Name: 定位颌齿电阻中心的有限元方法 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-04-08T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 50 s
Description: 了解使用低剂量锥形束CT图像定位上颌牙齿阻力中心的有限元方法。该技术生成三维模型，可标准化应用于上颌和下颌牙列，为牙齿移动预测和正畸临床研究提供基础。

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作者谨此感谢 Charles Burstone 基金会奖项对本项目的支持。

已获得机构审查委员会豁免，用于评估口腔颌面放射学部存档的锥形束CT（CBCT）数据集（IRB编号：17-071S-2）。
1. 体积选择与标准
<ol>
	<li>获取头面部的锥形束CT（CBCT）图像16。</li>
	<li>检查图像的牙齿排列情况、缺牙状况、体素大小、视野范围以及图像的整体质量。</li>
	<li>确保体素大小不超过 350 µm（0.35 mm）。</li>
</ol>
2. 牙齿和骨骼的分割
<ol>
	<li>将CBCT图像的原始DICOM文件导入Mimics软件进行分割（图2）。点击图像 &#62; 裁剪项目，裁剪图像以仅包含上颌骨及上颌牙齿。 
	注意：视野应足够大，以完整包含上颌骨和上颌牙齿。确保图像包括牙冠、硬腭至鼻底、上颌窦、上颌牙齿的面部表面，以及硬腭后缘和上颌结节。</li>
	<li>右键单击掩膜标签，为图像创建一个新掩膜。根据目标牙齿，将掩膜重命名为左侧UL1、UL2、…、UL7，右侧UR1、UR2、…、UR7。</li>
	<li>在掩膜后的CBCT图像上识别目标牙齿（参见各视图）。使用清除掩膜工具擦除掩膜。由于牙齿与骨组织的灰度值相近，软件可能无法区分两者。 
	注意：Mimics中的阈值工具无法将牙齿和骨组织分别分割，因此需要采用其他分割方法。</li>
	<li>点击多切片编辑工具（Ctrl + M），选择视图（轴向、冠状或矢状），根据需要手动高亮（即绘制）部分切片。 
	注意：高亮更多切片可为结构增加更多细节。</li>
	<li>点击插值工具，填充被跳过的切片之间的体积，并应用。</li>
	<li>右键单击掩膜，选择计算3D体积的选项，生成该牙齿的3D体积。</li>
	<li>对上颌牙弓中的每一颗牙齿重复步骤2.2–2.6。</li>
	<li>选择所有上颌3D牙齿（UL7–UR7），右键选择平滑。将平滑因子设为0.4，迭代次数设为4。</li>
	<li>为分割上颌骨，右键单击掩膜标签，为图像创建一个新的掩膜。</li>
	<li>从预设阈值集的下拉菜单中选择自定义，调整阈值以包含完整的上颌骨。应用阈值前，请务必勾选填充孔洞选项。 
	注意：皮质骨中≤1 mm的小孔可接受，因其可在后续阶段轻松去除。</li>
	<li>点击动态区域生长工具，以填充掩膜中可见的大孔洞。除勾选多层选项外，还需选择上颌骨掩膜作为该工具的目标。将最小值设为50，最大值设为150。按住Control键的同时，点击掩膜中未被高亮的皮质骨区域。</li>
	<li>右键单击上颌骨掩膜，使用平滑掩膜功能。为获得最佳效果，重复此步骤3次。</li>
	<li>右键单击掩膜，选择计算3D体积的选项，生成上颌骨的3D体积。</li>
	<li>选择上颌3D骨结构，右键选择平滑。将平滑因子设为约0.4，迭代次数设为4。</li>
	<li>选择上颌3D骨结构，右键选择包裹。将最小细节设为0.2 mm，间隙闭合距离设为1 mm，并勾选保护薄壁选项。点击确定。</li>
	<li>将上颌3D骨结构重命名为&#34;Maxilla&#34;。</li>
</ol>
3. 清理与网格划分
<ol>
	<li>选择3D对象并复制（Ctrl + C).</li>
	<li>打开 3matic 软件，然后粘贴（Ctrl + V选定的3D对象将作为3D结构出现在3matic的对象树和工作区中图3).</li>
	<li>点击 固定 从工具栏中选择标签并使用 平滑 选项。在 操作步骤 框选所需的 3D 对象或实体 应用 默认参数。</li>
	<li>点击 完成 从工具栏中选择标签并使用 局部平滑 选项。在 操作步骤 框选所需的3D对象或实体。使用光标手动平滑所需区域。</li>
	<li>复制牙齿。在对象树中选择所有牙齿，右键单击，然后选择 重复.</li>
	<li>选择 所有重复牙齿，分组并命名文件夹 &#34;第1组&#34;原始样本将作为最终用于分析的牙齿。</li>
	<li>对于第1组中的重复牙齿，单击 曲线模块 和 创建曲线 选项。对所有重复的牙齿，手动绘制一条围绕釉牙骨质界（CEJ）的曲线。</li>
	<li>选择 曲线, 轮廓，以及 边界 实体在以下 平滑曲线 选项</li>
	<li>将冠部和根部表面分别选择并分离为独立的部分 按曲线分割曲面 选项并左键单击三维对象以选择。</li>
	<li>通过在釉牙骨质界（CEJ）处将牙齿分为牙根和牙冠，从牙齿的牙根结构中获取牙周膜（PDL）。
	<ol>
		<li>将第1组的3D对象（在步骤3.6中生成）复制为第2组。对于第2组，在对象树框中，单击 对象从表面列表中删除牙冠表面。对第2组中的所有对象执行此步骤。</li>
		<li>对于第2组，点击 设计模块 &#62; 中空. 应用所需的参数（表1).</li>
		<li>点击 固定模块 &#62; Fix Wizard单击各个部件，更新并按照给出的指示进行操作。</li>
		<li>对所有部件重复步骤 3.10.3。将组 2 中的所有部件重命名 &#34;UL1_PDL&#34; 到 &#34;UL7_PDL&#34; 和 &#34;UR1_PDL&#34; 到 &#34;UR7_PDL&#34;.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在第1组中，从对象树框中单击 对象从表面列表中删除根面。</li>
	<li>选择 填充孔洞（常规） 选项并选择轮廓。单击 不良轮廓 和 应用整个空间将被填满。</li>
	<li>选择 设计模块 &#62; 局部偏移 并选择整个牙冠表面。勾选以下选项： 方向 （选择外部） 偏移距离 （选择 0.5），以及 缩短距离 （选择 2.0） 应用.</li>
	<li>重复步骤 3.13。</li>
	<li>对上颌牙弓的每一颗牙齿重复步骤 3.11–3.14。</li>
	<li>重新网格化图3)
	<ol>
		<li>点击 重绘模块 &#62; 创建非流形装配体 &#62; 主要实体 &#62; 上颌骨 从对象树中选择 3.4 节（原始牙齿）中所有对象的相交实体并选择 应用.</li>
		<li>点击 Remesh 模块. 拆分非流形装配体。</li>
		<li>使用来自第1组的所有对象作为相交实体，重复步骤3.16.1-3.16.2 应用.</li>
		<li>作为可选步骤，仅在需要时选择 完成模块 &#62; 修剪 &#62; 实体 &#62; 上颌骨. 选择多余的结构（即噪声）并 应用.</li>
		<li>点击 固定模块 &#62; 修复向导 &#62; 上颌骨 &#62; 更新按照给出的说明进行操作。</li>
