1.Цель: Изучить метод создания трехмерной конечно-элементной модели носо-челюстного комплекса путем создания трехмерной конечно-элементной модели, которая обеспечивает основу для изучения биомеханических свойств носо-челюстного комплекса.
2. МЕТОДЫ: Файлы данных в формате DICOM были получены со спиральных КТ-тонкослойных сканов, импортированы в программу 3D реконструкции Mimics, и программа конечных элементов Ansys была применена для создания 3D конечно-элементной модели носо-челюстного комплекса.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ: 3D конечно-элементная модель носо-челюстного комплекса, созданная данным методом, имеет хорошее сходство с твердым телом, операционная погрешность мала, а разрешение моделирования высокое.
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ: Применение метода автоматизированного моделирования с использованием данных DICOM является быстрым, точным и эффективным методом конечно-элементного моделирования. 3D конечно-элементная модель носо-челюстного комплекса, построенная в результате данного эксперимента, обладает высокой точностью и воспроизводимостью и может служить основой для клинических отоларингологических исследований биомеханики переломов носо-челюстного комплекса.
Носочелюстной комплекс расположен в середине лица и выступает из него. Он имеет сложную геометрию и состоит из верхней челюсти, скуловой кости, носовой кости, слезной кости, верхнего зубного ряда и части черепной кости, которая тесно связана с верхней челюстью. Сначала необходимо полностью понять влияние самой структуры и ее состояния на биомеханические свойства. В последние годы, с развитием скорости компьютерных вычислений и вычислительных методов, метод конечных элементов постепенно стал самым важным аналитическим методом в исследованиях механики, особенно в исследованиях биомеханики зубов, где быстрое и точное создание трехмерных конечно-элементных моделей является основной проблемой в биомеханических конечно-элементных исследованиях и основой для трехмерного конечно-элементного анализа. В настоящее время в стране и за рубежом используются различные методы моделирования для создания трехмерной конечно-элементной модели нижней челюсти, в то время как для носо-челюстного комплекса создано меньше конечно-элементных моделей из-за его сложной структуры. В данной работе мы применили технологию компьютерной томографии, использовали данные DICOM для импорта программного обеспечения Mimics и, наконец, применили программное обеспечение Ansys finite element для создания трехмерной конечно-элементной модели носочелюстного комплекса. Изучая возможности создания нового метода и модели трехмерной конечно-элементной модели носо-челюстного комплекса, он обеспечивает надежную основу для дальнейших исследований механизма биомеханики переломов носо-челюстного комплекса в клинической оториноларингологии и краниомаксиллофациальной хирургии.
1. материалы и методы
(1) Материалы для моделирования Был отобран здоровый взрослый мужчина-доброволец без травм головы и лица в анамнезе или хирургических вмешательств.
(2) Экспериментальное оборудование
① Аппарат КТ: В исследовании использовался 16-рядный спиральный КТ (LIGHTSPEED 16) производства компании General GE.
②Рабочая платформа: ПК с операционной системой Windows XP sp3, процессор Pentium D 2,8 ГГц, память 4 Гб
(3) Программная среда: Mimics 10.01 (интерактивная система управления медицинскими изображениями Materialise) и Ansys 10.0 (система анализа) для трехмерной медицинской реконструкции.
(3) Компьютерная томография
Для сканирования черепа испытуемого в положении лежа использовалась 16-рядная спиральная компьютерная томография компании GE General с напряжением сканирования 120 КВ, силой тока 100 мАс, толщиной слоя 1,3 мм, шириной окна 1000 и положением окна 200. Двухмерные томографические изображения обрабатывались рабочей станцией КТ в файлы данных в формате DICOM и записывались на диск.
(4) Обработка изображений и трехмерная реконструкция
Файлы данных в формате DICOM, полученные при КТ-сканировании, были импортированы в программу медицинской 3D-реконструкции Mimics 10.01, которая определила диапазон изображений, подлежащих 3D-реконструкции, установила пороговый диапазон для отображения только скелетных тканей и использовала Mask для редактирования тканей, подлежащих изображению на КТ-снимках, для реконструкции 3D-изображений носо-челюстного комплекса. Поскольку полученная 3D модель имеет неправильную форму ячеек и слишком много ячеек, что влияет на точность механического анализа и оказывает большое влияние на скорость анализа, количество и качество треугольников поверхности 3D модели оптимизируется с помощью модуля remesh. Затем Mimics10. 01 выводит файл поверхности (Area) 3D-модели в Ansys10.0, и, наконец, конечно-элементная модель завершается в программе Ansys.
(5) Метод работы с конечными элементами
Исследуемый упругий объект дискретизируется на конечное число ячеек. Выберите функцию единичного перемещения, определите матрицу жесткости единицы и общую матрицу жесткости, введите граничные условия и решите уравнения. Получаются все узловые перемещения, а напряжения в каждом узле выводятся из узловых перемещений. Весь процесс решения и соответствующая обработка данных осуществляется автоматически с помощью компьютера. Предполагалось, что кортикальная кость и отменная кость верхнечелюстного комплекса являются изотропными и непрерывными упругими материалами.
