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图像融合技术建立颞下颌关节有限元模型的生物力学分析研究

买买提吐逊·吐尔地  
【摘要】:颞下颌关节(Temporomandibular joint TMJ)是人体最为复杂、解剖结构细致的滑膜关节,左右各一,双侧联合运动,构成统一的结构功能单位体,不仅共同完成咀嚼、吞咽等,而且同时还完成言语、表情等复杂功能性活动[1]。牙颌系统作为是人体的暴露部位,极易遭到损伤,而且TMJ为人体最常使用的关节,颞下颌关节紊乱病的发病较高。因此对于颞下颌关节的研究对牙颌系统研究中具有重要的临床意义。颞下颌关节所承载负荷一直以来是口腔医学与力学所共同关注的生物力学研究中的重点与难点。由于口腔颌面部解剖结构的复杂性,传统的各项实验研究方法比较繁复,费时、费力而且大多不能再次重复实现。随着数学物理学研究方法、空间结构几何学、科学计算机技术在牙颌系统中广泛应用,出现了很多更有效、更准确的新方法,其中有限元建模与分析法就是以上两者相互结合的代表产物。有限元方法在口腔牙颌系统生物力学中的成熟应用,建立准确、开放性强及快速的有限元模型与医学影像学技术的迅速发展是离不开的,而且此方法已成为口腔牙颌系统建模中的必然趋势。而颞下颌关节作为口腔牙颌系统最为复杂而且细致的组织结构,应用有限元法对其进行生物力学分析研究时,对模型的几何相似度和力学相似度提出更高的要求。本研究应用薄层螺旋CT扫描技术和MRI技术获取拥有全牙列的下颌骨的影像信息,并将获取图像进行不同图像融合,同时结合大型科学计算软件——有限元软件,对薄层断层的不同影像资料进行分析处理。建立了较为精确、应用方面较为广泛的拥有全牙列的下颌骨及颞下颌关节整体的三维有限元模型。初次进行CT影像和MRI影像的图像融合,使用大型科学计算软件进行各类图片资料的的识别,并将所获取数据输入至三维有限元软件,提高了有限元建模效率,适合于口腔医学专业技术人员对有限元模型的预处理,建立颞下颌关节整体的三维有限元模型。图像融合技术的应用使得关节窝、关节盘和髁状突的解剖结构显影更为清楚,从而使颞下颌关节整体有限元模型的建立更为精确、可行。在所建立的颞下颌关节有限元模型上模拟紧咬和侧方等功能性下颌运动,在不同功能运动时分别进行生物力学的有限元分析,获取应力分布数值,确定口腔颌面外科术中颞下颌关节正常位置,为功能状态下颞下颌关节和下颌骨损伤后的力学分析模拟奠定了基础。同时对部分颞下颌关节盘穿孔及前移位的病例进行局部建模分析。 目的:利用螺旋CT和MRI扫描图像,探讨利用图像融合技术对颞下颌关节(TMJ)整体软、硬组织进行三维重建的方法,为TMJ的生物力学研究及其临床分析提供依据,探索新的、更有效的构建三维有限元模型的精确方法。创建拥有全牙列的正常人颞下颌关节有限元模型,为颞下颌关节结构和功能研究的精细化提供较科学的、理想的数字化分析工具及分析基础。在所建立的颞下颌关节有限元模型上模拟紧咬状态和侧方等功能运动,在不同功能运动时分别进行局部生物力学和整体生物力学的有限元分析,获取应力分布数值,确定颌面外科术中颞下颌关节正常位置,为髁状突骨折、正颌外科手术、颞下颌关节置换等提供强有力的、说服性强的科学依据。建立包括颞下颌关节的人头颅整体的数字化模型,为口腔颌面部手术及损伤修复提供新途径,搭建数字化分析为基础的技术平台。方法:1)应用不同影像技术获取颞下颌关节三维图像信息的实验研究:①颞下颌关节的螺旋CT扫描与三维重建选择1例正常发育、面部骨性结构无异常,无明显错合畸形的正常个体1名,对该个体的颞下颌关节及颏部进行标记,同时对双侧颞下颌关节、下颌骨、部分上颌骨和颅骨进行三维螺旋CT扫描,以为0.625mm/0.625mm扫描层厚/层距,获取头面部断层整体数据,扫描后结果以DICOM格式存储。将CT扫描获得的医学信息资料直接输入至MIMICS12.0软件中。