关于生物力学方面论文封面格式,关于上颌单端游离缺失可摘义齿支架的三维有限元建模相关电大毕业论文范文

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[摘 要 ]目的：利用三维有限元专用软件技术,建立精确且能广泛应用的上颌游离端缺失及整铸义齿的三维有限元模型.方法：利用DCTP120螺旋CT扫描获得DICOM 格式数据文件后导入MIMICS10.0软件,采用阈值分割与手动分割相结合的处理方法,计算得到颌骨、牙列和支架初步几何模型,并结合CATIA软件、ANSYS13.0三维有限元专用软件等技术建立三维有限元模型.结果：成功建立了26,27缺失的包含上颌骨、余留全牙列、牙周膜、黏膜及支架材料的铸造可摘局部义齿的三维有限元模型.结论：该有限元建模具有省时、便捷、精确、可重复性强及上手容易等特点,为进行口腔修复学领域生物力学的分析研究打下基础.

[关 键 词 ]上颌单端游离缺失；可摘局部义齿；三维有限元模型

[中图分类号]R783 [文献标识码]A [文章编号]1008-6455（2013）01-0176-03

3D finite element modeling of oral soft and hard tissue and RPD in the Maxillary single end free missing

JIA Ru,WANG Jun-tao,LU Yi

（Department of Prosthodontics,School of Stomatology,Xi 'an Jiaotong University,Xi'an 710004,Shaanxi,China）

Abstract： Objective Use three dimensional finite element special software technology to build a more accurate and more extensive application of maxillary distal-extension absence and the whole casting denture of three dimensional finite element model. Methods Use DCTP120 spiral CT scanning to get D ICOM format data documents and then guide them into MIMICS10.0 software.Using threshold segmentation and manual segmentation processing method,calculate an get the preliminary three-dimensional geometric model of the jaw bone,teeth column and support.And then bine with CATIA software, ANSYS13.0 three dimension finite element technology such as special software to construct a three dimensional finite element model. Results The FEM of the casting RPD in which 26,27 are missing was successfully set up,including maxilla,after full dentition, periodontal,mucosa,teeth and support material. Conclusion The finite element modeling has the features of timesaving,convenient,precise,better repeatability and easy to fit in,etc.So it can lay the foundation for biomechanics analysis research in oral prosthetics field.

Key words：maxillary single end free missing；removable partial denture；three-dimensional finite element model

自20世纪60年代以来,随着计算机技术的进步,有限元分析法（FEM）已逐步发展成为工程中广泛应用的方法.此外,有限元法也是生物力学研究中最先进,最有效的方法之一,是目前广泛使用的口腔生物力学研究方法[1],其研究的基础是建立准确的数字化模型.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.这种方法高效、精确、低成本, 已成为结构优化设计、材料非线性和几何非线性分析的一种实用、有效、方便的应力分析方法.由于医学成像技术种类繁多,优点也各不相同,如何综合利用各种成像技术,发挥其各自优势,为医生提供更加丰富、可靠的图像信息,以便直观地利用这些信息指导临床或进行研究,成为医学图像技术的一个重要研究课题[2].本研究应用薄层CT断层扫描技术[3]和MIMICS[4]、CATIA医学逆向工程软件辅助建模,以探讨如何提高FEM模型精确性及提高建模效率.

1.材料和方法

1.1样本来源：一名健康男性志愿者,其上颌左侧牙列游离缺失,余牙完整,无任何颅面组织缺损.同时在模型上制作26、27缺失的支架式可摘局部义齿[5].

1.2 硬件：DCTP120螺旋CT扫描仪；PC计算机CPU：3.6；内存：8G.软件：MIMICS（Materialise公司,比利时）；CATIA（达索公司,法国）；Ansys Workbench 13.0（Ansys公司,美国）. 1.3方法：扫描佩戴义齿的志愿者获得其CT图像,利用Mimics软件读取断层影像数据进行组织特征的识别和分离,在Catia软件中进行点云文件的生成和优化,逆向工程完成组织模型、支架模型的构建[6].

1.4有限元模型建立步骤

1.4.1 CT扫描[7]：CT扫描上颌骨：测试对象取端坐开口位,眶耳平面与水平面平行,头部固定.扫描条件90.0Kvp,7.0mA,层厚0.4mm,床进速度1mm/s.扫描时,扫描标志线与眶耳平面垂直,由髁状突顶端至颏部下缘进行横断面扫描.支架扫描条件同上,存储格式为di（如图1～2）

1.4.2 CT图像处理：将CT扫描所获得DICOM 格式数据文件导入Mimics10.0 软件[8].通过蒙版（Mask）操作, 根据骨组织、牙体组织、牙周膜、粘膜组织及金属支架材料的灰度值（gray value）的差异,使用阈值化操作“Threshokl”命令选择适当的阈值,初步提取颌骨、牙列及支架的轮廓[9]（如图3）,应用“Cakulate 3D”命令对上颌骨、牙列及支架进行运算得到三维图像[10].将模型以“point clound”方式输出,输出格式为“stl”,保存在mimics目录下.重建后的三维图像（如图4～5）可被Ansys13.0软件识别, 最终在Ansys软件中完成有限元模型的建立[11].

1.4.3 组织分离与点云生成：由于牙颌系统的复杂性和CT扫描仪的精确度问题,一些局部细节特征（如咬合面的凹凸及CT影像缺损等）可以通过Mimics软件进行刻画.CT扫描不能获得人工牙和基托的影像数据,在建模过程中人工牙由真实牙代替,在计算时材料参数采用人工牙情况.最终计算获得3D模型（如图6）.

2.结果

在这项研究中,以现有的有限元基础,利用Mimics、Catia等软件,建立了包括可摘局部义齿支架的上颌单侧游离缺失有限元模型,该模型具有良好的几何和生物相似性,为口颌系统的三维有限元建模提出了一种更高效、准确的方法,是牙颌系统建模的趋势.

3.讨论

本研究利用薄层CT及MIMICS医学逆向工程软件建立包含上颌骨、全牙列及义齿支架的三维FEM模型,该模型具有以下的特点.

3.1 模型精度的提高：利用薄层CT（厚度0.4mm,无间隔）可以显著减少以往CT断层影像出现的伪影,精确定位松质骨和密质骨,从而获得更准确的CT断层影像；通过扩大扫描范围获得边界数据使误差明显减少.利用在mimics中直接提取组织轮廓,避免处理过程中掺杂人为因素和对图像的多次处理：同时mimics软件中的绘图功能,在读取边界数据时可以绘制轮廓曲线,避免数据误读和缺失.本研究中利用组织结构在CT成像中的灰度值的差异区分各组织的区域轮廓,例如口颌系统各种组织在CT成像中灰度值差异很大,且各个组织均有一定灰度值范围,确定灰度值后就能获取该组织的影像轮廓并可以直接计算3D模型,从而能清晰的显示组织各部分的形态和位置[12-14].相较于之前的FEM研究模型几何形态更逼真,更有利于在加载条件下观察和