质(带牙髓腔的牙本质)；整牙-无牙髓腔牙本质=牙釉质，装配形成完整磨牙模型并生成MO洞型及嵌体(图3)。
2.3含邻牙合面洞洞型嵌体的三维有限元模型：ANSYS workbench有限元软件对模型进行网格划分。图4为有限元实体网格模型，该模型可以全方位旋转和缩放，嵌体、牙釉质、牙本质可以分离，可对其内部和外部任意方向进行观察，模型上可施加各种工况条件。采用文献参数中的材料属性对牙齿的各个部分进行赋予各自的属性。得到的节点总数为24646个，单元为13834。其中牙釉质节点为8463个，单元为4572，牙本质节点为14416，单元为8357个，牙嵌体节点为1767，单元为905个。
3讨论
有限元法是一种广泛应用于工程科学领域的数学方法。自1973年Thresher[12]首先将有限元法应用于口腔医学,有限元法已经成为口腔生物力学研究领域中一种有效分析工具。有限元的基本原理是将连续的结构分割为若干个有限大小的单元，以单元的组合体替代原结构，建立有效的数字模型，进行力学分析。其特点在于被分析的结构可以是任意形状和不同的组成材料等情况。一旦建立了模型，可分析研究各种不同的加载情况 ......
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