2. Результаты
Томографические изображения КТ были импортированы в программное обеспечение Mimics medical 3D reconstruction в формате DICOM, и 3D модель поверхности была реконструирована из 2D томографических изображений, а модуль Remesh оптимизировал поверхность 3D модели. Была создана трехмерная конечно-элементная модель носомаксиллярного комплекса с 236120 ячейками и 117894 узлами. В процессе моделирования были точно воспроизведены важные анатомические особенности, сохранены связи с основанием черепа, скуловой костью и другими окружающими структурами костной ткани. Изображение модели было высокого разрешения и содержало трехмерную информацию, а формат данных модели мог быть легко импортирован в различные программы конечно-элементного анализа.
3. Обсуждение
Метод конечных элементов (МКЭ) — это метод механического анализа, в котором непрерывный эластомер разбивается на конечное число единиц, исходный эластомер заменяется их объединением, и свойства каждой единицы изучаются по отдельности для получения целого эластомера. Впервые он был успешно применен Тернером в 1956 году в аэрокосмической промышленности. С тех пор, с развитием компьютерных технологий, FEA постепенно превратился в широко используемый метод в машиностроении. Позже Фриденберг применил его в медицине. Метод конечных элементов является одним из наиболее важных инструментов в изучении биомеханики. Он позволяет моделировать сложные геометрические объекты, находить общие и локальные значения напряжений и смещений и их распределение, изменять механические параметры, такие как нагрузка и граничные условия, по мере необходимости, чтобы изменения в величине и распределении напряжений можно было легко сравнивать и анализировать при сохранении геометрии исходной модели. Анализ напряжений в костях является одним из основных направлений использования МКЭ, который все чаще применяется в области ортопедии.
МКЭ является одной из основных областей применения анализа напряжений в костной ткани. В то время как традиционные экспериментальные методы просто не способны дать полное и точное описание распределения напряжений, МКЭ может обеспечить хорошее представление общей тенденции распределения напряжений в костной ткани и может использоваться для проведения различных механических анализов без необходимости создания твердой модели in vitro, что является эффективным, точным и высоконадежным.
Существующие методы моделирования, которые могут быть использованы для моделирования конечных элементов носо-челюстного комплекса: (1) Метод шлифования и резки Метод был исключен из-за необходимости вырезать и разрушать модель, а в случае тонких сечений также трудно получить постоянную толщину сечения, включая выбор материалов, обработку изображений, выделение краев и другие аспекты подвержены ошибкам. (2) Метод трехмерного измерения Стоимость получения данных трехмерного измерения высока, время обработки данных велико, можно получить только поверхностные данные, которые не могут отражать свойства материала, присущие ткани, и не часто используются. (3) Метод обработки изображений КТ Основной процесс метода обработки изображений КТ: (а) КТ сканирование для получения исходных данных; (б) КТ фильм через сканирование, камера и другие методы в компьютер для получения двухмерных изображений; (в) в программное обеспечение для анализа изображений, чтобы сформировать растровое изображение линии контура, чтобы получить данные границы изображения; (г) данные, полученные в трехмерной обработки программного обеспечения анализа конечных элементов, и, наконец, получить модель конечных элементов Этот метод требует ручного формата чертежа, а также ручной модели. Этот метод требует ручного формата карты и точного ручного выравнивания, и много информации легко теряется в процессе передачи данных через сканирование пленки.
В данном исследовании применяется метод DICOM для упрощения процесса моделирования КТ, что позволяет избежать искажения или потери данных, вызванных повторными операциями, и реализовать автоматизированное моделирование. Mimics — это набор инверсионного программного обеспечения между медицинской и механической областями, которое может отображать, сегментировать и реконструировать КТ и МРТ-сканы в 3D и преобразовывать их в форматы данных (например, формат STL), которые могут быть обработаны CAD/CAM, Ansys и другими программами конечно-элементного анализа. В данном исследовании Mimics использовался для прямого считывания данных Dicom для непосредственного построения 3D модели с трехмерной моделью поверхности и трехмерной твердотельной моделью, которая затем была преобразована в формат, распознаваемый программой для 3D конечных элементов Ansys, и в Ansys было завершено построение конечно-элементной сетки для построения трехмерной конечно-элементной твердотельной модели. В этом процессе моделирования трехмерные изображения носомаксиллярного комплекса получаются непосредственно из данных тонкослойной компьютерной томографии и предварительно обрабатываются без какой-либо формы преобразования изображений, что значительно снижает рабочую нагрузку и устраняет человеческий фактор. Конечно-элементная твердотельная модель носо-челюстного комплекса, построенная этим методом (1), имеет хорошее сходство с КТ 3D-реконструкцией медицинской биомодели. (2) Модель имеет мощную функцию сборки и может быть повторно смоделирована на ее основе. (3) Модель можно наблюдать и изучать под любым углом в трехмерном пространстве, а распределение ее внутренних напряжений и смещений можно визуализировать с помощью диаграммы распределения напряжений после нагружения. (4) Модель устанавливает полную морфологию носочелюстного комплекса, включая заднюю часть верхней челюсти и черепную кость, соединенную с носочелюстным комплексом, что делает расчет распределения напряжения более точным и обеспечивает модельную основу для дальнейшего изучения биомеханики переломов носочелюстного комплекса в клинической оториноларингологии.
Из-за сложной геометрии носогубного комплекса достижение полного соответствия между моделью и анатомическими частями твердых тел не только занимает много времени и трудоемко, но и трудно поддается моделированию. Гистологические свойства материала не совсем соответствуют свойствам твердого тела, поэтому некоторые неточные сведения могут повлиять на механическое сходство всей модели.