鼻上頜骨復(fù)合體位于面中部，并突出于面部，幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它是由上頜骨、顴骨、鼻骨、淚骨、上牙列以及與上頜骨解剖關(guān)系緊密的部分顱骨組成的骨性結(jié)合體，因此外傷所致骨折發(fā)生的幾率相對較高，如要分析其骨折的生物力學(xué)機(jī)制，首先要全面了解其結(jié)構(gòu)本身和結(jié)構(gòu)狀態(tài)對生物力學(xué)特性的影響。近年來計算機(jī)運算速度及計算方法的不斷進(jìn)步，有限元法逐漸成為力學(xué)研究中最為重要的分析方法，尤其在口腔生物力學(xué)研究中得到廣泛的應(yīng)用，快速、準(zhǔn)確地建立三維有限元模型是生物力學(xué)有限元研究的首要問題，也是進(jìn)行三維有限元分析的基礎(chǔ)。目前國內(nèi)外已運用多種建模方法建立了下頜骨的三維有限元模型，而由于鼻上頜骨復(fù)合體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對其有限元模型建立的則較少。本文應(yīng)用CT掃描技術(shù)，采用DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件，最終應(yīng)用Ansys有限元軟件建立鼻上頜骨復(fù)合體三維有限元模型。在探索如何建立鼻上頜骨復(fù)合體三維有限元模型的新方法和模式的同時，為臨床耳鼻咽喉科、顱頜面外科進(jìn)一步研究鼻上頜骨復(fù)合體骨折的生物力學(xué)的機(jī)制提供了可靠的基礎(chǔ)。

1、材料與方法

（1）軟件環(huán)境

醫(yī)學(xué)三維重建軟件Mimics 和有限元分析軟件Ansys

（2）圖像處理及三維重建

CT掃描所獲得DICOM格式數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入醫(yī)學(xué)三維重建軟件Mimics 軟件，確定需要進(jìn)行三維重建的圖像范圍，設(shè)定Thresholding范圍僅顯示骨骼組織，并用蒙皮編輯CT圖像上需要成像的組織，重建出鼻上頜骨復(fù)合體三維圖像。因所得到的三維模型單元形狀不規(guī)則，單元數(shù)量過多，會影響到力學(xué)分析的精確性，對分析速度也有極大的影響，所以利用remesh模塊對三維模型的表面三角形數(shù)量和質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化。然后Mimics輸出三維模型的表面文件到Ansys，最終在Ansys軟件中完成有限元模型的建立。

2、結(jié)果

CT掃描斷層圖像以DICOM格式導(dǎo)入Mimics醫(yī)學(xué)三維重建軟件，由二維斷層圖像重建出三維表面模型，Remesh模塊對三維模型的表面進(jìn)行優(yōu)化，在Ansys軟件中完成正常人鼻上頜骨復(fù)合體實體模型的三維重建，計算機(jī)自動處理三維網(wǎng)格劃分，結(jié)合手工劃分最終生成236120個單元，117894個節(jié)點的鼻上頜骨復(fù)合體三維有限元模型。在整個建模過程中重要的解剖結(jié)構(gòu)特征得到了準(zhǔn)確的再現(xiàn)，并且與顱底、顴骨等周圍骨組織結(jié)構(gòu)的連接完整保留，模型影像分辨率高，具有三維實體信息，并且模型的數(shù)據(jù)格式可以順利導(dǎo)入各種有限元分析軟件。

3、討論

有限元法（ finite element method, FEM）是將連續(xù)的彈性體分割成有限個單元，以其結(jié)合體來代替原彈性體，并逐個研究每個單元的性質(zhì)，以獲得整個彈性體的力學(xué)分析方法 。它首次由Turner于1956 年在航空工業(yè)中應(yīng)用成功。此后，隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，有限元分析法已逐步發(fā)展成為工程中廣泛應(yīng)用的方法。后來Friedenberg將其應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

有限元法是生物力學(xué)研究中的重要手段之一，它可對復(fù)雜幾何形狀物體建模，求得整體和局部的應(yīng)力和位移值及其分布規(guī)律，并可根據(jù)需要改變受載與邊界條件等力學(xué)參數(shù)，在維持原模型幾何形狀不變的情況下，可方便地對其應(yīng)力大小和分布的變化進(jìn)行對比分析，作為一種工程力學(xué)研究方法，正逐漸被應(yīng)用到矯形外科領(lǐng)域，骨應(yīng)力分析是FEM的主要用途之一。

在用傳統(tǒng)的實驗方法根本無法全面、精確描述其應(yīng)力分布，而有限元分析可以很好地表現(xiàn)骨組織應(yīng)力分布的總體趨勢，無需建立體外實體模型即可以進(jìn)行多種力學(xué)分析 ,其分析方法高效、精確、可信度高等。