		<li>使用第2组中的所有对象作为相交实体，重复步骤3.16.1 应用.</li>
		<li>点击 Remesh 模块 &#62; 自适应重网格划分. 从 3.16.6 中选择所有相交的实体 应用.</li>
		<li>点击 Remesh 模块 &#62; 非流形分裂装配.</li>
		<li>点击 重绘模块 &#62; 创建非流形装配体 &#62; 主要实体 &#62; 单个物体 （PDL）从对象树的第2组中选择 相交实体 &#62; 选择相应对象 来自步骤 3.4（对应于该牙齿类型）以及 应用.</li>
		<li>点击 重网格模块 &#62; 自适应重网格划分. 从 3.16.9 中选择相交的实体 应用.</li>
		<li>点击 重绘模块 &#62; 非流形分裂装配.</li>
		<li>对每颗牙齿重复步骤 3.16.9–3.16.11。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>点击 重绘模块 &#62; 保持质量的三角面片简化在对象树中选择所有实体（即牙齿、牙周膜和上颌骨）并 应用.</li>
	<li>点击 重绘模块 &#62; 创建体积网格 &#62; 选择实体选择 网格参数.</li>
	<li>对所有实体（即牙齿、牙周膜和上颌骨）重复步骤 3.18。</li>
	<li>手动将输入文件（.inp）从 3Matic 导出至 Abaqus图4).</li>
</ol>
4. 有限元分析
注意：所有自定义 Python 脚本均可在补充附件中找到。这些脚本是使用 Abaqus 中的宏管理器功能生成的。
<ol>
	<li>预处理设置
	<ol>
		<li>打开 Abaqus 并选择 Standard Model。点击 File &#62; Set the Work Directory &#62; Select Location for File Storage。</li>
		<li>点击 File &#62; Run Script，然后选择 Model_setup_Part1.py。</li>
		<li>在模型目录中指定加载 .inp 文件至 Abaqus 的文件路径。</li>
		<li>点击 Models &#62; Simulation &#62; Parts &#62; Maxilla &#62; Surfaces。</li>
		<li>在对话框中将表面命名为 &#34;UL1 _socket&#34;。</li>
		<li>在 Select the Region of the Surface 下选择 By Angle，并输入角度值 &#34;15&#34;。</li>
		<li>确保牙槽的所有区域均已被选中，完成后点击 Done。</li>
		<li>对各个牙槽重复步骤 4.1.4–4.1.7。</li>
		<li>点击 Models &#62; Simulation &#62; Parts，然后选择 UL1 &#62; Surfaces。将表面命名为 &#34;UL1&#34;。</li>
		<li>在 Select the Region of the Surface 下选择 &#34;Individually&#34;，从屏幕上选择牙齿，然后点击 Done。</li>
		<li>对所有牙齿重复步骤 4.1.9–4.1.10。</li>
		<li>点击 Models &#62; Simulation &#62; Parts，然后选择 UL1_PDL &#62; Surfaces。将表面命名为 &#34;UL1_PDL_inner&#34;。</li>
		<li>在 Select the Region of the Surface 下选择 By Angle，并输入角度值 &#34;15&#34;。 
		注意：若在最终模拟过程中发现错误，应减小角度并重新选择表面。</li>
		<li>确保牙周膜（PDL）的整个内表面区域均被选中，完成后点击 Done。</li>
		<li>选择 UL1_PDL &#62; Surfaces，将表面命名为 &#34;UL1_PDL_outer&#34;。</li>
		<li>在 Select the Region of the Surface 下选择 By Angle，并输入角度值 &#34;15&#34;。 
		注意：若在最终模拟过程中发现错误，应减小角度并重新选择表面。</li>
		<li>确保牙周膜（PDL）的整个外表面区域均被选中，完成后点击 Done。</li>
		<li>对所有牙周膜（PDL）重复步骤 4.1.13–4.1.19。</li>
		<li>点击 File &#62; Run Script，然后选择 Model_setup_Part2.py。</li>
		<li>点击 Models &#62; Simulation &#62; BCs。将边界条件命名为 BC_all，然后选择 Step 为 Initial。在类别下选择 &#34;Mechanical&#34;，在 &#34;Types of Selected Step&#34; 下选择 &#34;Displacement/Rotation&#34;。点击 Continue。</li>
		<li>在 Select Regions for the Boundary Condition 下选择 By Angle，并输入角度值 &#34;15&#34;。勾选 Create Set，并为14颗牙齿分别选择各自的牙槽。完成后点击 Done。 
		注意：此操作有助于模拟牙齿的瞬时移动。</li>
		<li>点击 Models &#62; Simulation &#62; Assembly &#62; Sets &#62; Create Set。将集合命名为 &#34;U1_y_force&#34;。</li>
		<li>在 Select the Nodes for the Set 下选择 Individually。 
		注意：在随机选择的牙冠节点上施加1牛顿的集中力，方向为正Y方向（模拟远中移动力）或正Z方向（模拟压低力）。</li>
		<li>在上颌中切牙（U1）唇侧牙冠中心选择一个节点，然后点击 Done。</li>
		<li>点击 Sets &#62; Create Set。将集合命名为 &#34;U1_z_force&#34;。</li>
		<li>重复步骤 4.1.23–4.1.24。</li>
		<li>对所有牙齿重复步骤 4.1.22–4.1.26。 
		注意：在为特定牙齿生成集合（如步骤 4.1.25）之前，需先对该牙齿执行 Instance &#62; Resume 操作。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>模型设置
	<ol>
		<li>点击 Models &#62; Simulation &#62; Assembly &#62; Instances。选择 All Instances，然后点击 Resume。</li>
		<li>点击 Tools &#62; Query &#62; Point/Node。在随机选择的中切牙中心选择一个节点，然后点击 Done。</li>
		<li>在页面底部的命令中心中，复制步骤 4.2.2 所选节点的 X、Y 和 Z 坐标。</li>
