基于CT 扫描图像的上颌牙列的三维重建及有限元模型建模研究.doc

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邵玶等[摘要]目的:研究根据不同的患者,不同的牙列情况,建立基于螺旋CT扫描图像的上颌牙列的三维重建模型和三维有限元模型,为上颌牙列的正畸矫治提供一定的理论指导。方法:选择男女两名自愿者作为建模素材,通过螺旋CT扫描技术得到头部二维CT图像,应用三维影像技术取出含上颌牙列部分图像,对截取图像重建三维模型,最后在ANSYS中建立上颌牙列的三维有限元模型。结果:获得了细致逼真的上颌牙列三维重建影像和三维有限元模型。结论:综合运用CT扫描、三维建模等技术可以获得不同个体的上颌牙列三维有限元模型,为临床上颌牙列的正畸矫治提供一定的理论依据。
[关键词]CT图像;三维重建;实体模型;有限元模型
[中图分类号][文献标识码]A[文章编号]1008-6455(2012)10-0-0
对人体器官的螺旋CT图像的实体建模属于三维重建技术领域,是当前医学研究的一个热点课题。国内外对CT图像的三维重建进行了大量的研究,很多学者采用不同的方法对头颅[1]、肱骨、下颌骨、足跖骨等进行三维重建,用于医学研究。1979年,Artzy和Herman等首先利用CT扫描的二维图像进行了三维重建工作,克服了以往只能从CT扫描的二维图像中重叠相加进行思维综合的缺点。因此,利用高分辨率CT扫描图像在计算机上进行三维重建迅速得到了学者们的广泛关注。尤其到了20世纪90年代,螺旋CT作为一种新的工具出现后,因具有快速扫描成像、容积数据采集、优良的多轴面和三维重建图像等优点逐渐取代了传统CT,使基于螺旋CT扫描图像的计算机三维重建更加精确[2]。
对三维物体的描述方法目前应用较多的有:表面重建法、体素重建法以及截面重建法等。表面重建法采用多边形对物体的表面进行拟合,忽略了物体内部的信息,不利于进行一些分析处理或者实体制造。体素重建法不需要确立表面的几何显示,直接在体数据的基础上进行显示,速度慢,设备要求比较高,结果数据文件比较大,不利于远程传输。而截面重建法的重建结果图像只具备深度信息,不具备形状信息,旋转显示的可视侧面效果差,立体感不明显,重建时不能任意旋转不同侧面,重建灵活性差。
本文拟利用螺旋CT图像,研究面向实体模型的上颌牙列的三维模型建模方法,该方法的基本思想是:选取2个正在进行正畸治疗的患者,对二者头部拍摄CT图像,对CT断层图像进行填充,对填充后图像进行滤波,修整,然后三维重建实体模型,并根据重建的实体模型建立三维有限元模型。为后续的应力分析提供实验基础。
1材料和方法
:从临床病例中选取男女两位成年志愿者,男性志愿者A是牙合平面偏斜患者,治疗前状态,女性志愿者B是上颌前突患者,上颌左、右第四颗牙齿已拔除,治疗中状态,牙列有托槽。并且无明显牙周疾患及牙槽骨吸收,无牙体缺损及明显磨耗。
硬件64排螺旋CT机(美国GE公司),(比利时Materalise公司),(美国Ansys公司)。
[3-4]:患者取仰卧位,下颌处于息止颌位,避免上、下牙列接触重叠。采用美国GE公司64排LightSpeedVCT螺旋扫描CT机水平位薄层扫描被检者头部,,数字矩阵512×512,窗宽:2000,窗位:100。
:由于螺旋CT扫描机不具备直接图像文件数据的传输功能,因此,将螺旋CT扫描图像以DICOM格式存储在内置计算机上,然后通过光盘刻录的方式导出至后续处理用微型计算机中,图1是其中一层的CT扫描横断面图像。
:CT图像中,不同的组织,就显现出不同的灰度值。由于骨密质,骨松质的存在,使得所得到的CT图像边缘极不连贯,并且中央图像灰度值分布也很不规律,存在大量的空穴,在这种情况下,如果不进行任何处理就进行三维重建,所得的三维模型含有众多不规则孔洞,对于医学图像的复杂性,如果要利用程序全自动的解决这个问题,将会是十分困难的。因此,本文采用了人工填充的方法。对经过上述处理后的横断面图像进行牙列的三维面重建。图2为人工填充后重建的2个患者上颌牙列的三维实体模型。
