中国组织工程研究与临床康复 第 14卷 第 17期 2010–04–23出版 Journal of Clinical Rehabilitative Tissue Engineering Research April 23, 2010 Vol.14, No.17

ISSN 1673-8225 CN 21-1539/R CODEN: ZLKHAH 3065

Department of Stomatology, Qingdao First Sanitarium of Jinan Military Area Command of Chinese PLA, Qingdao 266071, China Qiu Min☆, Doctor, Attending physician, Department of Stomatology, Qingdao First Sanitarium of Jinan Military Area Command of Chinese PLA, Qingdao 266071, China fremancn@ gmail.com Received: 2010-02-22 Accepted: 2010-03-26 解放军济南军区青岛第一疗养院口腔科，山东省青岛市 266071 仇 敏☆，男，1974 年生，山东省青岛市人，汉族，2007 年解放军第四军医大学毕业，博士，主治医师，主要从事口腔种植与牵张成骨研究。 fremancn@ gmail.com 中图分类号:R318 文献标识码:A 文章编号:1673-8225 (2010)17-03065-04 收稿日期：2010-02-22 修回日期：2010-03-26 (20091109008/ G•Z)

骨种植体复合体有限元建模软件的编制☆ 仇 敏，魏宁梅，王继玲，丁 红

Programming of alveoli-implant finite elemental modeling software

Qiu Min, Wei Ning-mei, Wang Ji-ling, Ding Hong

Abstract BACKGROUND: The finite element method has been wildly used in stomatology, but, the modeling methods and models were different and lack of standard. There is not biomechanical analysis software which specialized indental implantology. OBJECTIVE: To compile software that can generate alveoli-implant complex finite element models. METHODS: Based on PC, CAD, finite element analysis, database and electronic table software, software that includes the functions of modeling, database and assembles was programmed using Visual Basic for Application programming language. RESULTS AND CONCLUSION: Various kinds of alveoli-implant models could obtain though the software. A software package that can generate alveoli-implant finite element models rapidly and automatically could be compiled with the complex of AutoDesk Mechanical Desktop 2009DX, ANSYS Workbench 10.1 and Visual Basic for Application. Qiu M, Wei NM, Wang JL, Ding H.Programming of alveoli-implant finite elemental modeling software. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu. 2010;14(17): 3065-3068. [http://www.crter.cn http://en.zglckf.com]

摘要 背景：有限元法在口腔医学领域得到了广泛应用，但建模方法及模型千差万别，缺乏标准。目前在国内外文献中尚未见到专

门用于口腔种植领域的生物力学分析软件。 目的：编制骨种植体复合体有限元建模软件。 方法：在个人电脑上，通过计算机辅助设计软件所支持的 Visual Basic for Application编程语言，编制能够自动生成骨种植体复合体计算机辅助设计模型的软件，并利用其有限元软件、数据库和电子表格软件接口，编制包含有限元建模、数据库和装

配功能的骨种植体复合体自动建模软件。 结果与结论：所编制的软件能够满足设计要求，完成各种类型骨种植体有限元模型的建立。结果提示通过 AutoDesk Mechanical Desktop 2009DX、ANSYS Workbench 10.1和 Visual Basic for Application语言相结合的方法，可以编制出快速、自动生成骨种植体有限元模型的软件包。 关键词：口腔种植；计算机辅助设计；生物力学；有限元分析；建模软件 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2010.17.007

仇敏，魏宁梅，王继玲，丁红 .骨种植体复合体有限元建模软件的编制 [J].中国组织工程研究与临床康复，2010，14(17):3065-3068. [http://www.crter.org http://cn.zglckf.com]

