《Journal of Functional Biomaterials》：Individual, High-Precision 3D Mandibular Model for Finite Element Analysis of Three-Unit Bridges: A Biomechanical Pilot Study
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牙支持式固定部分义齿（FPDs）表现出复杂的生物力学行为，因为咬合载荷通过牙周韧带（PDL）和异质性下颌骨传递。这项初步研究旨在开发一种基于患者特异性非均匀有理B样条（NURBS）的有限元分析（FEA）工作流程，用于解剖学上真实的下颌骨重建，并评估几何简化在牙
牙支持式固定部分义齿（FPDs）表现出复杂的生物力学行为，因为咬合载荷通过牙周韧带（PDL）和异质性下颌骨传递。这项初步研究旨在开发一种基于患者特异性非均匀有理B样条（NURBS）的有限元分析（FEA）工作流程，用于解剖学上真实的下颌骨重建，并评估几何简化在牙支持式FPD模拟中的生物力学效应。来自单一个体的锥形束计算机断层扫描（CBCT）数据被分割并重建为下颌骨和牙列的分层三维模型，包括皮质骨、松质骨、牙齿和PDL。研究人员分析了高保真参考模型（V0）和四个简化变体（V1–V4），在0°和30°下施加静态500 N载荷。参考模型产生了507 MPa的最大von Mises应力和0.74 mm的峰值位移，应力集中始终位于固位体-桥体连接区域。包含PDL显著影响了力学响应，在简化的比较模型中将义齿位移增加了一倍。在简化构型中，V4（保留了皮质形态和PDL表示，同时省略了详细的小梁结构）与参考模型的一致性最好，在两种加载条件下平均偏差分别为6.1%和5.8%。这些发现表明，患者特异性NURBS-FEA建模为牙支持式FPD的生物力学评估提供了一个稳健的框架，而受控简化可以在不显著影响静态加载条件下精度的情况下提高计算效率。
**基于NURBS的个体化三维下颌骨模型用于三单位桥有限元分析：一项生物力学初步研究解读**
**研究背景与问题**
牙支持式固定部分义齿（FPDs）在咬合载荷下表现出复杂的生物力学行为，载荷通过牙周韧带（PDL）传递至异质性下颌骨。然而，现有有限元分析（FEA）研究多集中于种植体支持式修复体，对天然牙支持式FPD的模拟较少，且常采用理想化几何模型，忽略患者特异性解剖结构（如皮质骨与松质骨分层、PDL的精确表征）。这种简化可能导致应力分布预测失真，影响临床修复设计的安全性。此外，高保真模型计算成本高，限制了其在临床快速原型设计和参数研究中的应用。因此，该研究旨在发展一种基于非均匀有理B样条（NURBS）的患者特异性下颌骨重建工作流程，评估几何简化对生物力学结果的影响，寻找精度与效率的平衡点。论文发表在《Journal of Functional Biomaterials》。
**研究内容与主要结论**
研究人员利用单一个体（作者之一）的锥形束计算机断层扫描（CBCT）数据，通过三维分割和NURBS参数化建模，构建了包含皮质骨、松质骨、牙齿和PDL的解剖学高保真模型（V0）。随后生成四种渐进的简化模型：V1（牙齿嵌入均质皮质骨块）、V2（牙齿嵌入皮质骨壳）、V3（V2加松质骨核心、无PDL）、V4（保留皮质骨和PDL，省略松质骨细节）。所有模型在静态500 N载荷下（0°和30°两个方向）进行FEA模拟，分析von Mises应力和位移分布。研究发现：V0模型最大应力507 MPa，峰值位移0.74 mm，应力集中位于固位体-桥体连接区；PDL的纳入使义齿位移加倍，是生理载荷传递的关键；V4模型与V0的平均偏差最小（0°时6.1%，30°时5.8%），而过度简化的V1–V3模型中应力放大显著。结论：基于患者特异性NURBS-FEA的工作流程为牙支持式FPD提供了稳健的生物力学评估框架，而保留皮质形态和PDL、省略松质骨细节的受控简化可在不显著损失精度下提高计算效率。
**主要关键技术与方法**
该研究采用的主要技术方法包括：（1）使用3D Slicer v5.6.2软件对单一个体的CBCT数据进行半自动分割，区分皮质骨、松质骨、牙齿和PDL的边界；（2）利用PTC Creo 12.4软件的NURBS参数化表面建模功能，基于正交切片（矢状、冠状、轴向）提取轮廓曲线，生成光滑连续的几何表面，并进一步转换为实体模型；（3）通过薄层偏移算法重建PDL几何（平均厚度0.2 mm），并赋予线性弹性材料属性（E = 66.7 MPa, ν = 0.49），通过灵敏度分析验证其稳定性；（4）在PTC Creo Simulate FEA系统中进行静力学模拟，采用单通自适应网格收敛方法，比较五种模型在0°和30°加载下的von Mises应力和位移分布。
**研究结果**
**3.1 有限元分析：固定部分义齿加载**
通过比较有无PDL的V1模型（V1a与V1b），发现纳入PDL使义齿位移从0.018 mm增至0.036 mm，证实PDL在载荷传递中的关键作用。在V0参考模型下，最大von Mises应力为507 MPa，峰值位移0.74 mm，应力集中位于固位体-桥体连接区。对0°和30°加载条件下V0–V4模型的比较显示，沿关键路径（CP）的von Mises应力分布中，V4模型与V0的平均偏差分别为6.1%（0°）和5.8%（30°），而V1、V2、V3的偏差显著更大（20.7%–32.3%）。结果表明：保留皮质骨和PDL的V4模型在静态载荷下能准确再现参考模型的应力状态，过度简化（V1）则导致非生理性应力放大。
**3.2 简化结果**
PDL对力和位移传递必不可少；固位体-桥体连接区是主要应力集中区，应作为设计优化重点；过度简化导致应力放大和载荷路径扭曲；V4模型在计算效率与生物力学保真度间取得最佳平衡（约6%偏差）；基于CP的分析优于单点采样，可捕捉应力梯度。
**讨论与结论**
研究讨论部分指出，NURBS重建方法克服了传统STL网格的阶梯效应和离散误差，实现了解剖保真度与数值稳定性的统一。V4模型的结果表明，在静态载荷下，皮质包膜和PDL是主导载荷传递的结构，松质骨细节可适当省略以降低计算成本。线性弹性PDL模型在静态条件下足以模拟生理行为，灵敏度分析支持材料参数选择的合理性。但研究存在局限性：仅基于单一个体CBCT数据，未纳入动态载荷、疲劳效应或流体-结构相互作用；缺乏体外或体内实验直接验证。结论部分总结：所开发的NURBS-FEA工作流程实现了下颌骨FPD的解剖学真实重建与生物力学评估；保留皮质骨和PDL是准确预测应力的关键，省略松质骨细节可接受；PDL对生理载荷传递至关重要，线性弹性模型在静态载荷下适用；应力集中始终位于固位体-桥体连接区，提示该区域为设计优化目标；未来需在更大样本和动态加载条件下进一步验证。
