CN109686449A - 唇腭裂病人的生物力学仿真模型的构建方法 - Google Patents
唇腭裂病人的生物力学仿真模型的构建方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109686449A CN109686449A CN201710971965.9A CN201710971965A CN109686449A CN 109686449 A CN109686449 A CN 109686449A CN 201710971965 A CN201710971965 A CN 201710971965A CN 109686449 A CN109686449 A CN 109686449A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- model
- harelip
- unit
- biomethanics
- bone
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 206010009259 cleft lip Diseases 0.000 title claims abstract description 24
- 238000004088 simulation Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 238000010276 construction Methods 0.000 title claims abstract description 8
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 claims abstract description 46
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000013499 data model Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 13
- 210000003625 skull Anatomy 0.000 claims description 20
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 claims description 9
- 210000001909 alveolar process Anatomy 0.000 claims description 6
- 210000001564 haversian system Anatomy 0.000 claims description 6
- 210000002050 maxilla Anatomy 0.000 claims description 6
- 210000002532 foramen magnum Anatomy 0.000 claims description 5
- 210000003781 tooth socket Anatomy 0.000 claims description 5
- 238000004590 computer program Methods 0.000 claims description 4
- 210000001847 jaw Anatomy 0.000 claims description 4
- 238000009499 grossing Methods 0.000 claims description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 3
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 claims description 3
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 9
- 230000002980 postoperative effect Effects 0.000 abstract description 9
- 206010009260 Cleft lip and palate Diseases 0.000 abstract description 3
- 208000016653 cleft lip/palate Diseases 0.000 abstract description 3
- 238000009472 formulation Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 3
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 7
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 238000002591 computed tomography Methods 0.000 description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 3
- 208000032170 Congenital Abnormalities Diseases 0.000 description 2
- 230000001054 cortical effect Effects 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000005311 nuclear magnetism Effects 0.000 description 1
- 210000000103 occipital bone Anatomy 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/10—Geometric CAD
- G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
- G06T17/20—Finite element generation, e.g. wire-frame surface description, tesselation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/06—Power analysis or power optimisation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T2200/00—Indexing scheme for image data processing or generation, in general
- G06T2200/04—Indexing scheme for image data processing or generation, in general involving 3D image data
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T2210/00—Indexing scheme for image generation or computer graphics
- G06T2210/41—Medical