		<li>在垂直工具栏中选择 Translate Instance，并在屏幕上选择整个装配体（即所有实例），然后点击 Done。</li>
		<li>在 Select a Start Point for the Translation Vector 框中，粘贴步骤 4.2.3 复制的坐标，或手动输入 X、Y 和 Z 值，然后点击 Enter。</li>
		<li>在 Select an End Point for the Translation Vector or enter X,Y,Z 中输入坐标 &#34;0.0&#34;、&#34;0.0&#34; 和 &#34;0.0&#34;，然后点击 Enter。</li>
		<li>对于 Position of Instance，点击 Ok。</li>
		<li>点击 Tools &#62; Query &#62; Point/Node，选择位于中切牙中线正上方的一个节点，然后点击 Done。</li>
		<li>在页面底部的命令中心中，复制步骤 4.2.8 所选节点的 X、Y 和 Z 坐标。</li>
		<li>在垂直工具栏中选择 Translate Instance，并在屏幕上选择整个装配体（即所有实例），然后点击 Done。</li>
		<li>将复制的坐标粘贴至 Select a Start Point for the Translation Vector - or Enter X,Y,Z 框中，然后点击 Enter。</li>
		<li>在 Select an End Point for the Translation Vector - or enter X,Y,Z 中输入步骤 4.2.9 复制的坐标，并将 X 坐标修改为 0.0，然后点击 Enter。</li>
		<li>对于 Position of Instance，点击 Ok。</li>
		<li>点击 File &#62; Run Script，然后选择 Model_setup_Part3.py。插入或修改材料属性。</li>
		<li>点击 Models &#62; Simulation &#62; Materials，然后点击 Bone/PDL/Tooth。输入组织特异性属性。</li>
		<li>点击 File &#62; Run Script，然后选择 Functions.py。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>模型处理
	<ol>
		<li>点击 File &#62; Run Script，然后选择 Job_submission.py。 
		注意：作业模块用于在模型上设置一个或多个操作，作业管理器则用于启动模型分析、显示进度并提示完成状态。</li>
		<li>在标题为 Suppress All 的对话框中，根据约束条件输入牙齿的侧别（L 或 R）（在 Models &#62; Simulation &#62; Constraints 下）。点击 Ok。</li>
		<li>在标题为 Job Submission 的对话框中输入 &#34;Y&#34;，以运行指定牙齿的分析。点击 Ok。</li>
		<li>在标题为 Directions for Analysis 的对话框中输入 &#34;Y&#34;，以指定力的施加方向。点击 Ok。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>用于 CRES 估算的后处理
	<ol>
		<li>选择 File &#62; Run Script &#62; Bulk_process.py。</li>
		<li>在标题为 Analyze Multiple Jobs 的对话框中，为指定的牙齿输入 &#34;Y&#34;。点击 Ok。</li>
		<li>在标题为 Directions for Analysis 的对话框中，为指定力的施加方向输入 &#34;Y&#34;。点击 Ok。</li>
		<li>在标题为 Get Input 的对话框中，输入如命名实例所示的 Specific Tooth Number（例如 UL1 或 UL5 等）。点击 Ok。</li>
		<li>在命令框中核对 Force About Point 和 Estimated Location 的坐标。若两者不一致，则重复步骤 4.3.1–4.4.4。 
		注意：在运行每一步的作业后，将在 Abaqus 界面内运行一个用 Python 编写的用户自定义算法，用于分析反作用力系统及加载后产生的力矩。该算法会自动建议一个新的节点位置以施加载荷，使得力系统中的力矩接近零。该过程为迭代进行，直至找到或估算出施加力时能产生最接近零力矩的节点位置。该算法的详细说明见讨论部分。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Smith, R. J., Burstone, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanics+of+tooth+movement%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Orthodontics%22%5BJournal%5D)">Mechanics of tooth movement.</a> American Journal of Orthodontics. 85 (4), 294-307 (1984).</li>
<li>Christiansen, R. L., Burstone, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Centers+of+rotation+within+the+periodontal+space%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Orthodontics%22%5BJournal%5D)">Centers of rotation within the periodontal space.</a> American Journal of Orthodontics. 55 (4), 353-369 (1969).</li>
<li>Tanne, K., Nagataki, T., Inoue, Y., Sakuda, M., Burstone, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Patterns+of+initial+tooth+displacements+associated+with+various+root+lengths+and+alveolar+bone+heights%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Orthodontics+and+Dentofacial+Orthopedics%22%5BJournal%5D)">Patterns of initial tooth displacements associated with various root lengths and alveolar bone heights.</a> American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 100 (1), 66-71 (1991).</li>
