1、目的：通過建立鼻上頜骨複合體三維有限元模型，探討建立三維有限元模型建立的方法，為研究鼻上頜骨複合體的生物力學的特性提供了基礎。
2、方法：螺旋CT薄層掃描獲取DICOM格式數據文件，導入三維重建軟件Mimics，並應用有限元軟件Ansys建立鼻上頜骨複合體三維有限元模型。
3、結果：用該方法所建立鼻上頜骨複合體三維有限元模型與實體有很好的相似性，並且操作誤差小，建模分辨率高。
4、結論：應用DICOM數據計算機輔助建模法是一種快捷、準確、高效的有限元建模方法，該實驗所建鼻上頜骨複合體三維有限元模型精確度高，操作的可重複性好，能為臨床耳鼻咽喉科研究鼻上頜骨複合體骨折的生物力學的機制提供基礎。
鼻上頜骨複合體位於面中部，並突出於面部，幾何結構複雜，它是由上頜骨、顴骨、鼻骨、淚骨、上牙列以及與上頜骨解剖關係緊密的部分顱骨組成的骨性結合體，因此外傷所致骨折發生的幾率相對較高，如要分析其骨折的生物力學機制，首先要全面瞭解其結構本身和結構狀態對生物力學特性的影響。近年來計算機運算速度及計算方法的不斷進步，有限元法逐漸成為力學研究中最為重要的分析方法，尤其在口腔生物力學研究中得到廣泛的應用，快速、準確地建立三維有限元模型是生物力學有限元研究的首要問題，也是進行三維有限元分析的基礎。目前國內外已運用多種建模方法建立了下頜骨的三維有限元模型，而由於鼻上頜骨複合體結構複雜，對其有限元模型建立的則較少。本文應用CT掃描技術，採用DICOM數據導入Mimics軟件，最終應用Ansys有限元軟件建立鼻上頜骨複合體三維有限元模型。在探索如何建立鼻上頜骨複合體三維有限元模型的新方法和模式的同時，為臨床耳鼻咽喉科、顱頜面外科進一步研究鼻上頜骨複合體骨折的生物力學的機制提供了可靠的基礎。
1、材料與方法
（1）建模素材 選擇一位健康成年男性志願者，無頭面部外傷及手術史。
（2）實驗設備
①CT機：研究所用CT為美國通用GE公司產16排螺旋CT（LIGHTSPEED 16）
②工作平臺： 安裝有Windows XP sp3操作系統的PC機，CPU Pentium D 2.8GHz，4G內存
③軟件環境：醫學三維重建軟件Mimics10. 01 （Materialise ’s Interactive Medical Image Control System ） 和有限元分析軟件Ansys10. 0 （Analysis System） 。
（3）CT掃描
採用美國GE通用公司生產十六排螺旋CT對受試者的頭顱進行掃描，掃描時受試者取仰臥位，掃描電壓120KV，電流100mAs，掃描層厚1.3mm，窗寬1000，窗位200，共得到200餘張CT斷層圖像，選擇其中用於重建鼻上頜骨複合體的CT斷層圖像80張，將二維斷層圖像經CT工作站處理為DICOM格式數據文件，刻錄存盤。
（4）圖像處理及三維重建
CT掃描所獲得DICOM格式數據文件導入醫學三維重建軟件Mimics10. 01 軟件，確定需要進行三維重建的圖像範圍，設定Thresholding範圍僅顯示骨骼組織，並用蒙皮（Mask）編輯CT圖像上需要成像的組織，重建出鼻上頜骨複合體三維圖像。因所得到的三維模型單元形狀不規則，單元數量過多，會影響到力學分析的精確性，對分析速度也有極大的影響，所以利用remesh模塊對三維模型的表面三角形數量和質量進行優化。然後Mimics10. 01輸出三維模型的表面（Area）文件到Ansys10.0，最終在Ansys軟件中完成有限元模型的建立。
（5）有限元工作方式
將所研究的彈性物體離散成有限個單元。選擇單元位移函數，建立單元剛度矩陣和整體剛度矩陣，引入邊界條件，求解方程式。獲得所有節點位移分量，由節點位移求出各單元應力。整個求解過程及有關數據處理均由計算機自動完成。研究中將上頜骨複合體的皮質骨、松質骨均假設為各向同性的均質連續彈性材。
2、結果
CT掃描斷層圖像以DICOM格式導入Mimics醫學三維重建軟件，由二維斷層圖像重建出三維表面模型，Remesh模塊對三維模型的表面進行優化，在Ansys軟件中完成正常人鼻上頜骨複合體實體模型的三維重建，計算機自動處理三維網格劃分，結合手工劃分最終生成236120個單元，117894個節點的鼻上頜骨複合體三維有限元模型。在整個建模過程中重要的解剖結構特徵得到了準確的再現，並且與顱底、顴骨等周圍骨組織結構的連接完整保留，模型影像分辨率高，具有三維實體信息，並且模型的數據格式可以順利導入各種有限元分析軟件。
