构建不同矢量骨吸收的牙周炎下颌骨3D数字解剖学模型

叶章艳，柳欢，叶鹏程，吴立军，丁熙

1.温州医科大学附属平阳医院 口腔科，浙江 温州 325400；2.温州医科大学 数字化医学研究所，浙江 温州 325035；3.温州医科大学附属第一医院 口腔科，浙江 温州 325015

第三次全国口腔健康流行病学的调查显示，35～44岁年龄组的牙周健康率约为14.2%，65～77岁年龄组的牙周健康率约为13.6%[1]，牙周炎已成为我国发病率极高的口腔疾病。但碍于医学伦理学的限制，直接测量牙周炎患者口内的生物力学特征十分困难，且缺乏有效的科学依据，故根据国人的特点建立高精度完整的下颌骨解剖模型是体外数字医学研究下颌生物力学分析的前提。牙作为咀嚼受力的第一载体，包含牙釉质、牙本质等不同解剖结构，如不建立完整精确的全牙列解剖模型而直接在下颌骨上加载，力集中明显，与临床实践有较大差异[2-3]。牙周炎与非牙周炎患者的主要区别在于牙周附着丧失及牙槽骨吸收[4]。针对不同程度牙周炎患者引起的应力分布变化，需要建立个体化牙周炎样本模型来进行生物力学分析。故本研究建立体外以牙槽骨矢量吸收程度为标准的含完整解剖结构的全牙列牙周健康模型及轻、中、重度牙周炎患者下颌骨3D数字解剖学模型。

1 对象和方法

1.1 对象 选取1例健康成人男性志愿者，23岁，牙 列完整，经X线检查排除颌骨疾患。经查体该名志愿者身高169 cm，体质量65 kg，BMI为22.76 kg/m2， 口内牙列完整，无明显牙体组织缺损，无修复牙冠，牙周情况良好，无明显牙槽骨吸收。

1.2 软硬件条件 荷兰飞利浦公司16排螺旋CT机进行断层扫描；医学三维图像重建软件对CT断层扫描的切片图像数据集合形成三维图像；Materialise Mimics10.0软件进行模型切分，根据重建的下颌骨模型，使用直观的轮廓编辑功能对3D模型进行细微调整，划分出不同的解剖结构；逆向工程Geomagic Studio12.0软件和有限元前处理HyperMesh 11.0软件对数字化模型进行优化、分割、网格优化。

1.3 CT数字模型的建立 采用CT扫描志愿者下颌骨，以眶耳平面为参照平面，层厚间距0.5 mm，螺距0.875 mm，扫描范围从下颌骨下缘至髁突，共82层截面断层。从CT数据获取扫描图像数据以DICOM格式直接储存，导入医学三维图像重建软件 Materialise Mimics10.0，调整对比度，去除软组织阴影，根据骨骼阈值划分，软件自动生成骨组织表面轮廓，依据牙根根管及髓腔形态，逆向模拟充填其内的牙髓解剖轮廓，在牙齿牙根与下颌骨之间的缺隙充填0.2 mm的牙周膜结构，结合软件各种工具及临床解剖学特征，手动描绘各部结构的轮廓曲线，重建生成下颌骨（包括分离皮质骨和松质骨、牙釉质、牙本质、牙骨质、牙周膜、牙髓、颞下颌关节髁状突等结构），以STL格式保存。

1.4 完整下颌骨数字解剖学模型的建立 将Materialise Mimics10.0软件生成的下颌骨结构以STL格式导入到逆向工程软件Geomagic Studio12.0软件，利用多边形编辑工具，对各独立的牙体组织结构和下颌骨（皮质骨和松质骨）进行优化调整。包括控制三角片的角度，使其大致符合等边三角形，根据模型的大小调整三角形边长，以此为基础形成高质量的四面体网格结构，促使网格单元形状规则、疏密可控，极大提高了几何相似性和力学相似性，建立完整的下颌骨有限元前处理模型。

