CN113284246A - 一种下颌骨有限元模型建模方法与系统 - Google Patents

一种下颌骨有限元模型建模方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种下颌骨有限元模型建模方法与系统，具体涉及下颌骨建模领域，主要包括步骤：通过扫描获取患者口腔组织各扫描面的CT图像，并对各扫描面的CT图像进行位列排序；根据下颌骨可显示的灰度值区间获取各扫描面CT图像中的下颌骨CT图像；根据各扫描面的位列排序对下颌骨CT图像进行逐层堆叠，并获取堆叠后的立体图像为下颌骨面片网格模型；根据下颌骨面片网格模型获取其面片向内四面体化扩展后的下颌骨体网格模型；根据下颌骨体网格模型获取其材料赋值后的下颌骨有限元模型。本发明通过下颌骨CT图像灰度值有效区间的设置，使得处理后的CT图像在拼合并处理后，能够保留完整的微小生物结构，符合真实下颌骨的生物组织构造。

Description

一种下颌骨有限元模型建模方法与系统
技术领域
本发明涉及下颌骨建模领域，具体涉及一种下颌骨有限元模型建模方法与系统。
背景技术
在口腔医疗领域，有限元法是一种重要的研究手段，它广泛应用于下颌骨生物力学分析中。在利用有限元研究下颌骨力学响应之前，首先应依据患者下颌骨的实际组织结构，建立其相对应的有限元模型。有限元模型应尽可能的与患者实际下颌骨组织结构相接近，降低因模型不精确而引起的分析误差。
目前，下颌骨有限元模型构建方法大多是基于患者的CT图像，首先构建下颌骨面片网格模型，然后对下颌骨面片网格模型进行曲面拟合获得NURBS曲面模型，接着对NURBS曲面模型进行缝合、封装获得下颌骨实体模型；进一步，将下颌骨实体模型导入有限元软件进行网格划分、材料赋值，获得下颌骨有限元模型。该下颌骨有限元模型构建方法效率较低，其中NURBS曲面拟合过程较为复杂。为了保证NURBS曲面拟合过程的顺利进行，需要手动去除下颌骨面片网格模型内部骨髓小腔、神经管空腔等生物结构的面片结构，只保留下颌骨表层的面片。这种建模方式无法完整重建下颌骨的实际组织结构，模型的精度不高。
发明内容
为了使得根据患者下颌骨获取的有限元模型应尽可能的与患者实际下颌骨组织结构相接近，降低因模型不精确而引起的分析误差，本发明提出了一种下颌骨有限元模型建模方法，包括步骤：
S1：通过扫描获取患者口腔组织各扫描面的CT图像，并对各扫描面的CT图像进行位列排序；
S2：根据下颌骨可显示的灰度值区间获取各扫描面CT图像中的下颌骨CT图像；
S3：根据各扫描面的位列排序对下颌骨CT图像进行逐层堆叠，并获取堆叠后的立体图像为下颌骨面片网格模型；
S4：根据下颌骨面片网格模型获取其面片向内四面体化扩展后的下颌骨体网格模型；
S5：根据下颌骨体网格模型获取其材料赋值后的下颌骨有限元模型。
进一步地，所述步骤S2之后还包括步骤：
S21：根据下颌骨的边界对各扫描面下颌骨CT图像进行分割处理，获取仅余下颌骨的CT图像。
进一步地，所述步骤S3之后，还包括步骤：
S31：根据下颌骨面片网格模型对其模型表面进行平复处理。
进一步地，所述步骤S3中，所述下颌骨面片网格模型保留有骨髓小腔、神经管空腔以及其它微小生物结构。
进一步地，所述步骤S3中，下颌骨面片网格模型是由许多个面片构成的三维壳体模型。
本发明还提出了一种下颌骨有限元模型的建模系统，包括：
CT扫描仪，用于扫描患者口腔组织并获取具有位列排序的各扫描面CT图像；
图像处理单元，用于根据下颌骨可显示的灰度值区间获取各扫描面CT图像中的下颌骨CT图像；
模型构建单元，用于根据各扫描面的位列排序对下颌骨CT图像进行逐层堆叠，并获取堆叠后的立体图像为下颌骨面片网格模型；
模型处理单元，用于对下颌骨面片网格模型的面片进行向内四面体化扩展处理，得到下颌骨体网格模型；
有限元单元，用于为下颌骨体网格模型赋材料值并获取下颌骨有限元模型。
进一步地，所述图像处理单元还用于根据下颌骨的边界对各扫描面下颌骨CT图像进行分割处理，获取仅余下颌骨的CT图像。
进一步地，所述模型构建单元中还包括模型优化单元，用于平复下颌骨面片网格模型的模型表面。
进一步地，所述下颌骨面片网格模型保留有骨髓小腔、神经管空腔以及其它微小生物结构。
