本文選題：顳下頜關節(jié) + 螺旋CT�。� 參考：《新疆醫(yī)科大學》2014年博士論文

【摘要】：顳下頜關節(jié)（Temporomandibular joint TMJ）是人體最為復雜、解剖結(jié)構(gòu)細致的滑膜關節(jié)，左右各一，雙側(cè)聯(lián)合運動，構(gòu)成統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)功能單位體，不僅共同完成咀嚼、吞咽等，而且同時還完成言語、表情等復雜功能性活動[1]。牙頜系統(tǒng)作為是人體的暴露部位，極易遭到損傷，而且TMJ為人體最常使用的關節(jié)，顳下頜關節(jié)紊亂病的發(fā)病較高。因此對于顳下頜關節(jié)的研究對牙頜系統(tǒng)研究中具有重要的臨床意義。顳下頜關節(jié)所承載負荷一直以來是口腔醫(yī)學與力學所共同關注的生物力學研究中的重點與難點。由于口腔頜面部解剖結(jié)構(gòu)的復雜性，傳統(tǒng)的各項實驗研究方法比較繁復，費時、費力而且大多不能再次重復實現(xiàn)。隨著數(shù)學物理學研究方法、空間結(jié)構(gòu)幾何學、科學計算機技術在牙頜系統(tǒng)中廣泛應用，出現(xiàn)了很多更有效、更準確的新方法，其中有限元建模與分析法就是以上兩者相互結(jié)合的代表產(chǎn)物。有限元方法在口腔牙頜系統(tǒng)生物力學中的成熟應用，建立準確、開放性強及快速的有限元模型與醫(yī)學影像學技術的迅速發(fā)展是離不開的，而且此方法已成為口腔牙頜系統(tǒng)建模中的必然趨勢。而顳下頜關節(jié)作為口腔牙頜系統(tǒng)最為復雜而且細致的組織結(jié)構(gòu)，應用有限元法對其進行生物力學分析研究時，對模型的幾何相似度和力學相似度提出更高的要求。本研究應用薄層螺旋CT掃描技術和MRI技術獲取擁有全牙列的下頜骨的影像信息，并將獲取圖像進行不同圖像融合，同時結(jié)合大型科學計算軟件——有限元軟件，對薄層斷層的不同影像資料進行分析處理。建立了較為精確、應用方面較為廣泛的擁有全牙列的下頜骨及顳下頜關節(jié)整體的三維有限元模型。初次進行CT影像和MRI影像的圖像融合，使用大型科學計算軟件進行各類圖片資料的的識別，并將所獲取數(shù)據(jù)輸入至三維有限元軟件，提高了有限元建模效率，適合于口腔醫(yī)學專業(yè)技術人員對有限元模型的預處理，建立顳下頜關節(jié)整體的三維有限元模型。圖像融合技術的應用使得關節(jié)窩、關節(jié)盤和髁狀突的解剖結(jié)構(gòu)顯影更為清楚，從而使顳下頜關節(jié)整體有限元模型的建立更為精確、可行。在所建立的顳下頜關節(jié)有限元模型上模擬緊咬和側(cè)方等功能性下頜運動，在不同功能運動時分別進行生物力學的有限元分析，獲取應力分布數(shù)值，確定口腔頜面外科術中顳下頜關節(jié)正常位置，為功能狀態(tài)下顳下頜關節(jié)和下頜骨損傷后的力學分析模擬奠定了基礎。同時對部分顳下頜關節(jié)盤穿孔及前移位的病例進行局部建模分析。 目的：利用螺旋CT和MRI掃描圖像，探討利用圖像融合技術對顳下頜關節(jié)（TMJ）整體軟、硬組織進行三維重建的方法，為TMJ的生物力學研究及其臨床分析提供依據(jù)，探索新的、更有效的構(gòu)建三維有限元模型的精確方法。創(chuàng)建擁有全牙列的正常人顳下頜關節(jié)有限元模型，為顳下頜關節(jié)結(jié)構(gòu)和功能研究的精細化提供較科學的、理想的數(shù)字化分析工具及分析基礎。在所建立的顳下頜關節(jié)有限元模型上模擬緊咬狀態(tài)和側(cè)方等功能運動，在不同功能運動時分別進行局部生物力學和整體生物力學的有限元分析，獲取應力分布數(shù)值，確定頜面外科術中顳下頜關節(jié)正常位置，為髁狀突骨折、正頜外科手術、顳下頜關節(jié)置換等提供強有力的、說服性強的科學依據(jù)。建立包括顳下頜關節(jié)的人頭顱整體的數(shù)字化模型，為口腔頜面部手術及損傷修復提供新途徑，搭建數(shù)字化分析為基礎的技術平臺。方法：1）應用不同影像技術獲取顳下頜關節(jié)三維圖像信息的實驗研究：①顳下頜關節(jié)的螺旋CT掃描與三維重建選擇1例正常發(fā)育、面部骨性結(jié)構(gòu)無異常，無明顯錯合畸形的正常個體1名，對該個體的顳下頜關節(jié)及頦部進行標記，同時對雙側(cè)顳下頜關節(jié)、下頜骨、部分上頜骨和顱骨進行三維螺旋CT掃描，以為0.625mm/0.625mm掃描層厚/層距，獲取頭面部斷層整體數(shù)據(jù)，掃描后結(jié)果以DICOM格式存儲。將CT掃描獲得的醫(yī)學信息資料直接輸入至MIMICS12.0軟件中。