颌面部骨骼模型的三维重建及碰撞的有限元分析

摘要

颌面部是人体的暴露部位，无论是在和平年代还是战争时期，颌面部骨骼都非常容易受到损伤，其中碰撞损伤是最常发生的。所以，对于颌面部骨骼碰撞损伤的研究具有非常重要的医学价值。传统的的试验包括尸体试验、动物试验、实物模型试验等等。这些试验需要很长的试验准备时间、高额的试验费用，而且最大的问题是难控制试验的重复性。随着有限元分析的不断发展，一种全新的试验方法被引入口腔医学领域。
　　 使用三维有限元模型模进行试验与传统试验方法比较，有成本低、风险小、可重复、易控制、结果直观易比较等优点。本文试图通过一种全新的模型建立方法，重建一个单侧颞颌关节强直患者的，满足碰撞非线性有限元分析试验的颌面部骨骼三维有限元模型。这种逆向的方法建立颌面部骨骼三维有限元模型在以往的文献中未见记载。
　　 选择选择一名全身发育正常的青年男性（30岁）左侧颞颌关节强直患者作为建模对象。患者因幼年时患化脓性中耳炎致使左侧颞颌关节内强直10余年。对患者颌面部行CT扫描，将数据以DICOM格式保存。将DICOM格式数据导入Mimics中，经过数据处理得到头颅3D模型，并以STL格式输出。将STL文件导入Geomagic中，断开固连的上下颌牙，进行补洞简化模型，光顺三角面片，行成NURBUS曲面941个。将曲面以igs格式导入UG和CATIA中进行修改，得到颌面部骨骼CAD模型。将CAD模型导入Hypermesh中，对模型进行网格划分，设置边界条件。将划分好网格的模型导入Ansys-LS_DYNA设置初始条件。至此逆向方法建立的颌面部骨骼有限元模型制作完成。
　　 在Ansys-LS_DYNA中模拟10m/s速度对模型颏部进行碰撞。通过有限元分析得到应力分布图，检测模型几何相似性和应力相似性。同时验证了一侧颞颌关节强直病人在模拟的碰撞过程中颞颌关节及髁突颈部受力集中与正常人一致。
　　 结论：（1）逆向方法建立的颌面部骨骼有限元模型可以进行碰撞非线性有限元分析。模型几何相似性和应力相似性好。
　　 （2）颞颌关节强直病人在模拟的碰撞过程中颞颌关节及髁突颈部受力集中与正常人一致。

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