0 引言

近年来，种植义齿作为一种理想的口腔修

复手段在临床得到了广泛的应用。对于过于低

平的牙槽嵴，通过牵张获得足够牙槽嵴高度后

予以种植修复的种植体型牙槽嵴牵张器也在

临床得到应用[1-2]。生物力学相容性是影响颌骨

种植及牵张近、远期成功率的重要因素[3-4]，种

植体(牵张器)界面应力分布不合理是导致种植及牵张无法达到预期目的的主要因素

[5]。通过

有限元法可以了解种植及牵张过程中的生物

力学变化[6-7]。在有限元研究中，模型的建立至

关重要，其精确与否将直接影响有限元分析结

果的可信度和准确性[8-10]。尽管目前有限元法

在口腔医学领域得到了广泛应用，但由于模型

及建模方法缺乏统一标准，因而各分析结果间

难以做横向比较。本文拟通过程序生成供各种

研究应用的标准模型，使各种生物力学研究均

建立在共同基础之上，从而减少因建模标准不

同所致的重复研究。此外，研究骨质密度、骨

段长度、宽度、种植体(牵张器)直径等诸多因素对应力分布的影响，需要建立大量几何形态、

骨质结构及植入不同种植体(牵张器)的骨种植体(牵张器)复合体模型。本实验试图通过运行在AutoDesk Mechanical Desktop 2009DX之上的Visual basic for application语言，编制可快速、自动生成符合分析要求模型的软件包，以达到

高效、快捷并将生物力学分析应用于临床个体

之目的[11-13]

。

1 材料和方法

考虑到后续实验及应用的要求，本软件应能

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满足以下条件：①能根据给定条件绘制骨段模型，人机

界面友好。②涵盖常用牙槽嵴形态及结构分类，能根据

指定分类自动生成相应类型牙槽嵴模型。③能利用基础

模型通过一定条件自动生成系列模型。④模型可通过计

算机辅助设计(computer aided design，CAD)软件或者电子表格软件予以修改。⑤具有简单的数据库功能。⑥

对计算机软硬件要求低。根据上述要求，选择如下软硬

件环境。 1.1 材料

硬件环境：个人电脑一台，配置如下：CPU：AMD Athlon XP 3800+；RAM：2G；Harddisk：Seagate 200G；Video Card：Nvidia 9600GT。

软 件 环 境 ： 计算机辅 助设计软件 AutoDesk Mechanical Desktop 2009DX中文版(AutoDesk公司)，有限元分析软件ANSYS Workbench 10.1(ANSYS公司)，编程语言Visual Basic for Application(Microsoft公司)，数据库软件Microsoft Access2002(Microsoft公司)，表格驱动部分Microsoft Excel 2002(Microsoft公司)。