进一步地，所述模型构建单元中，下颌骨面片网格模型是由许多个面片构成的三维壳体模型。
与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：
(1)本发明所述的一种下颌骨有限元模型建模方法与系统，通过下颌骨CT图像灰度值有效区间的设置，使得处理后的CT图像在拼合并处理后，在避免非必要组织的同时能够保留完整的生物结构特性；
(2)通过对下颌骨面片网格模型中的面片进行基于面片的四面体化扩展，从而有效提高下颌骨有限元模型的建模效率；
(3)最终获得的下颌骨有限元模型更加符合人体真实下颌骨的生物组织构造。
附图说明
图1为一种下颌骨有限元模型建模方法与系统的方法步骤图；
图2为一种下颌骨有限元模型建模方法与系统的系统结构图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
为了使得根据患者下颌骨获取的有限元模型应尽可能的与患者实际下颌骨组织结构相接近，降低因模型不精确而引起的分析误差，如图1所示，本发明提出了一种下颌骨有限元模型建模方法，其主要包括以下步骤：
S1：通过扫描获取患者口腔组织各扫描面的CT图像，并对各扫描面的CT图像进行位列排序；
S2：根据下颌骨可显示的灰度值区间获取各扫描面CT图像中的下颌骨CT图像；
S3：根据各扫描面的位列排序对下颌骨CT图像进行逐层堆叠，并获取堆叠后的立体图像为下颌骨面片网格模型；
S4：根据下颌骨面片网格模型获取其面片向内四面体化扩展后的下颌骨体网格模型；
S5：根据下颌骨体网格模型获取其材料赋值后的下颌骨有限元模型。
首先，要构建下颌骨有限元模型，首先需要获取患者的口腔数据，在这，我们选用CT扫描仪扫描患者的口腔，获取其口腔组织的CT图像，并保存为dcm格式的文件，每一个dcm文件代表患者一个口腔组织扫描面，各依据其在患者口腔的位置具有位列排序，其具体数量大致为300-400个dcm文件。
基于不同材质的材料，其在CT图像中的灰度值显示区间不同，本发明提出将CT图像进行下颌骨可显示灰度值区间下的区分(本实施例中选用Mimics16.0软件进行图像灰度值区分，当然还可通过其它类似软件实现该操作)，从而使得灰度值区分后的CT图像牙齿、骨骼等硬组织保持可见，而肌肉、黏膜等软组织不可见。同时为了保证获取的只有下颌骨图像，因此在灰度值区分后还需要擦除下颌骨以外的其它口腔组织的CT图像，这一点是相关医务人员无需借助设备识别，依靠人眼进行下颌骨识别即可完成的一项操作，对应于步骤：
S21：根据下颌骨的边界对各扫描面下颌骨CT图像进行分割处理，获取仅余下颌骨的CT图像。
而后，将筛选出来的下颌骨CT图像按照位列排序进行有序堆叠，从而生成三维的下颌骨面片网格模型，其中，为了保证模型边缘更加符合实际下颌骨的构造，在这之后还需对下颌骨面片网格模型的模型表面进行平复(优化)处理，如打磨尖锐区域、修补凹坑区域，细化网格分步，并将处理后的文件保存为stl格式的文件。因此在步骤S3之后还包括步骤：
S31：根据下颌骨面片网格模型对其模型表面进行平复处理。
其中，下颌骨面片网格模型是由许多个面片构成的三维壳体模型。这样获得的下颌骨面片网格模型保留有骨髓小腔、神经管空腔以及其它微小的生物结构。
上述操作实现了下颌骨基础模型的构建，而后将下颌骨面片模型导入三维模型处理软件中(如3-matic8.0)，本发明中，通过将下颌骨面片网格模型表面的三角面片向内生成微小四面体单元，并逐步由模型表层向内部延伸、扩展，从而使微小四面体单元(含有四个面，每个面均为三角形)填充满整个模型，生成下颌骨体网格模型，并保存为inp格式的文件。这里，本发明利用四面体能够相互之间最大程度贴合为一整个整体的特性，使得四面体化后的下颌骨体网格模型在保留原有生物结构空隙的同时，减少因为模型填充造成的空隙遗留。
最终，将下颌骨体网格模型导入有限元软件(如Abaqus 13.0)，对其进行材料赋值，从而生成下颌骨有限元模型。
实施例二
为了更好的对本发明的技术内容进行理解，本实施例通过系统结构的形式来对本发明进行说明，如图2所示，一种下颌骨有限元模型的建模系统，包括：
CT扫描仪，用于扫描患者口腔组织并获取具有位列排序的各扫描面CT图像；
图像处理单元，用于根据下颌骨可显示的灰度值区间获取各扫描面CT图像中的下颌骨CT图像；
