〔摘要〕　目的：为口腔生物力学的研究和优化修复体的设计提供研究手段。 方法：应用先进的牙CT技术和现代计算机图像处理系统，结 合三维有限元专用软件对CT断层影像进行分析处理。结果：建立了 全牙列下颌骨三维有限元模型。所建立的完整下颌骨三维有限元模型具有无损伤性，输入计 算机的图形、图像和数据可重复使用。重现的牙颌组织的形态、结构相似性好，研究者可根据需要对个别参数进行修改，模拟各种牙列缺损类 型及牙周支持组织的病变情况。结论：该模型可用于牙颌系统生物 力学研究。
关键词　全牙列下颌骨；三维有限元模型；CT

　　有限元法是一种实用的、有效的理论应力分析方法。1973年Farah〔1〕等首先将 这一方法用于牙列修复的优化设计中。近年来随着电子计算机技术的飞速发展，各种功能齐 全的软件开发，使有限元技术可以用于各种复杂问题的力学研究，其分析研究的基础是建立 有限元模型。由于牙颌组织中的牙齿、牙周膜、牙槽骨、颌骨以及修复体的结构外形多样性 、不规则性、受力的复杂性。因此，如何准确获取上述结构的几何形态并将其计算机数字化 ，建立完整准确的下颌骨三维有限元模型是有限元分析能否实现的关键。本研究运用电子计 算机图像处理功能，结合CT断层扫描技术，对重建全牙列下颌骨三维有限元模型进行初步探 索。

1　材料和方法

1.1　样本来源
　　选择一名牙列完整、牙周组织正常、无任何口腔病变的健康男性志愿者，作为被测试对象。
1.2　CT扫描
　　被检对象取仰卧位，颏部抬高，使下颌下缘与水平面垂直，头部固定，并戴用预先制作的咬 合板，使被测者微张口，避免上、下牙列接触重叠。扫描全过程，要求口腔处于安静状态。
　　使用德国西门子公司Somaton ART CT扫描机。扫描条件130kV，70mA，3.0s。扫描时，扫描 标志线与下颌骨下缘平行，由下至上进行横断面扫描，直至髁状突顶端。总共获得42张断层 影像，断面间距2 mm。(图1)
1.3　CT图像的处理和网格划分
　　一些先进CT机具备图像轮廓数据的输出功能，但国内大多数医院所用的CT需作处理以获取轮 廓数据。下颌骨中牙齿、皮质骨、松质骨、牙周膜等结构在CT图像中具有不同的灰度值，而 且各结构之间是逐渐过渡的，无明显的灰度突变。为此，CT片需进行图像增强和结构轮廓放大，之后将CT断层 图像(横断面)中各结构轮廓描记于透明坐标纸上，并保证输入计算机内的各截面在同一坐标 系。采用美国AIS公司的Algor分析软件，自动和手工相结合划分有限元单元和节点。在保证 模型准确性的基础上，对部分细微结构的网格(单元)和节点细划，如牙齿、牙周膜等部位。 其它部位则粗划。本实验中建立的模型有六面体和五面体，以六面体为主，共生成5 644个单元，26 561个节点。

图1　CT断层图

1.4　边界条件
　　固定下颌骨下缘的有关节点〔2〕。
1.5　载荷条件
　　垂直方向加载140 N，这与正常人平时的咀嚼力相接近。
1.6　材料力学参数〔3～5〕
　　见表1。

表1　有关材料的力学参数　(单位MPa)

材料名称	弹性模量I(E)	泊松比(u)
皮质骨	13 700	0.3
松质骨	1 370	0.3
牙冠	51 720	0.3
牙根	8 620	0.3
牙周膜	6.9	0.45

 

1.7　实验假设〔6〕
　　本实验中各种材料和组织均考虑连续、均质和各向同性的线弹性材料。
1.8　有限元的工作方式
　　将所研究的弹性物体离散成有限个单元。选择单元位移函数，建立单元刚度矩阵和整体刚度 矩阵，引入边界条件，求解方程式。获得所有节点位移分量，由节点位移求出各单元应力。 整个求解过程及有关数据处理均由计算机自动完成〔7〕。
2　结　果

　　从CT断层扫描而获得的横断面和侧断面连续图像，均可获得建模的信息。本研究中，利用CT 横断面图像，应用计算机图象分析系统和有限元专用软件，通过人机对话，进行图形结构的 修改，建立了适合生物力学研究的全牙列下颌骨三维有限元模型(图2)。

责任编辑：姚红祥