一种基于DICM数据的牙颌系统有限元建模方法与流程

本发明属于口腔生物力学分析方法领域，涉及一种基于dicm数据的牙颌系统有限元建模，特别涉及一种基于cbct的dicm格式数据的牙颌系统有限元建模方法。

背景技术：

三维有限元法是研究口腔生物力学的一种重要手段，在口腔正畸、口腔修复、根管治疗和牙齿种植等问题中有广泛应用。

利用三维有限元法研究口腔生物力学问题，首先应当建立牙颌组织的三维有限元模型。现有的牙颌组织有限元建模途径很多，其中基于锥形束ct(cbct)的有限元建模方法应用最广泛。

cbct采用锥形束x线扫描，只需旋转360度即可获取重建所需的全部原始数据，具有辐射量低且各向同性、高空间分辨力等优势，基于cbct生成的dicm格式数据，可以建立牙颌组织的三维模型，三维模型可用于建立牙颌组织的有限元模型。现有基于cbct的dicm格式数据的有限元建模方法主要采用的方法原理如下：

1)基于dicm文件建立牙齿三维表面模型、牙槽骨整体三维表面模型。

2)将牙齿三维表面模型拟合为nurbs曲面模型，将牙槽骨整体三维表面模型拟合为nurbs表面模型。

3)将牙齿nurbs曲面模型封装为牙齿实体模型；将牙槽骨nurbs曲面模型封装为牙槽骨整体实体模型。

4)将牙齿nurbs表面模型向外偏移一个牙周膜厚度并将其封装，得到牙齿放大实体模型。

5)通过实体布尔运算从牙槽骨整体实体模型扣除牙齿放大模型，得到牙槽骨实体模型。

6)通过实体布尔干涉运算，求牙槽骨整体实体模型与牙齿放大模型的并集，得到牙槽窝实体模型，通过实体布尔减运算从牙槽窝模型中扣除牙齿模型，得到牙周膜实体模型。

7)将牙齿实体模型、牙槽骨实体模型和牙周膜实体模型网格划分，得到牙颌组织的有限元模型。

但现有方法的效率较低，其中涉及到复杂的nurbs实体模型布尔运算与网格划分，算法的稳定性较差，建立一个牙颌组织的有限元模型往往需要数周时间，且模型的精度不容易保证。本发明对有限元建模的流程加以改进，避免了建模中复杂的三维实体运算与封装算法，可将牙颌组织的建模效率提高3倍以上。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于dicm数据的牙颌系统有限元建模方法，用于解决现有的牙颌系统有限元建模方法效率低、周期长的问题。

为实现上述目的，本发明的有益效果为：

一种基于dicm数据的牙颌系统有限元建模方法，包括以下步骤：

步骤一，识别dicm文件，先设置牙齿的灰度阈值范围并建立牙齿粗模型，再设置骨皮质的灰度阈值范围并建立牙槽骨粗模型。

步骤二，利用三角面片轮廓造型方法，分别建立牙齿模型、牙槽骨整体模型和牙槽骨松质模型。

步骤三，利用封闭三角面模型的布尔运算，从所述牙槽骨整体模型中扣除牙齿模型，得到扣除牙齿的含牙周膜的牙槽骨模型，利用牙周膜分离算法处理扣除所述牙齿的牙槽骨模型，得到牙槽骨模型与牙周膜模型。

步骤四，利用三角面片模型的网格划分算法，分别将所述牙齿模型、所述牙周膜模型及所述牙槽骨模型网格划分，得到牙齿有限元网格、牙周膜有限元网格和牙槽骨有限元网格。

步骤五，将所述牙齿有限元网格赋予牙齿物理属性；将所述牙周膜有限元网格赋予牙周膜物理属性；将所述牙槽骨有限元网格赋予牙槽骨皮质属性。

步骤六，从所述牙槽骨有限元网格中识别中心位于所述牙槽骨松质模型内部的所有牙槽骨单元，并将其物理属性修改为牙槽骨松质物理属性。

所述的步骤一中建立的牙齿粗模型和牙槽骨粗模型具体为：

所述的牙齿粗模型主要由牙齿对应三角面组成，但其中也包含部分骨密度较高的骨皮质对应三角面，并且牙齿粗模型中缺少骨密度较低的牙根对应三角面。

所述的牙槽骨粗模型主要由牙槽骨皮质对应三角面组成，但其中也包含部分骨密度较低的牙根对应三角面，以及牙冠外表面一层位于dicm显影过渡区的单元。

所述的步骤二中采用三角面片轮廓造型方法建立牙齿模型、牙槽骨整体模型和牙槽骨松质模型的具体方法为：

从所述牙齿粗模型中，删除牙齿以外的所有三角面片，删除法向不指向牙齿外侧的错误三角面片，得到不完整的牙齿模型，然后采用填充孔的方式修复所述不完整的牙齿模型，得到所述牙齿模型。

从所述牙槽骨粗模型中，删除骨皮质外表面以外的所有三角面片，删除法向不指向牙槽骨外侧的错误三角面片，得到不完整的牙槽骨皮质模型，然后采用填充孔的方式修复所述不完整的牙槽骨皮质模型，得到所述牙槽骨整体模型。

从所述牙槽骨粗模型中，删除骨皮质内表面以外的所有三角面片，删除法向不指向牙槽骨内侧的错误三角面片，得到不完整的牙槽骨松质模型，然后采用填充孔的方式修复所述不完整的牙槽骨松质模型，得到所述牙槽骨松质模型。