<li>Burstone, C. J., Pryputniewicz, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Holographic+determination+of+centers+of+rotation+produced+by+orthodontic+forces%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Orthodontics%22%5BJournal%5D)">Holographic determination of centers of rotation produced by orthodontic forces.</a> American Journal of Orthodontics. 77 (4), 396-409 (1980).</li>
<li>Dermaut, L. R., Kleutghen, J. P., De Clerck, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+determination+of+the+Cres+of+the+upper+first+molar+in+a+macerated%2C+dry+human+skull+submitted+to+horizontal+headgear+traction%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Orthodontics+and+Dentofacial+Orthopedics%22%5BJournal%5D)">Experimental determination of the Cres of the upper first molar in a macerated, dry human skull submitted to horizontal headgear traction.</a> American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 90 (1), 29-36 (1986).</li>
<li>Tanne, K., Sakuda, M., Burstone, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+finite+element+analysis+for+stress+in+the+periodontal+tissue+by+orthodontic+forces%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Orthodontics+and+Dentofacial+Orthopedics%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional finite element analysis for stress in the periodontal tissue by orthodontic forces.</a> American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 92 (6), 499-505 (1987).</li>
<li>Meyer, B. N., Chen, J., Katona, T. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Does+the+Cres+depend+on+the+direction+of+tooth+movement%3F%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Orthodontics+and+Dentofacial+Orthopedics%22%5BJournal%5D)">Does the Cres depend on the direction of tooth movement?</a> American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 137 (3), 354-361 (2010).</li>
<li>Kojima, Y., Fukui, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+finite+element+simulation+of+initial+movement%2C+orthodontic+movement%2C+and+the+centre+of+resistance+of+the+maxillary+teeth+connected+with+an+archwire%5BTitle%5D)+AND+%22European+Journal+of+Orthodontics%22%5BJournal%5D)">A finite element simulation of initial movement, orthodontic movement, and the centre of resistance of the maxillary teeth connected with an archwire.</a> European Journal of Orthodontics. 36 (3), 255-261 (2014).</li>
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<li>Hohmann, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Influence+of+different+modeling+strategies+for+the+periodontal+ligament+on+finite+element+simulation+results%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Orthodontics+and+Dentofacial+Orthopedics%22%5BJournal%5D)">Influence of different modeling strategies for the periodontal ligament on finite element simulation results.</a> American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 139 (6), 775-783 (2011).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