目前能用于鼻上頜骨復(fù)合體有限元的建模方法有：

?（1） 磨片、切割法 由于需要切割破壞模型，并且在斷面很薄的情況下，也很難獲得一致的斷面厚度，在包括材料的選擇，圖像的處理，邊緣提取等環(huán)節(jié)都容易產(chǎn)生誤差，所以該方法已經(jīng)被淘汰。

（2）三維測量法 三維測量數(shù)據(jù)采集成本較高 ,數(shù)據(jù)處理時間較長，只能得到的表面數(shù)據(jù)無法反映組織內(nèi)在的材料特性 ,也不常用。

（3）CT 圖像處理法 CT圖像處理法其主要過程為：

1. CT 掃描獲得原始數(shù)據(jù)；

2. 將 CT 膠片通過掃描、攝像等方法輸入計算機(jī)，獲得二維圖像；

3. 在圖像分析軟件中形成輪廓線位圖 ,獲取圖像邊界數(shù)據(jù)；? ? ? ? ?

4. 將獲得的數(shù)據(jù)輸入三維有限元分析軟件中處理 ,最終獲得有限元模型。該方法需要人工圖格式以及人工準(zhǔn)確對位，而且在通過膠片掃描傳遞數(shù)據(jù)的過程中容易丟失很多信息，對位的不準(zhǔn)確也直接影響著所建立模型精確性。

本研究應(yīng)用DICOM數(shù)據(jù)直接建模法，簡化了CT建模的程序，避免反復(fù)操作造成的數(shù)據(jù)的失真或丟失，實現(xiàn)了自動化輔助建模。Dicom （ Digital Imaging and Communications in Medicine）醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像通訊 ,是醫(yī)學(xué)信息領(lǐng)域中的一種通用的圖像及數(shù)據(jù)通訊標(biāo)準(zhǔn)，國際上已廣泛地應(yīng)用于各醫(yī)學(xué)成像設(shè)備及信息系統(tǒng)中。

Mimics為介于醫(yī)學(xué)與機(jī)械領(lǐng)域之間的一套逆向軟件，可以對CT和MRI掃描圖像進(jìn)行顯示、分割及三維重建，并轉(zhuǎn)換成為CAD/ CAM、Ansys等有限元分析軟件可以處理的數(shù)據(jù)格式（如 STL 格式）。本研究利用Mimics直接讀取Dicom數(shù)據(jù)直接建立三維模型，模型為三維表面模型，非三維實體模型，然后轉(zhuǎn)換為 Ansys 三維有限元軟件可識別的格式，在Ansys中完成有限元網(wǎng)格劃分，建立三維有限元實體模型。在該建模過程中，鼻上頜骨復(fù)合體三維圖像直接來源于薄層 CT 掃描數(shù)據(jù)，并在預(yù)處理時無任何形式圖像轉(zhuǎn)換，在大大減少工作量的同時去除了人為因素造成的誤差，并且在計算機(jī)自動輔助建模下，使得所建鼻上頜骨復(fù)合體有限元實體模型更加精確，分辨率更高。

用該方法所建鼻上頜骨復(fù)合體有限元實體模型

（1）與CT三維重建醫(yī)學(xué)生物模型具有很好的相似性。

（2）模型具有強(qiáng)大的裝配功能 ,可在其基礎(chǔ)上進(jìn)行再建模操作。

（3）模型在三維空間內(nèi)可從任何角度進(jìn)行觀察研究，在加載后，通過應(yīng)力分布圖可直觀地看到其內(nèi)部應(yīng)力及位移的分布狀況。

（4）該模型建立了完整的鼻上頜復(fù)合體形態(tài) ，包括了上頜骨后部及其與鼻上頜骨復(fù)合體相連結(jié)的顱骨，因而使應(yīng)力分布的運算更加精確，為臨床耳鼻咽喉科能進(jìn)一步研究鼻上頜骨復(fù)合體骨折的生物力學(xué)的機(jī)制提供模型基礎(chǔ)成為可能。

由于鼻上頜骨復(fù)合體幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ,要達(dá)到模型與實體各解剖部位完全符合不但耗時、耗力 ,而且建模難度較大，并且有時為了有限元分析的需要，在建模時在對鼻上頜骨復(fù)合體有限元模型前處理時做了些簡化處理（例如將材料屬性設(shè)為連續(xù)、均值、各向同性的線彈性材料，材料受力變形較?。?，導(dǎo)致了與實體的組織學(xué)特性不完全相符 ,所以部分信息的不準(zhǔn)確可能對整個模型的力學(xué)相似性造成一定的影響。