软件构成：软件由主界面、建模模块、数据库模块和

装配模块构成，运行于AutoDesk Mechanical Desktop 2009DX 环境下。主界面包含建模模块、数据库模块和装配模块的程序入口，见图1。

软件各部分功能：

建模模块：该模块包含种植体建模及骨段建模两个

子模块，分别用于建立种植体及骨段的CAD模型。种植体建模子模块中包含种植体及种植体型牙槽嵴牵张器

建模两部分。由于二者结构不同，故建模所需参数亦有

不同。种植体建模中需设定的参数包括种植体直径、长

度、肩台直径及高度、螺纹长度及螺距等。牵张器建模

中则需设定输送段和基段的长度及直径，中心螺杆长度

及直径，螺纹高度及螺距等，见图2。 骨段建模子模块通过以下几种方法生成模型：①根

据外形生成模型：使用者根据需要选择骨段模型截面并

设定相应形状的参数以约束固定模型。②根据分类生成

模型：由于临床上对牙槽嵴缺损萎缩有多种分类，本软

件选择目前较为常用的几种分类，包括Mercier、Kent、Cawood和Zarb等分类，内置符合该分类的若干标准模型备用

[14]。③自定义生成模型：通过绘制多段线闭合曲

面或等比例导入数字影像资料绘制样条曲线闭合曲面

生成骨截面外形以完成较为复杂，外形不规则的模型。

④电子表格驱动生成模型：对于外形较规则的模型，选

取部分或全部外形控制参数，通过Excel软件的电子表格，修改模型外形，生成序列模型。⑤批量生成模型：

如拟一次性生成多个截面形态类似骨段模型时，可采用

此方法生成序列模型。使用者需设定何种参数为变量，

变量范围及步长。 采用上述方法生成的模型截面，皆通过放样及拉伸

等方法转化为实体模型，指定密质骨厚度后即生成包含

松质骨和密质骨的骨段模型。 数据库模块：所有通过建模模块生成的CAD模型均

存入以Access所建立的模型数据库中备用，数据库具备Access数据库相应的索引及查询功能。 装配模块：通过建模模块或由数据库模块查询所得

到的种植体模型及骨段模型经由装配模块生成骨种植

体复合体模型，使用者可以指定植入的位置、深度，见

图3。对于种植体型牙槽嵴牵张器，还包括指定输送段被牵出的高度。

Figure 1 Main interface of alveoli-implant modeling software图 1 骨种植体模型生成软件主界面

Figure 2 Implant modeling module of alveoli-implant modeling software

图 2 骨种植体模型生成软件种植体建模子模块

Figure 3 Assemble module of alveoli-implant modeling software 图 3 骨种植体模型生成软件装配模块

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仇敏，等. 骨种植体复合体有限元建模软件的编制

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1.2 方法 程序编制：程序采用 Visual Basic for Application 语

言编写，以“宏”的形式运行于MDT2009DX环境下，不能脱离MDT2009DX单独运行。

建模模块中，主要通过对块和属性的操作生成各种

基本截面，继而采用将实体进行集合变换的方法，利用

UCS坐标系建立三维模型。操作过程中主要使用了Autodesk BrepAuto 2.0 Type Library 、 Autodesk GeAuto 2.0 Type Library、Autodesk McadAuto 2.0 Type Library和Autodesk SymBBAuto 2.0 Type Library四个类型库

[15]。对于表格驱动方式生成模型，主要通过

对Excel对象 Workbook, Worksheet和range等的操作将Excel中的数据导入MDT2009中，编程中使用了Microsoft Excel 10.0 object Library类型库[11]

。 数据库模块中，利用ADO编程模型的Command对

象执行SQL语句CREATE TABLE实现Access数据表的创建，并通过SQL语句 INSERT INTO语句将Autocad图形数据库信息写入数据库。通过在用户窗体中使用

ADODC控件，实现用户选择性的向数据库中添加图形信息，或者从数据库中读取信息或添加Autocad图形对象的操作。模块编制过程中使用了Microsoft Access 10.0 object Library和Microsoft ActiveX Data objects 2.5 Library 两个类型库。 装配模块中，主要通过对McadAssemblyMgr,

Mcad Componet, McadComponentDefinition等对象的引用完成零件装配，编程过程中主要使用了Autodesk McadAuto 2.0 Type Library类型库[11]

。 程序调试及运行：编程完成后，通过编译器在运行之

前消除编译错误，并利用断点、单步执行和监视等方法

观察程序运行过程，找出逻辑错误。针对各种使用者输

入错误，如输入长度为0，角度大于360°等，通过On Error语句返回相应错误信息，使程序具有较好的健壮性。 程序运行首先需运行 AutoDesk Mechanical

Desktop 2009DX，进入宏命令管理器后，选中“模型自动生成”运行后即进入主界面。

2 结果

程序运行后，能对使用者的数据输入做出正确响

应；点选各模型生成子模块，并给出相应数据后，能正

确输出dwg格式的CAD模型；对于序列模型，能按照表格或者变量变化规律依次输出多个模型；运行速度良

好，单个模型输出时间在1 min以内；数据库模块能正确存储各模型记录，查询可获得正确结果；装配模块可

正确装配骨段模型和种植体模型，利用AutoDesk Mechanical Desktop 2009DX自带的“干涉检查”及“最

小三维距离”功能[11]，可见零件间无干涉，各部件密合

并紧密接触。 将生成并装配好的骨—种植体复合体模型导入

Ansys Workbench 10.1有限元分析软件，无错误信息，并顺利完成preview mesh，提示CAD模型已成功转化为有限元模型，见图4。

3 讨论

在以往研究中，有研究者通过CT、MRI等方法获得

生物体数字化信息[16-17]

，以建立更接近真实个体的个性

化模型，但正常及异常牙槽嵴临床表现不同，个体差异

明显，所建立模型只能模拟个体在一定时间内的形态，

缺乏足够代表性，难以全面说明问题。由于生物体外形

结构复杂，模型重建相对困难，费时费力，非专业人员

难以掌握。本文通过简化模型，简化操作，通过对多个

不同模型的分析，保证结果具有足够代表性，是目前较

为理想的一种建模方式[18-21]