本研究展示了一套工具，用于建立基于患者锥形束CT（CBCT）图像构建的上颌牙齿模型进行有限元分析（FEA）以确定其牙根表面中心（CRES）的一致性工作流程。对于临床医生而言，清晰且直观的上颌牙齿CRES分布图将是一种极为宝贵的临床工具，可用于规划牙齿移动并预测副作用。有限元法（FEM）于1973年引入牙科生物力学研究17，此后已被广泛应用于分析牙槽支持结构中的应力与应变场6,7,8,9,10,11,12。从工作流程中列出的步骤数量可以看出（图1<...

牙齿或牙段的阻抗中心（CRES）类似于自由物体的质心，这一术语借用于刚体力学领域。当单一力作用于阻抗中心（CRES）时，牙齿将沿力的作用线方向发生平移运动1,2。阻抗中心（CRES）的位置不仅取决于牙齿的解剖结构和物理特性，还受其周围环境（例如牙周膜、邻近骨组织、邻牙）的影响。牙齿属于受约束的物体，因此其阻抗中心（CRES）与自由物体的质心类似。在矫治器的操作过程中，大多数正畸医生会考虑力矢量与单个牙齿或牙组阻抗中心（CRES）之间的关系。实际上，当物体受到单一力作用时，其是否发生倾斜移动或整体移动，主要取决于该物体阻抗中心（CRES）的位置以及力矢量与阻抗中心（CRES）之间的距离。若能准确预测这一关系，治疗效果将显著提升。因此，对阻抗中心（CRES）进行精确估算可极大提高正畸牙齿移动的效率。
几十年来，正畸领域一直在重新审视关于特定牙齿、牙段或牙弓的CRES位置的研究1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12。然而，这些研究在方法学上存在诸多局限性。大多数研究仅针对少数牙齿确定了CRES位置，而忽略了大多数牙齿。例如，上颌中切牙和上颌切牙区段已被广泛研究。相比之下，关于上颌尖牙和第一磨牙的研究较少，而对其余牙齿则尚无相关研究。此外，许多研究基于牙齿的通用解剖数据、二维（2D）X线片测量结果以及2D绘图的计算来确定CRES的位置8。另外，部分现有文献使用通用模型或牙模的三维（3D）扫描数据，而非真实的人体数据4,8。随着正畸学逐步转向采用3D技术进行牙齿移动规划，重新审视这一概念至关重要，以建立对牙齿移动的三维、科学理解。
随着技术进步带来计算能力和建模能力的提升，创建和研究更复杂模型的能力也随之增强。计算机断层扫描和锥形束计算机断层扫描（CBCT）的引入，使模型和计算从二维世界迈向三维。计算能力与软件复杂性的同步提升，使研究人员能够利用三维放射影像提取精确的解剖模型，并在高级软件中用于分割牙齿、骨骼、牙周膜（PDL）以及各种其他结构7,8,9,10,13,14,15。这些分割出的结构可转化为虚拟网格，供工程软件使用，以计算在施加特定力或位移时系统的响应。
本研究提出了一种特定且可重复的方法学，可用于分析作用于从活体患者CBCT图像提取的模型上的假设性正畸力系统。采用该方法学，研究人员可估算不同牙齿的阻力中心（CRES），并综合考虑牙体结构的生物学形态，例如牙齿解剖结构、根数及其在三维空间中的方向、质量分布以及牙周附着结构。该过程的总体流程如图1所示，旨在帮助读者理解生成三维牙体模型以定位阻力中心（CRES）所涉及的逻辑步骤。