仅仅经过填充就进行重建的三维模型,并不能直接用以建立三维有限元模型。由于医学图像数据的获取过程中,影响设备中各电子器件的随机扰动不可避免地会产生噪声,因此需要对获得的横断面图像进行滤波平滑,抑制噪声,增强图像特征,提高信噪比。尤其对于牙列上粘有托槽的B患者,其CT图像有强烈的伪影干扰,必须通过处理去除伪影。图3是优化处理后得到的三维实体模型。
:由于所研究的对象为复杂形状实体模型,为保证所建有限元模型准确,选择ANSYS有限元软件进行仿真分析。将上颌牙列三维实体模型导入ANSYS。选取合适的空间单元,并自由网格划分,。,利用软件自带的“CT图像灰度-组织力学材料性质”关系公式,对三维上颌牙列网格模型的各单元进行材质分配。本研究将模型中各种材料和组织考虑为各向同性的线弹性材料,。至此得出完整的上颌牙列有限元网格模型。
2结果
获得了两个患者上颌牙列的螺旋CT三维重建实体模型,模型细致逼真、可被任意旋转、剖开、***、截取,从不同角度观察重建影像形态还原性良好、重建效果满意。基于实体模型有限元模型网格均匀,能够满足后续力学分析。模型图见图3、图4。
3讨论
:能够获得可用于有限元力学分析的三维重建模型,一直是致力于有限元理论分析的国内外学者感兴趣的课题。早先采用的切片、磨片法因组织丢失、误差大且不适合活体逐渐被淘汰[5]。上世纪90年代,国外知名公司如西门子公司、美国通用公司等都相继开发了自己的具有三维重建功能的螺旋CT机。正是基于螺旋CT技术和计算机技术的发展,才使三维重建技术在活体有限元模型建立并获得理想、精确的生物力学研究结果中起到了重要的作用。目前,医学图像三维重建的基本步骤包括,从外设获得断层数字(灰度)图像序列;对断层图像进行分割,对断层间进行插值以生成立方体体素数据;进行立体感显示[6-10]。随着今后影像学和计算机技术的进一步发展,三维重建技术必然在口腔医学领域中具有更加广阔的应用前景。
以往建立的医学有限元模型由于软件功能单一、网格划分算法少、人体组织结构形状不规则等原因,需要进行适当的简化和假设,在精度方面有一定的缺陷,而且模型创建过程环节多、成本高、周期长,进一步限制了其应用。,简化了建模中提取轮廓线的过程,缩短了建模时间;再进一步的自动重划功能中,能进行更加专业地半自动或手动划分;通过扫描数据的亨氏单位,对体网格进行材质分配,从而能显著提高了有限元模型分析(FEA)结果的可靠性和精确性,在整个重建过程中最大限度地排除了人为的干扰,体现了便捷、准确的建模优势。
:实验采用某自愿者的真实牙列做实验,能够尽可能还原患者矫治过程,体现临床矫治特点。以往人们采用仿真牙列进行实验时,所有性能参数都是固定的,重建的三维模型也是相同的,力学仿真试验结果有很大相似性。采用真实患者牙列实验时,由于每个患者的骨质密度不同,牙根形状不同,对正畸力的反应不同,同一种矫治方案,对不同患者的矫治效果和矫治周期都会不同。因此,针对不同患者通过试验可以指定个性化矫治方案。
:拍摄CT时,托槽能对正常CT图像形成强烈的干扰,在重建实体模型之前必须经过细致处理,否则重建的实体模型无法输入ANSYS进行有限元建模。
4结论
本文利用64排螺旋CT技术,结合Mimics和ANSYS软件建立了上颌牙列的实体模型和三维有限元模型。实体模型形态细致逼真,模型形态与实体标本一致,可以被任意旋转并从不同角度观察,能得到上颌骨及牙列骨骼鲜明、直观、整体的印象。模型可编辑性强,可进行任意分割、复制和存储。上颌牙列的三维有限元模型具有非常精确的组织结构信息,为下一步的模型应力分析打下了良好的基础。
[参考文献]
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[9]张晓慧,丁寅,刘东,[J].中国美容医学,2005,14(2):194-196.
[10]张晗,邵玶,[J].中国美容医学,2011,20(8):1282-1284.
[收稿日期]2012-07-05[修回日期]2012-08-30
编辑/张惠娟63770707