首先選擇自TMJ關節(jié)窩頂上方3mm到下頜骨最下緣和下頜角所在的斷層為建模范圍，將這些層面影像導入到MIMICS軟件中，以交互式方式讀入DICOM格式的CT數(shù)據(jù)，將編輯和分割工具可以使用戶處理數(shù)據(jù)，以選擇關節(jié)盤、韌帶、骨骼等組織。根據(jù)螺旋CT掃描的關鍵參數(shù)，選擇合理的顱頜面部軟、硬組織所對應的灰度閾值范圍，直接進行影像文件資料的識別與轉(zhuǎn)化，并以三維方式顯示。選擇模塊優(yōu)化部分，選擇光順處理圖標的優(yōu)化功能將完成模塊的自動修復和優(yōu)化；②顳下頜關節(jié)的MRI掃描及三維重建將對同一個體進行雙側(cè)顳下頜關節(jié)整體區(qū)以掃描平面分別為垂直于髁突長軸，進行斜矢狀向掃描，層厚1.5mm，無間隔掃描方式進行MRI掃描，獲取雙側(cè)TMJ斷層影像數(shù)據(jù)。將MRI掃描獲得的醫(yī)學信息資料直接導入MIMICS12.0軟件中。定義三維空間平面，利用閾值分割及區(qū)域增長和人工修補3種方式進行圖像分割。所需的組織提取后，再利用Mimics3D Matic功能生成三維模型，將重建完成后的三維模型以三角形網(wǎng)格文件格式STL格式文件輸出并保存。顳下頜關節(jié)CT及MRI數(shù)據(jù)的圖像融合分別在已完成的三維重建下頜骨（包括骨表面與骨容積）、顳骨（雙側(cè)節(jié)窩部分）、下頜牙列和關節(jié)的盤模型數(shù)據(jù)中，讀取各相對區(qū)域的球狀標志物，進行分割尋找其重心及空間結(jié)構(gòu)和位置關系�；�11標志點的對應關系進行配準�；敬_定髁突和關節(jié)窩的相對于顳下頜節(jié)盤空間三維位置。最后根據(jù)TMJ整體軟、硬組織解剖位置的匹配關系進行精細調(diào)整，完成TMJ整體的三維圖像融合。最終以可直接被有限元分析軟件所應用的三角形網(wǎng)格文件格式STL文件格式保存處理。2）顳下頜關節(jié)有限元模型的建立研究在螺旋CT掃描和重建結(jié)果的基礎上，對已構(gòu)建的以顳下頜關節(jié)主體區(qū)域的三維幾何模型進行手工劃分的方式構(gòu)建網(wǎng)格劃分處理。設定顱頜面骨軟、硬組織表面和其邊界條件，對骨組織、關節(jié)盤及關節(jié)韌帶等組織均采用三維幾何四面體（三角面片）的形式進行網(wǎng)格劃分，建立正常個體顳下頜關節(jié)整體的三維有限元模型。3）顳下頜關節(jié)有限元模型運動功能的有限元分析研究在顳下頜關節(jié)整體有限元模型構(gòu)建中，上頜骨上方作固定約束控制、約束控制正中矢狀剖面區(qū)域的所有節(jié)點及顳骨關節(jié)窩頂部區(qū)域所有節(jié)點的自由度，限制模型的整體移位變化。應用有限元軟件包ANSYS系統(tǒng)，對牙尖交錯緊咬合時及側(cè)方功能運動進行模擬分析研究。對該功能性運動下顳下頜關節(jié)盤移動的特點及應力分布情況進行分析，確定功能運動下關節(jié)盤的形變及其規(guī)律。同時，，對部分顳下頜關節(jié)盤穿孔的病例和顳下頜關節(jié)盤前移位的病例進行局部建模和分析。結(jié)果：1）應用不同影像技術獲取顳下頜關節(jié)三維圖像信息的實驗研究：①顳下頜關節(jié)的螺旋CT掃描與三維重建三維螺旋CT分辨率由于高于單一空間，能確保多空間高分辨率，在頭面部組織結(jié)構(gòu)三維重建領域中具有獨特的優(yōu)越性。本研究對正常個體的雙側(cè)顳下頜關節(jié)、下頜骨、部分上頜骨和顱骨進行掃描，共獲取了465個CT掃描斷層。MIMICS12.0（交互式醫(yī)學圖像控制系統(tǒng)）是可以顯示和分割圖像，對圖像進行渲染、柵格化及三維重建的交互式圖像工具軟件系統(tǒng)。它能完成復雜曲面結(jié)構(gòu)的重建，本研究對獲取的465個掃描斷層進行三維重建，獲得了包括雙側(cè)顳下頜關節(jié)、下頜骨、部分上頜骨和顱骨的三維幾何模型，并對三維幾何模型進行優(yōu)化及升級，優(yōu)化后的模型文件以三角形網(wǎng)格文件格式，即STL格式保存，可直接被有限元軟件系統(tǒng)所應用，并進行有限元建模和一系列的有限元分析處理；②顳下頜關節(jié)的MRI掃描及三維重建MRI掃描同樣具有極高的空間分辨率，尤其是對軟組織（本研究中為關節(jié)盤）的分辨具有獨特優(yōu)勢。本研究對同一個體的頭顱和雙側(cè)顳下頜關節(jié)區(qū)進行冠狀和斜矢狀向掃描，層共獲取雙側(cè)TMJ掃描斷層影像406。