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Computer Graphics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Dental Tools And Instruments Or Auxiliary Dental Instruments (AREA)
Abstract
本发明提供一种唇腭裂病人的生物力学仿真模型的构建方法，该方法包括如下步骤：重构三维数据模型；优化重构的模型以便进行生物力学的分析；建立基于人体骨材料特征的骨材料模型；建立唇腭裂的机械环境。本发明具有普遍适用性与临床推广性，并可基于此成果进一步挖掘唇腭裂患者术后康复效果的主要影响因素，为患者术后康复效果的评估和下次手术方案的制定提供理论和数据支撑，可节省医疗成本。
Description
技术领域
本发明涉及计算机仿真领域，特别涉及一种唇腭裂病人的生物力学仿真模型的构建方法。
背景技术
唇腭裂为先天性畸形中最为常见的病症之一，它不仅影响了孩子的容貌，更影响了孩子在日后人际交往中的心理发育。唇腭裂的手术方法多种多样，但是手术效果的验证时间较长，很难在短期内对其有统一的评价标准。此外，由于不同医生对手术原理的理解和技术水平存在差异，也出现了很多术后畸形的病例。针对这些临床实际问题，最好的解决方案是将计算机辅助与三维医学影像相结合。但是目前国际上缺乏唇腭裂先进的三维容积影像(如CT、核磁等)，大部分医院唯一的影像数据为术前、术后的二维照片。但是此类照片无法完成相关计算机模拟仿真，难以评估患者术后康复效果和制定下次手术方案。而唇腭裂在计算机干预方面几乎为零，仅有若干段教学视频用以贫困地区医生的手术教学。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中难以评估患者术后康复效果和制定下次手术方案的问题，提出一种唇腭裂病人的生物力学仿真模型的构建方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种唇腭裂病人的生物力学仿真模型的构建方法，包括如下步骤：
重构三维数据模型；
优化重构的模型以便进行生物力学的分析；
建立基于人体骨材料特征的骨材料模型；
建立唇腭裂的机械环境。
在一些优选的实施方式中，所述优化重构的模型以便进行生物力学的分析包括：去除细小的骨碎片以使用于工程分析的模型平滑。
在一些优选的实施方式中，所述建立基于人体骨材料特征的骨材料模型包括：将颅骨外表层节点的单元选为密质骨单元，将颅骨内层节点的单元选为松质骨单元，将牙齿部位的单元选为牙组织单元。
在一些优选的实施方式中，所述建立唇腭裂的机械环境包括：将环绕颅骨枕骨大孔周边的单元设定为固定。
在一些优选的实施方式中，所述建立唇腭裂的机械环境包括：将鼻齿槽正畸器的颌托产生的整形力作用于在上颌骨的牙槽嵴。
在进一步优选的实施方式中，最狭窄部分的细长或者狭小骨头的几何尺寸的小于重构三维数据模型的模型单元的尺寸的两倍。
在一些优选的实施方式中，所述重构三维数据模型的颅骨重构模型的单元尺寸大于2mm。
在进一步优选的实施方式中，所述整形力的值小于1Mpa。
在一些优选的实施方式中，所述重构三维数据模型的三维数据模型来自于CTScan数据。
在另一方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质：
一种计算机可读存储介质，其存储有与计算设备结合使用的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行以实现上述方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
本发明具有普遍适用性与临床推广性，并可基于此成果进一步挖掘唇腭裂患者术后康复效果的主要影响因素，为患者术后康复效果的评估和下次手术方案的制定提供理论和数据支撑，可节省医疗成本。
附图说明
图1表示来自于CT Scan的数据重构的唇腭裂病人的颅骨模型；
图2表示唇腭裂病人的颅骨的有限元网格模型；
图3表示颅骨的有限元模型包括不同的骨组织；
图4表示密质骨、松骨在颅骨的有限元模型中的位置；
图5a表示环绕颅骨枕骨大孔周边的单元的位置；
图5b是从另一个角度表示环绕颅骨枕骨大孔周边的单元的位置；
图6表示正畸器产生的压力作用于上颌骨的牙槽嵴；
图7表示颅骨应力分布的仿真结果；
图8表示正畸器作用于牙槽嵴的整形力产生的位移的仿真结果。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参考图1，唇腭裂病人的生物力学仿真模型的构建方法包括：
S100、重构三维数据模型；
模型是指颅骨的模型，该步骤的颅骨三维数据模型来自于CTScan(ComputedTomography Scan，电子计算机断层扫描)数据，也可根据实际情况从其它途径获得。考虑到工程计算的可行性和快速性，颅骨重构模型的单元尺寸通常大于2mm。重构的模型参考图1。然后对重构的数据模型进行网格化划分，网格采用四面体模型，四面体单元适合不规则几何体的网格化，可以保持几何体的特征，也使得单元模型均匀，避免奇异单元的出现，以便用于生物力学有限元模型的分析。
S200、优化重构的模型以便进行生物力学的分析；
参考图2，用于工程分析的模型要求模型平滑，没有尖锐变化的几何形状以及细微碎片模型，因此在该步骤中需要去除有尖锐变化的几何形状以及细微碎片。
具体的，颅骨组织中存在大量的骨碎片，这部分的优化工作就是去除细小的骨碎片。经研究，在原始医学图像重构的模型中，骨碎片以两种形式存在：(1)和整个颅骨主体骨头分离，独立存在小片骨骼；(2)和主体颅骨通过细长或者狭小骨头相连。通常最狭窄部分的细长或者狭小骨头的几何尺寸的小于重构三维数据模型的模型单元的尺寸的两倍，实验结果证明，该尺寸的模型单元的仿真效果较好。此模型单元尺寸优选为2mm，视具体模型可以相对加大尺寸的大小。可以利用现有的计算机设计软件或者医学图像处理软件如Materialise 3-matic，去除这些骨碎片。该优化过程基于步骤S100构建的模型，以建立可进行工程分析的生物力学模型。骨碎片的去除避免了网格模型出现奇异单元，显著提高后续工程分析计算中的准确性，实现计算的收敛。
S300、建立基于人体骨材料特征的骨材料模型；
骨材料模型直接影响到仿真的结果，该模型的建立通常要基于人体骨材料特征。人体的骨组织分为密质骨(cortical bone)和松骨(cancellous bone)。密质骨是壳状结构覆盖在外层，内部是松骨。唇腭裂颅骨病人有限元(FM)模型的节点数目约为20万，四面体单元数目约为96万，如Figure2所示。颅骨模型包括三种骨组织：外部的密质骨(corticalbone)、内部的松骨(cancellous bone)以及牙齿，参考图3。参考图4，密质骨41分布在颅骨的外表层，松骨42组织分布在颅骨内部。在步骤S200建立的重构模型的基础上，将外表层节点的单元选为密质骨单元，将内层节点的单元选为松质骨单元，牙齿部位的单元定义为牙组织单元。各种骨组织的材料特征系数如下表一。
表一骨组织材料特征系数
S400、建立唇腭裂的机械环境。
机械环境的建立是通过划定边界条件来完成的，对于唇腭裂而言，其边界条件存在多种划定的可能。
具体的，根据生物力学特征，参考图5a和图5b，将环绕颅骨枕骨大孔周边的单元51设定为固定。参考图7和图8，鼻齿槽正畸器的实验仿真结果表明，这样的边界条件是较佳的，该仿真模型具有较高的计算精度。
在实验中，将本发明应用于鼻齿槽正畸器对手术治疗的作用评价：参考图6，鼻齿槽正畸器的颌托产生的整形力作用于在上颌骨的牙槽嵴61。整形压力值没有统一的标准，主要是依据医生的经验，在生物力学分析中，设置最大可能的颌托压力1Mpa，压力值可以调整依据具体的病例，计算方法和步骤都一样。