<table><tbody><tr><td>3-matic 软件</td><td>Materialise, Leuven, Belgium.</td><td></td><td>清洁与网格化处理</td></tr><tr><td>Abaqus/CAE 软件，版本 2017</td><td>Dassault Syst&amp;egrave;mes Simulia Corp., Johnston, RI, USA.</td><td></td><td>有限元分析</td></tr><tr><td>Mimics 软件，版本 17.0</td><td>Materialise, Leuven, Belgium.</td><td></td><td>牙齿与骨骼的分割</td></tr></tbody></table>

一种用于定位上颌牙齿阻抗中心的有限元方法

A Finite Element Approach for Locating the Center of Resistance of Maxillary Teeth

阻力中心（CRES) 被视为可预测牙齿移动的基本参考点。用于估算 C 的方法RES 牙齿的研究方法从传统的放射学和物理测量，到对模型或尸体标本进行的体外分析不等。基于模型和单颗牙齿的高剂量微计算机断层扫描（micro-CT）图像进行有限元分析的技术已展现出广阔的应用前景，但针对新型低剂量、低分辨率锥形束计算机断层扫描（CBCT）图像的研究仍较为有限。此外，CRES 仅有少数特定牙齿（如上颌中切牙、尖牙和第一磨牙）的特征被描述过，其余牙齿则在很大程度上被忽视。此外，还有必要描述确定C点的方法学RES 详细说明，以便于复制和进一步拓展。
本研究利用常规的锥形束CT（CBCT）患者影像，开发用于获取上颌牙齿阻抗中心（CRES）有限元模型的工具与工作流程。通过对CBCT容积图像进行分割操作，提取与确定上颌牙齿CRES相关的三维（3D）生物结构。使用3matic软件对分割出的结构进行清理，并将其转换为由四面体（tet4）三角面构成的虚拟网格，最大边长为1 mm。随后，将这些模型进一步转化为最大边长为1 mm的实体四面体体积网格，用于有限元分析。采用工程软件Abaqus对模型进行预处理，建立装配体，并设定材料属性、相互作用条件、边界条件及载荷施加方式。在分析过程中，施加的载荷可模拟系统中的应力与应变，从而辅助定位CRES。本研究是实现牙齿移动精确预测的第一步。

为了验证操作步骤部分（步骤2）中所述的分割和手动勾画方法，从一个干燥颅骨中取出上颌第一磨牙，并拍摄了锥形束CT（CBCT）图像。按照步骤2所述，使用图像处理与编辑软件Mimics对该牙齿进行手动勾画。随后进行网格划分，利用3matic软件对分割后的模型进行清理，并将其导入Abaqus进行分析。我们未发现牙齿的有限元模型与实验室中实际测量的牙齿在线性及体积测量值之间存在显著差异（补充文件4）。
为验证用户自定义算法在确定物体CRES时的有效性，在脚本创建初期使用了一个梁被包裹于鞘内的简化模型（图5A）。钢制包层被约束为三个方向的位移自由度，梁与鞘界面处的节点被绑定在一起。随机选择施力节点，并以迭代方式应用子程序，直至解收敛。在该简化模型中，长度为30单位、宽度为10单位的梁被包裹于鞘内。通过遵循既定算法及其...