1.5 牙周炎模型的建立 慢性牙周炎骨吸收的程度一般按吸收区占牙根长度的比例来描述，分为三度。轻度：牙槽骨吸收在牙根的颈1/3以内；中度：牙槽骨吸收超过根长的1/3，但在根长的2/3以内，或者吸收达根长的1/2；重度：炎症较明显或发生牙周脓肿。牙周袋＞6 mm，X线片显示牙槽骨吸收占根长的2/3以上[5]。为统一样本模型中每个牙位的骨吸收情况，以不同程度牙周炎骨吸收的临界值为标准划分，修整模型。将下颌骨三维几何模型导入Geomagic Studio12.0软件，用测得的牙根总长度减去釉牙骨质界至牙槽嵴顶的距离，得出每颗牙的牙槽骨内牙根长度，降低牙槽骨高度至牙根骨内段长度的0、1/3、1/2、2/3，修整边缘使其光滑连续，建立四个模型模拟健康牙周及轻、中、重度牙周炎的下颌骨模型，模拟骨吸收牙周治疗后稳定状态。

1.6 实验预设条件 实际情况下牙周炎的牙槽骨吸收情况是十分复杂的，牙周袋的每个面吸收情况不尽相同，此种建模方式与临床情况存在偏差，但目前要研究的是整体牙列的情况，该方法所建立的模型牙槽骨表面情况规则均匀，方便分析计算。所有解剖结构为均质、各向同性的线弹性材料[6]，解剖结构的材料力学参数见表1[7-8]。

表1 下颌骨各解剖结构材料的力学参数

2 结果

2.1 含完善解剖结构牙列的下颌骨3D数字解剖学模型的建立 构建了包含皮质骨、松质骨、牙釉质、牙本质、牙骨质、牙周膜、牙髓、颞下颌关节髁状突等结构的下颌骨3D数字解剖学模型和牙体各解剖结构模型，还原牙齿面形态和根管走向，见图1；下颌骨数字模型正、侧位面见图2。下颌骨模型节点总数55 034个，面单元总数108 273个。

图1 Ansa 16.0软件示牙体几何模型

2.2 不同矢量骨吸收的牙周炎下颌骨3D数字解剖学模型的建立 构建轻度牙周炎、中度牙周炎、重度牙周炎的下颌骨3D数字解剖学模型。牙槽骨吸收水平分别降至根长的1/3、1/2、2/3骨水平，所有解剖结构相接触的部位均做共节点连接，见图3-4。有限元前处理模型中三角片大致符合等边三角形，在网格划分上，其稀疏分布能够与受力情况一致，即应力梯度大及各不同质相衔接的部位采用相对较密的网格分布；而应力梯度小，结构单一均质的部位采用相对稀疏的网格分布，四面体网格层层优化，网格单元形状规则、疏密可控，见图5-7。各下颌骨模型面单元数和节点数见表2。

3 讨论

3.1 下颌骨3D数字解剖学模型的建立 牙作为下颌骨受力的载体，在咀嚼过程中以及外伤受力中承受着不同的应力加载及创伤。下颌骨的建模方法多样，包含磨片、切片法、三维测量法、CT图像处理法和DICOM数据直接建模法等。目前下颌骨建模的普遍研究现状是利用CT影像结合计算机数字化处理及三维重建技术来复原下颌骨实体模型。本研究采用口腔CBCT扫描结合DICOM医学数字图像通讯标准和Mimics软件辅助建模，将下颌骨的三维影像资料转换成医学数据，结合临床医师对其解剖形态的掌握，在计算机软件上描绘生成3D数字解剖学模型，并利用有限元前处理软件，手动精细调整四面体网格结构，保证四面体网格质量，从而建立了更为精确的下颌骨三维有限元前处理模型。以往下颌骨有限元模型的构建和有限元生物力学分析研究[7，9-10]，利用简化的骨块模型、牙体均质一体化的下颌骨模型、牙冠牙根简化的牙体模型等，容易使应力的分散与临床实际情况不符。本研究完善了下颌骨的完整牙列，对于牙体组织的解剖结构均作出了细化建模，赋予每个解剖结构生物力学参数，形成了具有完善牙体形态，牙根个性化的数字解剖学模型。赋予更高几何相似度的含全牙列下颌骨三维有限元前处理模型，其生物力学分析更贴近临床的真实效果[11]。