首先选择自TMJ关节窝顶上方3mm到下颌骨最下缘和下颌角所在的断层为建模范围,将这些层面影像导入到MIMICS软件中,以交互式方式读入DICOM格式的CT数据,将编辑和分割工具可以使用户处理数据,以选择关节盘、韧带、骨骼等组织。根据螺旋CT扫描的关键参数,选择合理的颅颌面部软、硬组织所对应的灰度阈值范围,直接进行影像文件资料的识别与转化,并以三维方式显示。选择模块优化部分,选择光顺处理图标的优化功能将完成模块的自动修复和优化;②颞下颌关节的MRI扫描及三维重建将对同一个体进行双侧颞下颌关节整体区以扫描平面分别为垂直于髁突长轴,进行斜矢状向扫描,层厚1.5mm,无间隔扫描方式进行MRI扫描,获取双侧TMJ断层影像数据。将MRI扫描获得的医学信息资料直接导入MIMICS12.0软件中。定义三维空间平面,利用阈值分割及区域增长和人工修补3种方式进行图像分割。所需的组织提取后,再利用Mimics3D Matic功能生成三维模型,将重建完成后的三维模型以三角形网格文件格式STL格式文件输出并保存。颞下颌关节CT及MRI数据的图像融合分别在已完成的三维重建下颌骨(包括骨表面与骨容积)、颞骨(双侧节窝部分)、下颌牙列和关节的盘模型数据中,读取各相对区域的球状标志物,进行分割寻找其重心及空间结构和位置关系。基于11标志点的对应关系进行配准。基本确定髁突和关节窝的相对于颞下颌节盘空间三维位置。最后根据TMJ整体软、硬组织解剖位置的匹配关系进行精细调整,完成TMJ整体的三维图像融合。最终以可直接被有限元分析软件所应用的三角形网格文件格式STL文件格式保存处理。2)颞下颌关节有限元模型的建立研究在螺旋CT扫描和重建结果的基础上,对已构建的以颞下颌关节主体区域的三维几何模型进行手工划分的方式构建网格划分处理。设定颅颌面骨软、硬组织表面和其边界条件,对骨组织、关节盘及关节韧带等组织均采用三维几何四面体(三角面片)的形式进行网格划分,建立正常个体颞下颌关节整体的三维有限元模型。3)颞下颌关节有限元模型运动功能的有限元分析研究在颞下颌关节整体有限元模型构建中,上颌骨上方作固定约束控制、约束控制正中矢状剖面区域的所有节点及颞骨关节窝顶部区域所有节点的自由度,限制模型的整体移位变化。应用有限元软件包ANSYS系统,对牙尖交错紧咬合时及侧方功能运动进行模拟分析研究。对该功能性运动下颞下颌关节盘移动的特点及应力分布情况进行分析,确定功能运动下关节盘的形变及其规律。同时,对部分颞下颌关节盘穿孔的病例和颞下颌关节盘前移位的病例进行局部建模和分析。结果:1)应用不同影像技术获取颞下颌关节三维图像信息的实验研究:①颞下颌关节的螺旋CT扫描与三维重建三维螺旋CT分辨率由于高于单一空间,能确保多空间高分辨率,在头面部组织结构三维重建领域中具有独特的优越性。本研究对正常个体的双侧颞下颌关节、下颌骨、部分上颌骨和颅骨进行扫描,共获取了465个CT扫描断层。MIMICS12.0(交互式医学图像控制系统)是可以显示和分割图像,对图像进行渲染、栅格化及三维重建的交互式图像工具软件系统。它能完成复杂曲面结构的重建,本研究对获取的465个扫描断层进行三维重建,获得了包括双侧颞下颌关节、下颌骨、部分上颌骨和颅骨的三维几何模型,并对三维几何模型进行优化及升级,优化后的模型文件以三角形网格文件格式,即STL格式保存,可直接被有限元软件系统所应用,并进行有限元建模和一系列的有限元分析处理;②颞下颌关节的MRI扫描及三维重建MRI扫描同样具有极高的空间分辨率,尤其是对软组织(本研究中为关节盘)的分辨具有独特优势。本研究对同一个体的头颅和双侧颞下颌关节区进行冠状和斜矢状向扫描,层共获取双侧TMJ扫描断层影像406。