本研究概述了利用上颌及上颌牙齿的低剂量三维锥形束患者影像建立有限元模型所需的工具。随后，利用这些患者模型精确定位所有上颌牙齿的CRES。

阻力中心（CRES）被视为可预测牙齿移动的基本参考点。用于估算CRES的方法包括……

目前，这项工作首次提供了一个逐步指导，说明如何确定阻抗中心。这一点非常重要，因为任何希望在此基础上开展的研究都无需再从头开始，反复重新探索，而是可以直接在此基础上继续推进。这极大地减轻了任何基于阻抗中心概念开展研究的工作负担。该逐步方法将使科学界能够以标准化的方式获得单颗牙齿或一组牙齿的质心三维位置。该技术可应用于上颌和下颌牙列。将此概念应用于带有多托槽装置的复杂牙齿移动也具有重要意义。为分割牙齿和骨骼，将锥形束计算机断层扫描图像的原始 DICOM 文件载入合适的医学影像软件程序中，并裁剪图像以仅包含目标牙齿和骨骼。右键单击“Mask”选项卡，为该图像创建一个新的掩膜。点击“Multiple Slice Edit”工具，选择轴向、冠状或矢状视图。根据需要手动勾画部分切片，并选择插值工具以填补被跳过切片的体积。然后点击应用，并右键点击掩膜以生成牙齿的三维体积。当每颗目标牙齿均生成三维体积后，选择所有三维牙齿模型，右键点击并选择平滑处理。为了分割骨骼，右键单击“掩膜”选项卡，为图像创建一个新的掩膜。为填充掩膜中可见的大孔洞，请点击“动态区域增长”工具。然后右键单击掩膜，生成骨骼的三维体积。对于图像的清理和网格化处理，请打开合适的数据优化软件程序，并将选定的三维对象粘贴进去。对于第一组中的重复牙齿，点击曲线模块（Curve Module）和创建曲线（Create Curve）选项，手动在所有重复牙齿的釉牙骨质交界处绘制一条曲线。将第一组的三维对象复制以生成第二组对象，并在对象树（Object Tree）框中点击对象（Object）。在“表面”列表中，删除第二组中每个对象的冠部表面，然后单击“设计模块”和“中空”以应用所需的参数。在第一组中，从“对象树”框中单击“对象”，并删除第一组中每个对象的根部表面。选择“填充孔洞法线”选项，然后单击“添加轮廓”并应用。整个空间将被填满。选择设计模块和局部偏移，然后选择整个牙冠表面。勾选设计以及偏移距离和递减距离选项，然后点击应用。在 Remesh 模块中，从对象树创建非流形装配体、主实体和上颌骨，并为所有对象选择相交实体。然后分割非流形装配体。使用相交实体作为第一组中所有对象和第二组中所有对象，再对非流形装配体进行两次分割，每次分割后单击应用。单击“自适应重划分”（Adaptive Remesh），选择所有相交的实体，然后单击“应用”（Apply）。接着单击“分割非流形装配体”（Split Non-Manifold Assembly）。在对象树中，从第二组中单击“创建非流形装配体”（Create Non-Manifold Assembly）、“主实体”（Main Entity）和“独立对象”（Individual Object），选择相交实体，并选择对应牙齿类型的相应对象。单击“自适应重划分”并选择相交实体。然后单击“创建非流形装配体”。使用非流形技术生成0.2毫米均匀宽度的牙周膜时，必须按照演示中所示的主实体和相交实体的相同顺序进行操作。当每颗牙齿均按演示方法处理完成后，单击“创建体网格”并选择网格参数。在 Abacus 中，单击“文件”并选择“运行脚本”，然后选择 Model_setup_Part1.py。单击“模拟”、“部件”、“上颌骨”和“表面”。输入表面名称，在“选择表面区域”中选择“按角度”，并将角度设置为 15。单击仿真和零件，选择 UL1 和表面，将该表面命名为 UL1。在“选择表面区域”中，选择“单独选择”，在屏幕上选择牙齿，然后单击“完成”。当所有牙面处理完毕后，单击“模型”、“仿真”和“部件”，并选择 UL1_PDL 和“表面”。将该表面命名为 UL1_PDL_Inner。在“选择表面区域”中，选择“按角度”并输入角度值 15。选择 UL1_PDL 和表面，并将该表面命名为 UL1_PDL_Outer。在“选择表面区域”中，选择“按角度”并将角度设置为 15。当所有牙周膜处理完成后，单击“文件”并运行脚本，选择 Model_setup_Part2.py。单击“模拟”和“边界条件”。名称输入 BC All，将步骤设置为初始。单击“Simulation”（模拟）、“Assembly”（装配）、“Sets”（集合），并将该集合命名为 U1_y_force。在上中切牙扣面牙冠中心选择一个节点，在“Select the Nodes for the Set”（选择集合的节点）中选择“Individually”（单独选择）。然后单击“Sets”（集合）并创建集合，将该集合命名为 U1_z_force。要设置模型，请点击“文件”并运行脚本，然后选择 Model_setup_Part3.py。接着点击“文件”并运行  脚本，选择 Functions.py。要处理模型，请点击“文件”并运行脚本，然后选择 Job_submission.py。在“抑制全部”对话框中，根据约束条件输入牙齿的侧面，然后单击“确定”。在“作业提交”对话框中，输入 Y 以运行指定牙齿的分析，然后单击“确定”。随后，在“分析方向”对话框中，输入 Y 以指定力的施加方式，然后单击“确定”。为了估算阻抗中心，选择“文件”、“运行脚本”和“Bulk_process.py”。在“分析多个任务”对话框中，输入 Y 以指定牙齿或牙齿组，然后点击“确定”。在“分析说明”对话框中，输入 Y 以指定力的作用方式，然后点击“确定”。在“获取输入”对话框中，根据命名实例中所述输入特定的牙位编号，然后单击“确定”。接着在命令框中检查“力作用点”和“估计位置”的坐标。为验证所示的分割与手动勾画效果，从一具干燥颅骨中取出上颌第一磨牙，并采集了锥形束计算机断层扫描图像。随后进行了网格划分。在有限元模型牙齿和实验室实测的实际牙齿之间，线性测量和体积测量均未观察到显著差异。为了验证用户自定义算法在确定物体阻抗中心方面的有效性，可在脚本创建的初始阶段使用包裹于套管内的简化的梁模型。通过遵循既定的算法及其计算过程，可以预测模型梁的阻抗中心。此处可观察到赋予结构的材料属性。牙周膜和骨组织材料属性建模的差异可能会影响牙齿阻抗中心的最终位置。为了标准化力矢量并确定阻抗中心的位置，可以通过如图所示的 X、Y 和 Z 方向建立笛卡尔坐标系。每个牙齿特有的 R 点定义为牙冠颊面表面上的几何中心，该点用于近似估计临床医生可能放置托槽以施加正畸力的最接近位置。在此代表性分析中，当沿 Y 和 Z 坐标施加力系统时，沿 X 坐标获得的阻抗中心位置有所不同，但平均差异较小。对于新用户而言，有限元分析可能非常繁琐。在初次进行预处理步骤时，请务必保持耐心并采用系统化的方法。因此，本研究属于基础性研究。该技术的一些应用包括预测牙齿移动，这对于从事隐形矫治器领域的企业而言至关重要。它可用于确定多颗牙齿、牙段等的抗力中心，分析牙齿移动过程中产生的副作用，以及可能尤为重要的——探究如何加速牙齿移动。