生物力学的仿真结果显示了应力和位移分布特征：颅骨的上颌部的应力分布相对均匀，高的应力集中主要出现在枕骨大孔周围，对上颌骨的整形并不产生明显的影响，参考图7；大的位移出现在上颌骨的牙槽嵴，也就是施加整形力的位置，参考图8。矫形力有效抑制裂缝部分的骨变形，这部分骨变形将增加后期手术难度。这个仿真结果从一定程度支持了鼻齿槽正畸器对手术治疗的积极作用，与临床表现相符，也反映了该仿真模型的构建是合理的，具有较高的计算精度。
本发明具有普遍适用性与临床推广性，并可基于此成果进一步挖掘唇腭裂患者术后康复效果的主要影响因素，为患者术后康复效果的评估和下次手术方案的制定提供理论和数据支撑，可节省医疗成本。
在另一方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其存储有与计算设备结合使用的计算机程序，该计算机程序被处理器执行以实现上述方法。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种唇腭裂病人的生物力学仿真模型的构建方法，其特征在于包括如下步骤：
重构三维数据模型；
优化重构的模型以便进行生物力学的分析；
建立基于人体骨材料特征的骨材料模型；
建立唇腭裂的机械环境。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述优化重构的模型以便进行生物力学的分析包括：去除细小的骨碎片以使用于工程分析的模型平滑。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述建立基于人体骨材料特征的骨材料模型包括：将颅骨外表层节点的单元选为密质骨单元，将颅骨内层节点的单元选为松质骨单元，将牙齿部位的单元选为牙组织单元。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述建立唇腭裂的机械环境包括：将环绕颅骨枕骨大孔周边的单元设定为固定。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述建立唇腭裂的机械环境包括：将鼻齿槽正畸器的颌托产生的整形力作用于在上颌骨的牙槽嵴。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于：最狭窄部分的细长或者狭小骨头的几何尺寸的小于重构三维数据模型的模型单元的尺寸的两倍。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述重构三维数据模型的颅骨重构模型的单元尺寸大于2mm。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述整形力的值小于1Mpa。
9.如权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于：所述重构三维数据模型的三维数据模型来自于CTScan数据。
10.一种计算机可读存储介质，其存储有与计算设备结合使用的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行以实现权利要求1-9任一项所述方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710971965.9A CN109686449A (zh) | 2017-10-18 | 2017-10-18 | 唇腭裂病人的生物力学仿真模型的构建方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710971965.9A CN109686449A (zh) | 2017-10-18 | 2017-10-18 | 唇腭裂病人的生物力学仿真模型的构建方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109686449A true CN109686449A (zh) | 2019-04-26 |
Family
ID=66182827
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710971965.9A Pending CN109686449A (zh) | 2017-10-18 | 2017-10-18 | 唇腭裂病人的生物力学仿真模型的构建方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109686449A (zh) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030059736A1 (en) * | 2001-09-26 | 2003-03-27 | 3M Innovative Properties Company | Use of finite element analysis for orthodontic mechanics and appliance selection |
| CN105373658A (zh) * | 2015-11-05 | 2016-03-02 | 中国人民解放军第三军医大学第二附属医院 | 一种基于人颅颌面骨的三维有限元模型的建模方法 |
-
2017
- 2017-10-18 CN CN201710971965.9A patent/CN109686449A/zh active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030059736A1 (en) * | 2001-09-26 | 2003-03-27 | 3M Innovative Properties Company | Use of finite element analysis for orthodontic mechanics and appliance selection |
| CN105373658A (zh) * | 2015-11-05 | 2016-03-02 | 中国人民解放军第三军医大学第二附属医院 | 一种基于人颅颌面骨的三维有限元模型的建模方法 |
Non-Patent Citations (6)
| Title |
|---|
| 应王君子等: "唇腭裂患者正颌术后上颌骨短期稳定性的三维分析", 《上海口腔医学》, vol. 25, no. 03, 30 June 2016 (2016-06-30), pages 345 - 351 * |
| 李卫民等: "高速列车空心车轴损伤容限理论与方法研究", 东北大学出版社, pages: 84 - 74 * |
| 阮世捷等: "儿童肱骨三维有限元建模及验证", 《中国组织工程研究》 * |
| 阮世捷等: "儿童肱骨三维有限元建模及验证", 《中国组织工程研究》, vol. 17, no. 30, 23 July 2013 (2013-07-23), pages 5472 - 5476 * |
| 韩菡等: "2种前方牵引装置前牵引唇腭裂患者上颌骨的三维有限元分析", 《上海口腔医学》 * |
| 韩菡等: "2种前方牵引装置前牵引唇腭裂患者上颌骨的三维有限元分析", 《上海口腔医学》, vol. 26, no. 01, 28 February 2017 (2017-02-28), pages 1 - 6 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101590330B1 (ko) | 형상 정보를 얻기 위한 방법 | |