對獲取的406個MRI掃描斷層，通過MIMICS12.0軟件進行重建，獲得了正常個體的顳下頜關節(jié)關節(jié)盤，關節(jié)韌帶的三維幾何模型，完成了正常人顳下頜關節(jié)整體軟組織影像的三維重現(xiàn)、重建及優(yōu)化處理；③顳下頜關節(jié)CT及MRI數(shù)據(jù)的圖像融合本研究在完成的三維重建下頜骨（包括骨表面和骨容積）、顳骨（雙側(cè)關節(jié)窩部分）、下頜牙列和關節(jié)盤模型數(shù)據(jù)中，讀取相對區(qū)域的球狀標志物，進行分割尋找其重心及空間結(jié)構(gòu)和位置關系�；�11標志點的對應關系進行配準�；敬_定髁突和關節(jié)窩的相對于顳下頜節(jié)盤空間三維位置。根據(jù)TMJ軟、硬組織解剖位置的匹配關系進行細致化調(diào)整，完成TMJ的三維圖像融合。采取人工介入選擇特征點的交互式輪廓提取方式與自動提取輪廓分別構(gòu)建軟硬組織三維幾何模型，同時對構(gòu)建的三維幾何模型進行優(yōu)化處理，最后可以三角形網(wǎng)格文件格式，即直接被有限元軟件所應用的三角形網(wǎng)格文件格式STL文件格式保存。2）顳下頜關節(jié)三有限元模型的建立研究采用手工劃分網(wǎng)格的方式對獲取的醫(yī)學信息建立網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其中網(wǎng)格結(jié)構(gòu)單元為四面體（三角面片）。本研究最終獲得的正常個體顳下頜關節(jié)整體的網(wǎng)格由55710個單元和26493個節(jié)點所組成；在獲取的整體網(wǎng)格基礎上，正常人頭面部軟組織有限元模型由有限元軟件ANSYS中構(gòu)建并獲取的有限元模型由69902個單元和33589個節(jié)點所組成。該模型在一定程度上反映了顳下頜關節(jié)的生物力學性能（各向異性及關節(jié)盤的彈性及雙相特性），具有真實性、有效性，為進一步進行顳下頜關節(jié)整體有限元模型的生物力學分析創(chuàng)造了條件和基礎。建模過程需要大量人工手工網(wǎng)格劃分及數(shù)學計算過程，耗時較長，需要大量工作來保證精確性。3）顳下頜關節(jié)有限元模型功能運動下的有限元分析研究下頜側(cè)方運動時，同側(cè)關節(jié)盤（工作側(cè)）與對側(cè)關節(jié)盤（非工作側(cè)）的應力分布有所不同。同側(cè)關節(jié)盤承擔的較高應力，該應力位于關節(jié)盤的后帶及關節(jié)盤的側(cè)方部。由于顳下頜關節(jié)關節(jié)盤壓迫顳骨下壁，同側(cè)關節(jié)盤-髁狀突復合體的側(cè)方附著帶處于扭曲狀態(tài)，因而此區(qū)域也是最易受損或穿孔的區(qū)域。髁突向上、后、內(nèi)側(cè)移動，關節(jié)盤在與髁突一同向后、向上運動的同時，在髁突表面相對髁突做向前的轉(zhuǎn)動是牙尖交錯位緊咬時髁突與關節(jié)盤的特點；同時關節(jié)盤的應力值明顯小于髁突表面的應力值，而且關節(jié)盤內(nèi)表面的應力與關節(jié)盤外表面的應力分布相似，關節(jié)內(nèi)力通過髁突、關節(jié)盤和關節(jié)窩相互間的接觸關系以及關節(jié)盤的緩沖作用下得以傳遞和分散。結(jié)論：本實驗應用螺旋CT和MRI掃描圖像，利用圖像融合技術對顳下頜關節(jié)整體軟、硬組織進行三維圖像的重建，獲取了新的，更有效的構(gòu)建三維有限元模型的精確方法；創(chuàng)建了包括全牙列的正常人顳下頜關節(jié)整體有限元模型，為顳下頜關節(jié)的研究提供了理想的數(shù)字化分析工具。并在其基礎上模擬了顳下頜關節(jié)牙尖交錯咬合和側(cè)方等功能運動，同時在不同功能運動時進行了有限元分析處理，獲取應力分布數(shù)值，為髁狀突骨折、正頜外科手術、顳下頜關節(jié)盤手術、顳下頜關節(jié)置換等提供了可信度較高的科學依據(jù)。研究結(jié)果表明：1）本研究不僅介紹了一個顳下頜關節(jié)有限元模型建立的完整方案，同時著重于不同功能性運動位，顳下頜關節(jié)整體有限元模型的建立，模擬了不同顳下頜關節(jié)功能性運動，為顳下頜關節(jié)動態(tài)性研究提供了科學依據(jù)；2）本研究提出了兩種高精度影像數(shù)據(jù)的圖像融合在構(gòu)建有限元模型中的優(yōu)勢，不同圖像融合技術使得髁狀突、關節(jié)盤和關節(jié)窩的解剖結(jié)構(gòu)顯像更為清晰，從而使顳下頜關節(jié)整體區(qū)有限元模型的建立更為精準。該模型的建立為后期進行功能狀態(tài)下顳下頜關節(jié)和下頜骨損傷的力學分析模擬奠定了基礎；3）這項技術在所建立的模型上模擬顳下頜關節(jié)牙間交錯咬合和側(cè)方等功能運動，在不同功能性運動時分別進行有限元分析研究，獲取應力分布數(shù)值，確定功能頜面外科術中顳下頜關節(jié)正常位置，為髁狀突骨折、正頜外科手術、顳下頜關節(jié)置換等提供真實、可信的科學依據(jù)。在臨床應用方面具有實際價值和推廣意義；4）建立包括顳下頜關節(jié)整體的人下頜骨數(shù)字化模型，為顳下頜關節(jié)手術及修復提供新途徑，搭建數(shù)字化技術平臺。
