1.目的：鼻上顎複合体の3次元有限要素モデルを構築し.3次元有限要素モデルの構築方法を模索し.鼻上顎複合体のバイオメカニクス特性を研究するための基盤を提供すること。
2.方法：スパイラルCT薄層スキャンからDICOM形式のデータファイルを取得し.3D再構成ソフトウェアMimicsにインポートし.有限要素ソフトウェアAnsysを適用して鼻腔上顎複合体の3D有限要素モデルを構築した。
3.結果：本手法によって構築された鼻上顎複合体の3次元有限要素モデルは.固体との類似性が高く.演算誤差が小さく.モデリング解像度が高いことがわかった。
4.結論：DICOMデータによるコンピュータ支援モデリング法の適用は.高速で正確かつ効率的な有限要素モデリング法である。 本実験で構築した鼻上顎複合体の3次元有限要素モデルは高精度で再現性が高く.鼻上顎複合骨折のバイオメカニクスに関する臨床耳鼻科研究の基礎となりうるものである。
鼻顎複合体は顔の中央に位置し.顔面から突出している。 複雑な形状をしており.上顎骨.頬骨.鼻骨.涙骨.上顎歯列.上顎骨に密接に関連する頭蓋骨の一部で構成されている。 構造そのものやその状態が生体力学的特性に与える影響を.まず十分に理解する必要があります。 近年.コンピュータの計算速度と計算方法の絶え間ない進歩に伴い.有限要素法は力学の研究.特に口腔バイオメカニクスの研究において徐々に最も重要な解析方法となり.3次元有限要素モデルを迅速かつ正確に確立することがバイオメカニクス有限要素研究の主要課題であり.また3次元有限要素解析の基礎でもある。 現在.下顎の3次元有限要素モデルの構築には.国内外で様々なモデリング手法が用いられていますが.上顎鼻の複合体は構造が複雑なため.有限要素モデルの構築はあまり行われていません。 本論文では.CTスキャン技術を応用し.DICOMデータを使用してMimicsソフトウェアをインポートし.最後にAnsys有限要素ソフトウェアを適用して鼻顎複合体の3D有限要素モデルを確立した。 上顎骨複合体の3次元有限要素モデルの新しい手法とモデルの確立方法を模索しながら.耳鼻咽喉科・頭蓋顎顔面外科臨床における上顎骨複合体骨折のバイオメカニクス機構に関する今後の研究に確実な基礎を提供します。
1.材料と方法
(1) モデリング材料 頭部・顔面外傷や手術歴のない健康な成人男性ボランティアを選択した。
(2) 実験用機器
CT装置：米国GE社製16列スパイラルCT（LIGHTSPEED16）を使用した．
動作環境：Windows XP sp3搭載PC.CPU Pentium D 2.8GHz.メモリ4G
(3) ソフトウェア環境：Mimics 10.01 (Materialise’s Interactive Medical Image Control System).Ansys 10.0 (Analysis System)による3次元医用画像再構成。
(3) CTスキャン
GE General社製16列スパイラルCTを用い，仰臥位で被験者の頭蓋骨を，走査電圧120KV，電流100mAs，層厚1.3mm，窓幅1000，窓位置200で撮影した． 2次元断層画像は.CTワークステーションでDICOM形式のデータファイルに処理され.ディスクに焼かれた。
(4) 画像処理と3D再構成
CTスキャンで得られたDICOM形式のデータファイルを医療用3D再構成ソフトウェアMimics 10.01ソフトウェアに取り込み.3D再構成する画像の範囲を決定し.骨格組織のみを表示するThresholding範囲を設定し.Maskを用いてCT画像上の撮像する組織を編集し.上顎鼻骨複合体の3D画像を再構成することができました。 出来上がった3Dモデルは.セル形状が不規則であったり.セルの数が多すぎたりして.力学解析の精度に影響を与え.解析速度にも大きな影響を与えるため.リメッシュモジュールにより.3Dモデルの表面三角形の数と品質を最適化することができます。 そして，Mimics10.01 は 3D モデルのサーフェス（面積）ファイルを Ansys10.0 に出力し，最終的に Ansys で有限要素モデルを完成させる．
(5) 有限要素法による作業方法
研究対象となる弾性体は有限個のセルに離散化される。 単位変位関数を選択し.単位剛性マトリックスと全体剛性マトリックスを設定し.境界条件を導入して方程式を解きます。 すべての節点変位を求め.節点変位から各ユニットの応力を導出する。 ソリューションプロセスと関連するデータ処理は.すべてコンピューターによって自動的に行われます。 上顎複合体の皮質骨と海綿骨は，等方的で連続した弾性材料であると仮定した。
2.実績
