【摘要】 目的：探讨在颞下颌关节区及下颌骨磁共振(MR)影像的基础上建立颞下颌关节三维有限元模型的可行性,观察对关节盘建模的效果。方法：在对颞下颌关节区和下颌骨进行MR扫描的基础上，应用图像处理和转换技术，运用ANSYS有限元程序建立颞下颌关节区包括下颌骨的三维有限元模型。结果：建成后的模型具有良好的形态，与关节区及下颌骨的MR三维图像均具有良好的相似性。关节盘具有较真实的形态位置。结论：在对关节区及下颌骨进行MR扫描及三维重建的基础上建立三维有限元模型是切实可行的，尤其对关节盘能进行真实模拟。
关键词：颞下颌关节；磁共振成像；图像处理,计算机辅助；三维有限元模型

　　与计算机技术相结合，用有限元法进行生物力学分析是近年来发展起来的一种生物力学研究方法。有限元模型的良好几何相似性是准确进行力学模拟和分析的基础。在以往的研究中,学者们曾采用切片法和CT扫描方法获得物体的三维外形以建立有限元模型。作者尚未见在磁共振成像的基础上建模的报道。本研究的目的是探讨在对颞下颌关节区和下颌骨进行MR成像和三维重建的基础上，建立关节区和下颌骨的三维有限元模型的可行性，为以后的生物力学模拟和分析打下基础。

1 材料和方法

　　选择牙列完整，咬合关系正常，无咬合障碍，后牙为中性，无任何颞下颌关节紊乱病（Temporomandibular joint disorders, TMD)症状和体征的健康成年女性志愿者一例。采用Signa 1.5T 超导型磁共振机（General Electric Company, Milwaukee, Wisconsin, USA）对双侧颞下颌关节区进行闭口位扫描。选择三维快速扰相位梯度回波序列（3D-FSPGR）。接收线圈为表面线圈。成像参数选择如下：重复时间（TR）13.4ms,回波时间（TE）4.2ms,视场（FOV）18×18cm,层厚1.3mm无间隔,矩阵256×192，信号采集均值次数（NEX）为2。改用头线圈对下颌骨由后向前进行冠状位扫描以获得包括下颌骨区的头部冠状位影像。采用自旋回波序列。扫描参数选择如下：TE 14ms,TR 500ms,FOV 20×20cm,NEX 1.5,矩阵256×224，层厚3mm。对获得的断层影像进行三维重建和显示。
　　用（Agfa ArcusⅡ型）扫描仪将MR二维图像扫入计算机。在计算机中用图像处理软件，以人工勾画的方式提取出感兴趣区（关节窝，关节盘，下颌骨等）的外形轮廓。从使用表面线圈作为接收线圈获得的关节区系列MR影像中提取出关节区形态，从用头线圈作为接收线圈获得的头部MR影像中提取出下颌骨的形态。将提取出的图形转入Auto-CAD中，以扫描层厚为间距叠加起来。根据MR图像中的比例尺，按解剖结构的真实大小读取图形中每个点的坐标。将图形转化为数据文件，转入有限元处理程序ANSYS5.3（SAS IP, Inc, Houston ,Texas, USA ）中。在ANSYS中将关节区的系列图形及下颌骨的系列图形按坐标组合起来。先将组成这些图形的线（line）用多个点（keypoints）表示出来，再将同一层面及不同层面的点连接起来，形成多条拟合曲线，再将曲线连接起来形成面(area)和体(volume)。这样即获得了关节区和下颌骨的三维空间外形。用ANSYS的前处理程序对建成的体进行自动网格划分即获得了包括关节区和下颌骨的三维有限元模型。
　　参照Koolstra等[1]的方法，用前述的方法从头部MR影像中提取出咀嚼肌的断层形态，按其坐标在空间叠加起来，经肌肉起止点的中心，并参考肌肉形态，定出肌力作用线起止点的坐标。将咀嚼肌用只受拉不受压的杆单元来模拟，与下颌骨连接，约束咀嚼肌杆单元在颅骨附着点的自由度。各咀嚼肌横截面积参照Koolstra等[2,3]的研究如下：嚼肌浅层5.7cm2,嚼肌深层2.3cm2,翼内肌5.4cm2,颞肌前份5.9cm2, 颞肌后份4.9cm2, 翼外肌（下头）2.3cm2。肌肉的弹性模量参照Kuchler等[4]的研究的值，为8.2×102N/cm2,波松比为0.4[5]。
　　我们建立了右侧下颌骨的有限元模型，将其以正中矢状平面为对称平面映射（reflect）出左侧下颌骨即可形成整个下颌骨的模型。计算时可以仍以右半侧下颌骨的模型为基础，在对称面处加上对称的边界条件。选取下颌骨的外层单元作为皮质骨，内层单元作为松质骨。将关节窝几何形状稍作简化，均作为皮质骨处理。约束关节窝上表面所有节点的全部自由度。皮质骨、松质骨、关节盘的材料常数参照Tanaka等[6]的数值。各材料的材料常数见表1。模型使用的坐标系为Cartsian坐标系。假设模型各部分为连续、均质、各向同性的线弹性材料。

责任编辑：姚红祥