所述的步骤三中得到牙槽骨模型与牙周膜模型的具体方法为：

首先利用三角面片模型的布尔减运算，从所述牙槽骨整体模型中扣除所述牙齿模型，得到含牙周膜的牙槽骨模型；然后将所述含牙周膜的牙槽骨模型在牙槽骨位置处的所有三角面片，沿法向向内侧偏移一个牙周膜厚度，并对牙槽骨边缘处的节点进行局部修复，得到所述牙槽骨模型；最后利用三角面片模型的布尔干涉运算，求所述含牙周膜的牙槽骨模型与所述牙槽骨模型的交集，即得到所述牙周膜模型。

所述的牙齿粗模型、牙槽骨粗模型、牙齿模型、牙槽骨整体模型、牙槽骨松质模型、扣除牙齿的牙槽骨模型、含牙周膜的牙槽骨模型、牙槽骨模型和牙周膜模型，均为由三角面片组成的封闭三维表面模型。

所述的不完整的牙齿模型、不完整的牙槽骨皮质模型和不完整的牙槽骨松质模型为由三角面片组成的不封闭的三维表面模型。

本发明的有益效果是：本发明对基于dicm数据的有限元建模流程加以改进，避免了建模中复杂的三维实体运算与封装算法，可将牙颌组织的建模效率提高3倍以上。

附图说明

图1为一种基于dicm数据的牙颌系统有限元建模方法流程图。

图2(a)为牙齿粗模型。

图2(b)为牙槽骨粗模型。

图3(a)为牙齿模型。

图3(b)为牙槽骨整体模型。

图3(c)为牙槽骨松质模型。

图4(a)为牙槽骨整体模型。

图4(b)为牙周膜模型。

图5(a)为牙齿有限元网格。

图5(b)为牙周膜有限元网格。

图5(c)为牙槽骨有限元网格。

具体实施方式

以实例说明所述一种基于dicm数据的牙颌系统有限元建模方法的具体实施方式，但不作为对本发明的限定。

如图1所示，是本发明一种基于dicm数据的牙颌系统有限元建模方法的流程图。选择一名牙周组织完整，牙齿排列整齐的健康男性青年的牙齿及颌骨作为研究对象，阐述本发明一种基于dicm数据的牙颌系统有限元建模方法的具体实施过程：

利用cbct采集颌骨及牙齿三维信息获得dicm格式数据。

将灰度阈值下限设置为1300，上限设置为5000，进行组织识别与三维重建，得到牙齿粗模型，如图2a所示。

将灰度阈值下限设置为700，上限设置为5000，进行组织识别与三维重建，得到牙槽骨粗模型，如图2b所示。

从牙齿粗模型中，删除牙齿以外的所有三角面片，删除法向不指向牙齿外侧的错误三角面片，得到不完整的牙齿模型，然后采用填充孔的方式修复不完整的牙齿模型，得到牙齿模型，如图3a所示。

从牙槽骨粗模型中，删除骨皮质外表面以外的所有三角面片，删除法向不指向牙槽骨外侧的错误三角面片，得到不完整的牙槽骨皮质模型，然后采用填充孔的方式修复不完整的牙槽骨皮质模型，得到牙槽骨整体模型，如图3b所示。

从牙槽骨粗模型中，删除骨皮质内表面以外的所有三角面片，删除法向不指向牙槽骨内侧的错误三角面片，得到不完整的牙槽骨松质模型，然后采用填充孔的方式修复不完整的牙槽骨松质模型，得到牙槽骨松质模型，如图3c所示。

牙周膜的厚度取0.2mm。

利用三角面片模型的布尔减运算，从牙槽骨整体模型中扣除牙齿模型，得到含牙周膜的牙槽骨模型；然后将含牙周膜的牙槽骨模型在牙槽骨位置处的所有三角面片，沿法向向内侧偏移0.2mm，并对牙槽骨边缘处的节点进行局部修复，得到牙槽骨模型，如图4a所示。

利用三角面片模型的布尔干涉运算，求含牙周膜的牙槽骨模型与牙槽骨模型的交集，即得到牙周膜模型，如图4b所示。

以网格最小内角为25°作为约束，采用自由网格划分策略，对牙齿模型网格划分，得到牙齿有限元网格，如图5a所示。

以网格最小内角为25°作为约束，采用自由网格划分策略，对牙周膜模型网格划分，得到牙周膜有限元网格，如图5b所示。

以网格最小内角为25°作为约束，采用自由网格划分策略，对牙槽骨模型网格划分，得到牙槽骨有限元网格，如图5c所示。

将牙齿有限元单元设置为牙齿物理属性，即杨氏模量为20300mpa，泊松比为0.3。

将牙周膜有限元单元设置为牙周膜物理属性，即杨氏模量为50mpa，泊松比为0.49。

将牙槽骨有限元单元设置为牙槽骨皮质物理属性，即杨氏模量为13700mpa，泊松比为0.3。

计算牙槽骨各单元的形心位置，选择形心坐标位于牙槽骨松质模型内部的所有单元，将所选单元的物理属性设置为牙槽骨松质物理属性，即杨氏模量为1370mpa，泊松比为0.3。

完成下颌的牙颌系统的有限元建模。

上颌的牙颌系统有限元建模流程与下颌的牙颌系统有限元建模流程相同。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。