对获取的406个MRI扫描断层,通过MIMICS12.0软件进行重建,获得了正常个体的颞下颌关节关节盘,关节韧带的三维几何模型,完成了正常人颞下颌关节整体软组织影像的三维重现、重建及优化处理;③颞下颌关节CT及MRI数据的图像融合本研究在完成的三维重建下颌骨(包括骨表面和骨容积)、颞骨(双侧关节窝部分)、下颌牙列和关节盘模型数据中,读取相对区域的球状标志物,进行分割寻找其重心及空间结构和位置关系。基于11标志点的对应关系进行配准。基本确定髁突和关节窝的相对于颞下颌节盘空间三维位置。根据TMJ软、硬组织解剖位置的匹配关系进行细致化调整,完成TMJ的三维图像融合。采取人工介入选择特征点的交互式轮廓提取方式与自动提取轮廓分别构建软硬组织三维几何模型,同时对构建的三维几何模型进行优化处理,最后可以三角形网格文件格式,即直接被有限元软件所应用的三角形网格文件格式STL文件格式保存。2)颞下颌关节三有限元模型的建立研究采用手工划分网格的方式对获取的医学信息建立网格结构,其中网格结构单元为四面体(三角面片)。本研究最终获得的正常个体颞下颌关节整体的网格由55710个单元和26493个节点所组成;在获取的整体网格基础上,正常人头面部软组织有限元模型由有限元软件ANSYS中构建并获取的有限元模型由69902个单元和33589个节点所组成。该模型在一定程度上反映了颞下颌关节的生物力学性能(各向异性及关节盘的弹性及双相特性),具有真实性、有效性,为进一步进行颞下颌关节整体有限元模型的生物力学分析创造了条件和基础。建模过程需要大量人工手工网格划分及数学计算过程,耗时较长,需要大量工作来保证精确性。3)颞下颌关节有限元模型功能运动下的有限元分析研究下颌侧方运动时,同侧关节盘(工作侧)与对侧关节盘(非工作侧)的应力分布有所不同。同侧关节盘承担的较高应力,该应力位于关节盘的后带及关节盘的侧方部。由于颞下颌关节关节盘压迫颞骨下壁,同侧关节盘-髁状突复合体的侧方附着带处于扭曲状态,因而此区域也是最易受损或穿孔的区域。髁突向上、后、内侧移动,关节盘在与髁突一同向后、向上运动的同时,在髁突表面相对髁突做向前的转动是牙尖交错位紧咬时髁突与关节盘的特点;同时关节盘的应力值明显小于髁突表面的应力值,而且关节盘内表面的应力与关节盘外表面的应力分布相似,关节内力通过髁突、关节盘和关节窝相互间的接触关系以及关节盘的缓冲作用下得以传递和分散。结论:本实验应用螺旋CT和MRI扫描图像,利用图像融合技术对颞下颌关节整体软、硬组织进行三维图像的重建,获取了新的,更有效的构建三维有限元模型的精确方法;创建了包括全牙列的正常人颞下颌关节整体有限元模型,为颞下颌关节的研究提供了理想的数字化分析工具。并在其基础上模拟了颞下颌关节牙尖交错咬合和侧方等功能运动,同时在不同功能运动时进行了有限元分析处理,获取应力分布数值,为髁状突骨折、正颌外科手术、颞下颌关节盘手术、颞下颌关节置换等提供了可信度较高的科学依据。研究结果表明:1)本研究不仅介绍了一个颞下颌关节有限元模型建立的完整方案,同时着重于不同功能性运动位,颞下颌关节整体有限元模型的建立,模拟了不同颞下颌关节功能性运动,为颞下颌关节动态性研究提供了科学依据;2)本研究提出了两种高精度影像数据的图像融合在构建有限元模型中的优势,不同图像融合技术使得髁状突、关节盘和关节窝的解剖结构显像更为清晰,从而使颞下颌关节整体区有限元模型的建立更为精准。该模型的建立为后期进行功能状态下颞下颌关节和下颌骨损伤的力学分析模拟奠定了基础;3)这项技术在所建立的模型上模拟颞下颌关节牙间交错咬合和侧方等功能运动,在不同功能性运动时分别进行有限元分析研究,获取应力分布数值,确定功能颌面外科术中颞下颌关节正常位置,为髁状突骨折、正颌外科手术、颞下颌关节置换等提供真实、可信的科学依据。在临床应用方面具有实际价值和推广意义;4)建立包括颞下颌关节整体的人下颌骨数字化模型,为颞下颌关节手术及修复提供新途径,搭建数字化技术平台。


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