包含顳下頜關節(jié)的顱骨三維有限元模型建立.pdf

1、有限元法是一種與現(xiàn)代計算機技術(shù)緊密相關的應力分析方法，是應用彈性理論來求解研究對象的應力分布。應用材料力學和彈性理論求得應力分布的理論解答，常涉及基本物理學法則的運用和一些基本公式。作為生物力學研究中一種重要的研究方法，有限元法是將連續(xù)的彈性體分割成有限個網(wǎng)格單元，用其結(jié)合體代替原彈性體并對感興趣的單元節(jié)點加以研究。一般來說任何連續(xù)介質(zhì)在三維方向均有無限的自由度，然而借助節(jié)點和單元的概念，有限元法讓我們在研究連續(xù)介質(zhì)時可以將其簡化為有限

2、個單元的集合，根據(jù)需要規(guī)定這些單元的自由度，從而降低研究的復雜程度。利用面架對上頜骨進行前方牽引時，其產(chǎn)生的反作用力由頦部和額部共同承擔。其中頦部承擔大部分向后上的反作用力并通過力的傳遞作用于下頜骨體及顳下頜關節(jié)區(qū)。額部則主要承擔水平向的反作用力。前方牽引矯治力的反作用力會在下頜骨及顳下頜關節(jié)區(qū)會產(chǎn)生怎樣的作用，是否會引起顳下頜關節(jié)區(qū)較大的應力集中？為了對這一問題進行研究，本試驗中我們利用DICOM數(shù)據(jù)建模法建立起包括下頜骨在內(nèi)，相對完

3、整的顱骨三維有限元模型，并通過模擬加載對應力的分布和位移的變化進行初步研究和探討。
　　 目的:建立包括顳下頜關節(jié)在內(nèi)的顱骨三維有限元模型。通過在頦部加載，探討前牽引矯治力的反作用力在下頜骨、髁狀突和關節(jié)窩內(nèi)的應力分布。
　　 方法:選擇1名健康青年男性志愿者作為研究對象，對其頭部進行CT掃描，自顱骨上方起由上至下垂直于面部縱軸進行掃描（掃描層厚1.0mm，層間距0.5mm，窗寬2000，窗位400，）。首先將以DICO

4、M3.0醫(yī)學數(shù)字圖像通訊標準存儲的一系列二維CT圖像文件導入Mimics10.01軟件中進行圖像預處理，分別建立顱上頜復合體和下頜骨的三維模型,并以Binary STL格式輸出。使用Magics12.0軟件對所獲得的三維幾何模型進行優(yōu)化，由于人體顱骨左右對稱性，試驗中選取所建顱上頜復合體和下頜骨模型的1/2進行優(yōu)化。利用軟件中remesh命令和boolen命令完成對顱上頜復合體和下頜骨三維模型面網(wǎng)格劃分。采用有限元軟件MSC.Marc2

5、005，從Mentat的CAD接口讀入幾何模型，經(jīng)過幾何清理和修復，最終完成有限元體網(wǎng)格生成。將模型材料假設為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的線彈性材料，其受力后變形為小變形。直接在頦部加載與（殆）平面呈31°向后上，大小為3N的載荷，生成加載后下頜骨應力分布圖和位移圖。
　　 結(jié)果:1.成功建立起包括下頜骨顳下頜關節(jié)在內(nèi)的顱骨三維有限元模型。所建立顱骨三維有限元模型共包含110770個節(jié)點和28740個單元，其中顱上頜骨由76892個節(jié)

6、點和20387個單元構(gòu)成，下頜骨由33878個節(jié)點8353個單元構(gòu)成。該模型結(jié)構(gòu)相對比較完整，網(wǎng)格質(zhì)量良好，與生物實體真實結(jié)構(gòu)具有良好的幾何相似性。
　　 2.在下頜骨頦部模擬加載與（殆）平面呈31°角向后上，大小為3N的載荷，發(fā)現(xiàn)下頜骨的應力集中區(qū)域位于髁狀突頂及頸部。其中等效應力值在髁狀突頂接觸部位約為0.4MPa，髁狀突頸部約為0.1Mpa。
　　 3.下頜骨的位移圖顯示位移大小從頦部至髁狀突逐級遞減，其方向與施力