不同根管弯曲度的下颌中切牙三维有限元模型的建立

2018-12-26刘兴容蒋雪玉

西南医科大学学报 2018年6期

李宁，徐皑，刘兴容，蒋雪玉

（西南医科大学附属口腔医院牙体牙髓科，四川泸州 646000）

根管预备是根管治疗术的关键步骤，进行根管预备会改变牙齿根管系统的结构，导致牙根力学性能发生变化,在根管预备时应尽量维持根管的初始形态[1]。且根管形态复杂，根管解剖因素中特别是根管弯曲程度对根管预备的影响很大，而良好的根管预备是严密充填根管的前提[2]。有研究显示根管弯曲度超过30°的根管预备容易导致并发症，如：折断器械，根管堵塞，形成台阶和肘部等并发症[3]。

三维有限元分析方法是目前研究应力分析比较科学和精确的方法之一[4]。本研究利用成人下颌中切牙，建立与牙齿标本高度相似的牙齿三维模型，再利用Pro/Engineer Wildfire 4.0软件，建立不同弯曲角度和弯曲半径的牙齿模型，分析应力分布，了解力学机制。

1 材料和方法

1.1 材料

无牙体缺损、明显磨耗、无明显根管弯曲的成人下颌中切牙，把牙齿清理干净后放置0.9%的生理盐水中。

1.2 主要设备及软件应用

ThinkPad笔记本电脑（Intel Core2 Duo T5600,2G内存，Windows XP系统），Mimics 10.01软件（Materialise,Belgium）;Geomagic Studio 10 软件(RaindropGeomagic,USA)；Micro-CT(Siemens Inveon Micro-CT，第四军医大学口腔医院实验室)。

1.3 方法

1.3.1 扫描数据

对牙齿标本进行Micro-CT扫描，扫描时保持牙齿长轴与检查床平行，与扫描平面垂直，将牙齿固定。扫描自切缘至根尖，层厚间距21 μm，获得2 027张数据点图，将数据保存为DICOM格式[5]。

1.3.2 下颌中切牙模型构建

将Micro-CT扫描获得的断层影像DICOM格式导入Mimics 10.0软件中，根据牙齿和牙髓的灰度值的差异（髓腔的灰度值-1 024～-124，牙釉质的灰度值+2 000～+3 072、牙本质灰度值+1 700～+2 850），界定图像阈值[6]，通过布尔运算分别建立牙齿硬组织和牙髓三维表面图像模型，并将所得模型存为STL格式[7]。在Geomagic studio 10软件中导入STL格式的模型文件，在曲面创建之前，修复模型上的缺陷，进行表面光滑、填孔并去除噪音点[8]。以利于牙齿三维模型的有限元的网格划分，但是修整后要尽量接近真实牙齿。精修过后得到的三角网格曲面，经过分析曲面、划分曲面区域、构建曲面片、构建曲面栅格及曲面拟合等步骤，以IGES格式保存。

1.3.3 建立不同弯曲角度和弯曲半径的的下颌中切牙三维有限元模型。

用Mimics进行测量，将牙齿侧面断层扫描影像转化为矢状面断层影像，测量牙根冠状面、矢状面最大直径、牙根内直径（冠状面及矢状面）、牙根长度及锥度角。通过定位牙根矢状面的中心点坐标获取牙根中心线关键点坐标，截面越多获取的中心线就越贴近实际的中心线[9]。本实验采用0.4 mm间隔获取矢状面断层扫描影像，获得牙根中心线关键点坐标共80个。弯曲根管的中心线空间任意曲线是由多个圆弧混合组合而成，参与混合的圆弧包括左视图、主观图、俯视图，使用Pro/Engineer Wildfire 4.0软件设计出三个曲面图，然后根据曲面相交所形成的曲线得到弯曲根管的中心线坐标，建立弯曲角度为20°、40°和弯曲半径为2 mm、5 mm的四组牙齿三维有限元模型。

2 结果

使用Mimics软件建立牙齿硬组织和牙髓三维表面图像模型（图1），Geomagic studio 10软件建立牙齿及牙髓的曲面模型（图2）。进一步采用Pro/Engineer Wildfire 4.0软件建立了不同弯曲角度和弯曲半径的的四组弯曲根管，分别为：20°2 mm、20°5 mm、40°2 mm 、40°5 mm。模型形态结构清晰，具有良好的几何和生物相似性，是较理想的下颌中切牙根管系统三维有限元模型。

图1 在Mimics软件中初建的模型

图2 在Geomagic软件中曲面化的模型

3 讨论

很多学者在三维建模的方法上进行了长期的研究和探索[10]，磨片、切片法是破坏性建模方法,其主观性大、误差大已经被淘汰[11]；用三维测量法进行数据采集成本较高,数据处理时间较长，无法反映组织内在的材料特性,因而也不常用；CT图像处理法需要把CT胶片上的每一张图像转换为计算机能识别的位图格式，在扫描传递数据的过程中容易丢失很多信息，同时也直接影响着所建立模型精确性，所以也不适合研究较为精细的实验使用。本研究通过Micro-CT扫描的方法获得DICOM数据，用Mimics软件直接读取DICOM数据,避免了常规在Photoshop、Autocad等软件中图像的重新定位和二次处理[12]。通过灰度阈值的调整对数据进行前处理,提取出图像的轮廓,避免图像在Mimics中因多次调整阈值而产生孔洞、毛刺、棱角等缺陷,减少了信息的损失和失真,提高了模型精度。Geomagic Studio可将扫描所得的点云数据创建出一个NURBS曲面，生成曲面的质量和精度都比较高[13]。作为自动化逆向工程软件，Geomagic Studio可以作为CAD、CAE和CAM工具提供完美补充[14]。

研究显示下颌切牙的唇舌侧弯曲牙齿为50.5%、近远中向弯曲的牙齿为15.7%、唇舌侧且近远中向弯曲的牙齿为15.7%。弯曲根管的测量方法较多，临床上最常用的测量法为双参数测定法，是通过两个参数来衡量根管弯曲部分的形态，一个是根管弯曲度，另一个是弯曲半径，以Schneider法测量根管弯曲度[15]，Schneider分类法：小于20°属于中度弯曲，大于25°属于重度弯曲。有研究显示下颌切牙中度弯曲为18.7%、重度弯曲牙齿为8.5%。本实验通过Pro/Engineer Wildfire 4.0软件把牙齿设置成唇舌向弯曲、弯曲角度为20°和40°、弯曲半径为2 mm和5 mm，弯曲部位为根尖三位之一，对临床实际操作有较好的指导意义。Mimics可将牙齿侧面断层扫描影像转化为矢状面断层影像[16]，通过Mimics10.0自带工具从任意角度、方向上观察牙齿三维模型，用来测量牙根冠状面、矢状面最大直径、牙根内直径（冠状面及矢状面）、牙根长度及锥度角等，能精确的反应根管内部的结构，为下一步实验奠定良好的基础。