[Abstract]:Templar joint ( Templar joint ) is one of the most complex and delicate synovial joints of the human body , and the joint movement of the left and right sides and the bilateral joint forms a unified structural functional unit body , which not only completes chewing , swallowing and the like , but also completes the complex functional activities of speech , expression and the like . The application of the finite element method in the biological mechanics of the oral dental system has been made more effective and more accurate . The application of the finite element method in the biological mechanics of the oral cavity is a necessary trend .

Objective : To study the method of three - dimensional reconstruction by using spiral CT and MRI in order to provide a scientific basis for the biomechanical study and clinical analysis of the mandibular joint .
In this paper , three - dimensional finite element model is used to reconstruct the three - dimensional finite element model of the mandibular joint . can be directly applied by a finite element software system , and finite element modeling and a series of finite element analysis processing are carried out ;
( 2 ) MRI scan and three - dimensional reconstruction MRI scan also have very high spatial resolution , especially for soft tissue ( the joint disc in this study ) . This study performed coronal and oblique sagittal scan on the cranial and bilateral temporal mandibular joint areas of the same body .
In this study , three - dimensional geometric model of mandibular condyle and joint fossa was established , and the three - dimensional geometric model was established based on the matching relationship between the soft and hard tissue .
On the basis of the acquired integral mesh , the finite element model of the soft tissue of the head and face of the normal human head is composed of 69902 units and 335 89 nodes .