图2 Geomagic Studio12.0软件示下颌骨三维几何模型

图3 Geomagic Studio12.0软件示牙周炎的下颌骨模型

图4 Geomagic Studio12.0软件示牙周炎的牙体及牙周膜模型

图5 Geomagic Studio12.0软件示轻度牙周炎下颌骨模型

图6 Geomagic Studio12.0软件示中度牙周炎下颌骨模型

图7 Geomagic Studio12.0软件示重度牙周炎下颌骨模型

3.2 牙周炎分型的下颌骨3D数字解剖学模型的建立 牙周病是牙周致病菌引起的牙周组织的免疫炎症性疾病，慢性牙周炎是最常见的牙周病类型。牙周炎临床研究中，牙周炎的病变程度需要考虑牙周附着丧失程度、探诊深度、出血指数、牙齿松动度等[12]。既往牙周炎的免疫反应研究，利用动物实验建立小鼠牙周炎模型[13]。而医学生物力学研究主要从骨水平与机械性能相结合，研究样本的弹性模量、应力与应变、骨强度、动静力平衡等概念。本实验利用医学影像结合数字化医学软件，根据牙槽骨不同矢量骨吸收水平，构建以牙槽骨高度吸收程度为标准的牙周健康模型、轻度牙周炎、中度牙周炎和重度牙周炎患者下颌骨3D数字解剖学模型。牙周炎患者的牙槽骨吸收情况是十分复杂的，牙周袋的每个面吸收情况不尽相同，且咬合力来源的咀嚼肌和咬合接触部位都具有较大差异，目前尚无法构建完美的精准下颌骨模型，适用于大众[14]。牙周炎已经普遍成为中老年牙缺失的首大原因，而种植牙修复是目前首选的修复方式。种植修复应用于牙周炎患者的疗效及生物力学分析是目前国内外的研究热点。有学者[15]通过典型病例取材，建立缺牙区下颌骨牙槽嵴萎缩有限元模型，进行种植修复冠的生物力学分析。ROCCUZZO等[16]对部分无牙颌患者分为三组（无牙周炎、中度牙周炎和重度牙周炎）进行种植术后10年前瞻性研究，但碍于医学伦理学的限制以及临床口腔检查有较多影响因素可能对结果造成误差。本研究建立牙周炎下颌骨数字解剖学模型可以为下颌骨的骨手术、缺牙的修复、牙在骨内的移动等提供生物力学研究基础。

表2 各下颌骨模型面单元数和节点数

3.3 本研究的应用前景 计算机医学图像技术以及医学技术的高速发展，促进了口腔医学领域颌骨三维数字化实体模型的建立，国内外学者许多研究均与颌骨三维实体模型紧密相关。下颌骨囊性病变的生物力学分析[17]，对于下颌骨不同矢量骨吸收种植牙修复的骨界面分析及下颌种植修复优化设计[18]， 下颌骨骨折切复内固定术[19]以及口腔模拟教学等各方面都需要下颌骨三维数字化实体模型的支持。随着牵张成骨技术在牙槽嵴增高中的广泛应用，其术前设计也愈来愈多地依赖于生物力学分析。利用本研究构建的结构完整、精确度高、几何相似性高的牙周炎下颌骨有限元前处理模型，通过模拟不同颌骨疾病，添加或替换单元，适当调整模型，可以为后续的不同临床载荷以及有限元应力分析提供操作平台和实验基础，并为临床上不同程度牙周炎患者的口腔疾病提供体外生物力学建模，为临床实践操作提供生物力学参考。