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科研

JoVE Journal

Biology

生物学

定位颌齿电阻中心的有限元方法

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带有垂直V形弯曲的力系统：三维 体外 评估弹性与刚性矩形弓丝

展示了计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM）手术导板的设计方法。通过分离、合并和增厚切割平面，可直观显示所需的骨组织转移量。这些设计可进行三维打印，并用于准确性验证。...

采用自主方法设计用于上颌骨重建的CAD/CAM手术导板

引导性牙髓治疗是一种借助模板辅助进行开髓准备的技术。该操作需要锥形束计算机断层扫描和表面扫描来制作模板。模板中整合的导向套管可引导钻针到达目标位置，从而实现对钙化牙齿进行微创牙髓开髓预备。...

引导性根管治疗：根管通路洞形的三维规划与导板辅助制备

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建立了一组新型的外科辅助快速腭扩张（SARPE）有限元模型，这些模型可通过不同角度的颊侧截骨实现临床所需的扩弓器激活量，以进一步分析上颌半骨块在三维方向上的扩张模式。...

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可通过多种方法检测植物对咀嚼式昆虫食草动物的抗性。本文中，我们展示了如何利用模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）建立选择性和非选择性实验，以鉴定其对害虫小菜蛾（Pieris...

用于检测拟南芥对咀嚼式昆虫抗性的选择与非选择试验

斑马鱼的上颌须是一种皮肤感觉器官，包含外胚层、中胚层和神经嵴来源的组织。重要的是，成体上颌须在近端截除后能够再生。本视频介绍了上颌须的发育过程，并演示了一种诱导其再生的手术方案，随后展示了上颌须样本的采集、包埋及后续成像操作。...

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一种用于定位上颌牙齿阻抗中心的有限元方法

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