3、討論
有限元法（ finite element method, FEM）是將連續的彈性體分割成有限個單元，以其結合體來代替原彈性體，並逐個研究每個單元的性質，以獲得整個彈性體的力學分析方法 。它首次由Turner於1956 年在航空工業中應用成功。此後，隨著計算機技術的進步，有限元分析法已逐步發展成為工程中廣泛應用的方法。後來Friedenberg將其應用於醫學領域。有限元法是生物力學研究中的重要手段之一，它可對複雜幾何形狀物體建模，求得整體和局部的應力和位移值及其分佈規律，並可根據需要改變受載與邊界條件等力學參數，在維持原模型幾何形狀不變的情況下，可方便地對其應力大小和分佈的變化進行對比分析，作為一種工程力學研究方法，正逐漸被應用到矯形外科領域，骨應力分析是FEM的主要用途之一。
在用傳統的實驗方法根本無法全面、精確描述其應力分佈，而有限元分析可以很好地表現骨組織應力分佈的總體趨勢，無需建立體外實體模型即可以進行多種力學分析 ,其分析方法高效、精確、可信度高等。
目前能用於鼻上頜骨複合體有限元的建模方法有： （1） 磨片、切割法 由於需要切割破壞模型，並且在斷面很薄的情況下，也很難獲得一致的斷面厚度，在包括材料的選擇，圖像的處理，邊緣提取等環節都容易產生誤差，所以該方法已經被淘汰。（2）三維測量法 三維測量數據採集成本較高 ,數據處理時間較長，只能得到的表面數據無法反映組織內在的材料特性 ,也不常用。（3）CT 圖像處理法 CT圖像處理法其主要過程為：（a） CT 掃描獲得原始數據；（b）將 CT 膠片通過掃描、攝像等方法輸入計算機，獲得二維圖像；（c）在圖像分析軟件中形成輪廓線位圖 ,獲取圖像邊界數據；（d）將獲得的數據輸入三維有限元分析軟件中處理 ,最終獲得有限元模型。該方法需要人工圖格式以及人工準確對位，而且在通過膠片掃描傳遞數據的過程中容易丟失很多信息，對位的不準確也直接影響著所建立模型精確性。
本研究應用DICOM數據直接建模法，簡化了CT建模的程序，避免反覆操作造成的數據的失真或丟失，實現了自動化輔助建模。Dicom （ Digital Imaging and Communications in Medicine）醫學數字圖像通訊 ,是醫學信息領域中的一種通用的圖像及數據通訊標準，國際上已廣泛地應用於各醫學成像設備及信息系統中。Mimics為介於醫學與機械領域之間的一套逆向軟件，可以對CT和MRI掃描圖像進行顯示、分割及三維重建，並轉換成為CAD/ CAM、Ansys等有限元分析軟件可以處理的數據格式（如 STL 格式）。本研究利用Mimics直接讀取Dicom數據直接建立三維模型，模型為三維表面模型，非三維實體模型，然後轉換為 Ansys 三維有限元軟件可識別的格式，在Ansys中完成有限元網格劃分，建立三維有限元實體模型。在該建模過程中，鼻上頜骨複合體三維圖像直接來源於薄層 CT 掃描數據，並在預處理時無任何形式圖像轉換，在大大減少工作量的同時去除了人為因素造成的誤差，並且在計算機自動輔助建模下，使得所建鼻上頜骨複合體有限元實體模型更加精確，分辨率更高。用該方法所建鼻上頜骨複合體有限元實體模型（1）與CT三維重建醫學生物模型具有很好的相似性。（2）模型具有強大的裝配功能 ,可在其基礎上進行再建模操作。（3）模型在三維空間內可從任何角度進行觀察研究，在加載後，通過應力分佈圖可直觀地看到其內部應力及位移的分佈狀況。（4）該模型建立了完整的鼻上頜複合體形態 ，包括了上頜骨後部及其與鼻上頜骨複合體相連結的顱骨，因而使應力分佈的運算更加精確，為臨床耳鼻咽喉科能進一步研究鼻上頜骨複合體骨折的生物力學的機制提供模型基礎成為可能。
由於鼻上頜骨複合體幾何結構複雜 ,要達到模型與實體各解剖部位完全符合不但耗時、耗力 ,而且建模難度較大，並且有時為了有限元分析的需要，在建模時在對鼻上頜骨複合體有限元模型前處理時做了些簡化處理（例如將材料屬性設為連續、均值、各向同性的線彈性材料，材料受力變形較小），導致了與實體的組織學特性不完全相符 ,所以部分信息的不準確可能對整個模型的力學相似性造成一定的影響。