At the same time , the stress value of the articular disc is obviously less than that of the condyle surface , and the stress of the inner surface of the joint disc is similar to the stress distribution on the outer surface of the articular disc , and the internal force of the joint is transmitted and dispersed through the contact relation between the condyle , the joint disc and the joint socket and the buffering action of the joint disc .
In this paper , a complete finite element model of temporo - mandibular joint is established , which provides an ideal digital analysis tool for the study of temporo - mandibular joint . The results show that : 1 ) This study not only introduces a complete scheme established by the finite element analysis of the mandibular joint , but also focuses on the establishment of the integral finite element model of the mandibular joint , simulates the functional movement of the joint of the different temporo - mandibular joint and provides scientific basis for the dynamic study of the temporo - mandibular joint .
2 ) The superiority of image fusion of two kinds of high - precision image data in the construction of finite element model is proposed .
3 ) Based on the established model , this technique simulates the function movement of the interdental interteeth and the lateral side of the temporo - mandibular joint , and carries on the finite element analysis research on the different functional motion , obtains the stress distribution value , determines the normal position of the temporo - mandibular joint in the functional and maxillofacial surgery , and provides the real and credible scientific basis for the condyle fracture , the orthognathic surgery , the temporo - mandibular joint replacement and the like , and has practical value and popularization significance in clinical application ;
4 ) To establish a digital model of the mandible including the whole mandible joint , to provide a new way for the operation and repair of the temporo - mandibular joint , and to build a digital technology platform .

【學位授予單位】：新疆醫(yī)科大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：R782.6;TP391.41

【參考文獻】

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本文編號：1837625