CTスキャンの断層画像をDICOM形式の医療用3D再構成ソフトウェアMimicsに取り込み.2Dの断層画像から3Dの表面モデルを再構成し.Remeshモジュールで3Dモデルの表面を最適化した。 鼻顎複合体の3次元有限要素モデル（236120セル，117894節点）を作成した． モデル画像は高解像度で3次元立体情報を持ち.モデルのデータ形式は各種有限要素解析ソフトウェアにスムーズに取り込むことができました。
3.ディスカッション
有限要素法（FEM）は.連続したエラストマーを有限の単位に分割し.元のエラストマーをその連合体に置き換え.各単位の特性を個別に検討してエラストマー全体を求める力学解析の方法である。 1956年にターナーが航空宇宙産業で初めて適用し.成功を収めた。 その後.コンピュータ技術の進歩に伴い.FEAは徐々に工学の分野で広く使われる手法に発展してきました。 その後.フリーデンベルグによって医学の分野にも応用されるようになった。 有限要素法は.複雑な形状の物体をモデル化し.全体および局所的な応力・変位値とその分布パターンを求め.荷重や境界条件などの力学パラメータを必要に応じて変更することで.元のモデルの形状を維持しながら応力の大きさや分布の変化を容易に比較・解析できる.バイオメカニクス研究において最も重要なツールの1つである。 骨応力の解析は.整形外科分野への応用が進んでいるFEMの主な用途の一つです。
FEMは骨応力解析の主な用途の一つであり.従来の実験的手法では応力分布を網羅的かつ正確に表現できないのに対し.FEMは骨組織内の応力分布の一般的傾向をよく表現でき.体外固体モデルを必要とせず.効率的かつ正確で高い信頼性で様々な力学解析に利用することが可能です。
現在.鼻梁上顎複合体の有限要素モデリングに使用できるモデリング手法は.①研削・切断法 モデルを切断して破壊する必要があり.また.薄切片の場合.材料の選定.画像処理.エッジ抽出など.断面厚を一定にすることが難しく.誤差が生じやすいため.淘汰されてきた。 (2）三次元測定法 三次元測定データの取得コストが高い.データ処理時間が長い.表面データのみを得ることができる組織の固有の材料特性を反映することはできませんし.一般的に使用されていないです。 (3） CT 画像処理方法 CT 画像処理方法の主なプロセスは次のとおりです。（a） CT スキャン元のデータを取得する.（b） CT フィルム スキャン.カメラ.コンピューターに他のメソッドを介して.二次元画像を取得する.（c） 画像解析ソフトウェアでは.画像の境界データを取得する輪郭線ビットマップを形成する.（d） 3 D 有限要素解析ソフトウェアの処理に得られたデータ.最終的に有限要素モデルを取得します。 この方法では.手作業による地図フォーマットと正確な位置合わせが必要で.フィルムスキャンによるデータ転送の過程で多くの情報が失われやすい。
本研究では.DICOMデータモデリング手法を適用し.CTモデリング手順の簡略化.繰り返し操作によるデータの歪みや欠損を回避し.自動モデリングを実現しました。 Mimicsは.CTやMRIのスキャン画像を3Dで表示.分割.再構成し.CAD/CAMやAnsysなどの有限要素解析ソフトウェアで処理できるデータ形式（STL形式など）に変換できる医療分野と機械分野のインバースソフトウェア群である。 本研究では.Mimicsを用いてDicomデータを直接読み込み.3次元サーフェスモデルと非3次元ソリッドモデルで3次元モデルを直接構築し.3次元有限要素ソフトウェアAnsysで認識可能な形式に変換し.Ansysで有限要素メッシュ作成を完了し3次元有限要素ソリッドモデルを構築しました。 このモデリングでは.鼻顎複合体の3D画像を薄層CTスキャンデータから直接取得し.画像変換などの前処理を一切行わないため.作業負荷が大幅に軽減され.人為的なミスを排除することができます。 本手法で構築した上顎鼻骨複合体の有限要素ソリッドモデル（1）は.CTで3次元再構築した医用生体モデルと良好な類似性を有しています。 (2) 強力なアセンブリ機能を持ち.それをベースに再モデリングが可能なモデルであること。 (3) モデルを3次元空間の任意の角度から観察・検討でき.負荷後の応力分布図により内部応力と変位の分布を可視化できる。 (4) 上顎骨後方部と鼻顎複合体に接続する頭蓋骨を含む鼻顎複合体の完全な形態を確立しているため.応力分布の計算がより正確になり.耳鼻咽喉科臨床における鼻顎複合体骨折のバイオメカニクスに関するさらなる研究のモデル基盤を提供することができます。
鼻顎複合体の形状は複雑なため.モデルと解剖学的な固体の部分との完全な一致を実現するには時間と労力がかかるだけでなく.モデル化することも困難です。 組織学的な特性と固体の特性は完全に一致するわけではないので.不正確な情報の一部はモデル全体の力学的な類似性に影響を与える可能性があります。