。 宏命令的实质就是将若干需重复多次的类似动作

由计算机处理，因此只需完成基础模型的构建，通过

VBA程序所建立的宏即可快速大量生成模型。软件生成的所有模型都是基础模型经过一定变化的结果。基础模

型外形由自定义轮廓截面形成，经三面抽壳形成松、密

质骨分界，通过自定义截面螺旋扫掠后形成种植体模

型，经由零件布尔运算制备种植窝，最后利用装配控制

器将种植体植入。 MDT2009内置Visual Lisp、VBA和ObjectARX三种

编程接口。Visual Lisp是为加速Autolisp程序开发而设计的软件工具，可以直接调用几乎所有Autocad命令，但其运行速度较慢，且通用性较差，只能应用于Autocad系列软件中。ObjectARX是一种以VC++为开发语言，ARX库为开发工具，采用面向对象编程方法且支持MFC编程的开发工具。其运算速度快，功能强大，可移植性

好，开发效率高。但由于其采用VC++编程，编程难度大，程序维护相对困难，非专业人员难以掌握。Visual

Figure 4 Computer aided design model transformation into alveoli-implant finite elemental model

图 4 计算机辅助设计模型转化为骨牵张器有限元模型

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Basic是集成到MDT中的一种易于使用的可视化开发工具，通过ActiveX Automation特性提供对MDT的编程控制，因此速度较快，灵活性高，在MDT进程中运行，ActiveX应用程序较Autolisp为快，VBA工程可以嵌入图形或者单独运行，通过ActiveX可以和其他Windows应用程序如Word、Excel、Access等互动，交互性较好。其快速接口开发为原型应用程序开发提供了一个优良

环境，对话框的构建高效，设计时可以及时获得系统反

馈。编程语言简洁，易读，程序员基础好。因此，本文

选择VBA做为软件开发工具。 通过MDT2009获得的模型为“.dwg”格式CAD模

型，CAD模型本身不能直接进行生物力学分析，需导入FEA软件进行[22]

。利用Ansys Workbench软件，通过Geometry Simulation引擎，CAD文件可以无损导入，且速度理想。通过本软件生成的模型导入Ansys Workbench只需20 s左右，模型细微结构，如螺纹、倒角、脱壳等均与CAD模型一致，是一种比较理想的有限元模型生成方式

[23]。

结论：通过AutoDesk Mechanical Desktop 2009 DX和Visual Basic for Application语言向结合的方法，可以编制出能够快速、自动生成后续实验所需模型的软件

包，进而可以做到高效、快捷地获得外形逼真、网格适

当、能够从力学上代表实物的牙槽嵴-种植体(牵张器)三维有限元模型

[20-23]。

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来自本文课题的更多信息--

利益冲突：无相关利益冲突。

课题的创新点：有限元研究在目前得到了广泛应用，但

由于模型及建模方法的原因，各项研究缺乏标准，因而难以做

横向间的比较。文章通过程序生成可以供各种研究应用的标准

模型，使种种研究都建立在相同的基础之上，从而减少因标准

不同所导致的重复研究。目前在国内外文献中尚未见到专门用

于口腔种植领域的生物力学分析软件。

课题评估的“金标准” ：课题评价指标无“金标准”。

设计或课题的偏倚与不足：通过研究瑞舒伐他汀应用前

后平滑肌细胞的功能、形态的变化，说明瑞舒伐他汀对球囊损

伤具有保护作用。但并未研究瑞舒伐他汀对球囊损伤后平滑肌

细胞功能、形态变化的原理。

设计或课题的偏倚与不足： 软件功能尚需进一步加强，限于Visual Basic语言的适用范围，软件不能脱离相应的计算机辅助设计软件单独应用，需配合计算机辅助设计软件方能完

整发挥作用。

提供临床借鉴的价值：该软件可以快速大量生成模型，

通过对临床个体相应分型的分析，可以获得相应的个体化数

据，是把生物力学分析由研究向临床病例个性化应用的一个尝

试。

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仇敏，等. 骨种植体复合体有限元建模软件的编制