| Zinser et al. | Computer-assisted orthognathic surgery: feasibility study using multiple CAD/CAM surgical splints | |
| Centenero et al. | 3D planning in orthognathic surgery: CAD/CAM surgical splints and prediction of the soft and hard tissues results–our experience in 16 cases | |
| Lin et al. | Three-dimensional computer-assisted surgical simulation and intraoperative navigation in orthognathic surgery: a literature review | |
| Tucker et al. | Comparison of actual surgical outcomes and 3-dimensional surgical simulations | |
| Zinser et al. | A paradigm shift in orthognathic surgery? A comparison of navigation, computer-aided designed/computer-aided manufactured splints, and “classic” intermaxillary splints to surgical transfer of virtual orthognathic planning | |
| Bujtár et al. | Finite element analysis of the human mandible at 3 different stages of life | |
| Zeytinoğlu et al. | Fractal analysis for the assessment of trabecular peri-implant alveolar bone using panoramic radiographs | |
| Popat et al. | New developments in: three‐dimensional planning for orthognathic surgery | |
| Feng et al. | Mirror imaging and preshaped titanium plates in the treatment of unilateral malar and zygomatic arch fractures | |
| JP6578026B2 (ja) | 顎顔面矯正手術画像校正デザインシステム及びその方法 | |
| Yan et al. | Three-dimensional finite element analysis of the craniomaxillary complex during maxillary protraction with bone anchorage vs conventional dental anchorage | |
| Kolodziej et al. | Evaluation of antegonial notch depth for growth prediction | |
| Zheng et al. | Effects of buccal thickness augmentation on bone remodeling after maxillary anterior implantation | |
| Murakami et al. | Theoretical efficacy of preventive measures for pathologic fracture after surgical removal of mandibular lesions based on a three-dimensional finite element analysis | |
| Liao et al. | Simulation of multi-stage nonlinear bone remodeling induced by fixed partial dentures of different configurations: a comparative clinical and numerical study | |
| Van Kootwijk et al. | Semi-automated digital workflow to design and evaluate patient-specific mandibular reconstruction implants | |
| Zinser et al. | Computer-designed splints for surgical transfer of 3D orthognathic planning | |
| Carvalho Trojan et al. | Stresses and strains analysis using different palatal expander appliances in upper jaw and midpalatal suture | |
| Lee et al. | Precision of a CAD/CAM–engineered surgical template based on a facebow for orthognathic surgery: an experiment with a rapid prototyping maxillary model | |
| Yoon et al. | Effect of mandibular contouring surgery on the stress distribution during various clenching tasks | |
| Razaghi et al. | Dynamic simulation and finite element analysis of the maxillary bone injury around dental implant during chewing different food | |
| Ataç et al. | Comparison of biomechanical behaviour of maxilla following Le Fort I osteotomy with 2-versus 4-plate fixation using 3D-FEA: Part 2: impaction surgery | |
| Husain et al. | Geometrical models of mandible fracture and plate implant | |
| CN109686449A (zh) | 唇腭裂病人的生物力学仿真模型的构建方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190426 |