模型构建单元，用于根据各扫描面的位列排序对下颌骨CT图像进行逐层堆叠，并获取堆叠后的立体图像为下颌骨面片网格模型；
模型处理单元，用于对下颌骨面片网格模型的面片进行向内四面体化扩展处理，得到下颌骨体网格模型；
有限元单元，用于为下颌骨体网格模型赋材料值并获取下颌骨有限元模型。
进一步地，所述图像处理单元还用于根据下颌骨的边界对各扫描面下颌骨CT图像进行分割处理，获取仅余下颌骨的CT图像。
进一步地，所述模型构建单元中还包括模型优化单元，用于平复下颌骨三维壳体模型的壳体表面。
进一步地，所述下颌骨面片网格模型保留有骨髓小腔、神经管空腔以及其它微小生物结构。
进一步地，所述模型构建单元中，下颌骨面片网格模型是由许多个面片构成的三维壳体模型。
综上所述，本发明所述的一种下颌骨有限元模型建模方法与系统，通过下颌骨CT图像灰度值有效区间的设置，使得处理后的CT图像在拼合并处理后，在避免非必要组织的同时能够保留完整的生物结构特性。
通过对下颌骨面片网格模型中的面片进行基于面片的四面体化扩展，从而有效提高下颌骨有限元模型的建模效率。最终获得的下颌骨有限元模型更加符合人体真实下颌骨的生物组织构造。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，不在本发明要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种下颌骨有限元模型建模方法，其特征在于，包括步骤：
S1：通过扫描获取患者口腔组织各扫描面的CT图像，并对各扫描面的CT图像进行位列排序；
S2：根据下颌骨可显示的灰度值区间获取各扫描面CT图像中的下颌骨CT图像；
S3：根据各扫描面的位列排序对下颌骨CT图像进行逐层堆叠，并获取堆叠后的立体图像为下颌骨面片网格模型；
S4：根据下颌骨面片网格模型获取其面片向内四面体化扩展后的下颌骨体网格模型；
S5：根据下颌骨体网格模型获取其材料赋值后的下颌骨有限元模型。
2.如权利要求1所述的一种下颌骨有限元模型的建模方法，其特征在于，所述步骤S2之后还包括步骤：
S21：根据下颌骨的边界对各扫描面下颌骨CT图像进行分割处理，获取仅余下颌骨的CT图像。
3.如权利要求1所述的一种下颌骨有限元模型的建模方法，其特征在于，所述步骤S3之后，还包括步骤：
S31：根据下颌骨面片网格模型对其模型表面进行平复处理。
4.如权利要求1所述的一种下颌骨有限元模型的建模方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述下颌骨面片网格模型保留有骨髓小腔、神经管空腔以及其它微小生物结构。
5.如权利要求1所述的一种下颌骨有限元模型的建模方法，其特征在于，所述步骤S3中，下颌骨面片网格模型是由许多个面片构成的三维壳体模型。
6.一种下颌骨有限元模型的建模系统，其特征在于，包括：
CT扫描仪，用于扫描患者口腔组织并获取具有位列排序的各扫描面CT图像；
图像处理单元，用于根据下颌骨可显示的灰度值区间获取各扫描面CT图像中的下颌骨CT图像；
模型构建单元，用于根据各扫描面的位列排序对下颌骨CT图像进行逐层堆叠，并获取堆叠后的立体图像为下颌骨面片网格模型；
模型处理单元，用于对下颌骨面片网格模型的面片进行向内四面体化扩展处理，得到下颌骨体网格模型；
有限元单元，用于为下颌骨体网格模型赋材料值并获取下颌骨有限元模型。
7.如权利要求6所述的一种下颌骨有限元模型的建模系统，其特征在于，所述图像处理单元还用于根据下颌骨的边界对各扫描面下颌骨CT图像进行分割处理，获取仅余下颌骨的CT图像。
8.如权利要求6所述的一种下颌骨有限元模型的建模系统，其特征在于，所述模型构建单元中还包括模型优化单元，用于平复下颌骨面片网格模型的模型表面。
9.如权利要求6所述的一种下颌骨有限元模型的建模系统，其特征在于，所述下颌骨面片网格模型保留有骨髓小腔、神经管空腔以及其它微小生物结构。
10.如权利要求6所述的一种下颌骨有限元模型的建模系统，其特征在于，所述模型构建单元中，下颌骨面片网格模型是由许多个面片构成的三维壳体模型。
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