论文摘要：口腔正畸个性化有限元分析软件的开发

        有限元建模分析作为一种有效的数字仿真方法，已经成为口腔正畸生物力学研究中最重要的手段之一。口腔组织结构具有复杂性以及多样性，而传统的建模方法涉及多种商业软件的使用，需掌握多种专业知识并且花费时间较长，使得临床上实现个性化口腔正畸遇到很大的挑战。本文开发了专用于口腔正畸的个性化有限元建模分析软件，能够得到全牙列的有限元网格模型，并且能够将该模型与弓丝、托槽进行装配，设置材料属性以及加载载荷力，最后得到全牙列模型的应力以及位移分布，为临床上制订合理、准确的口腔正畸方案提供依据。

        本文首先对该软件系统进行了需求分析，根据需求分析的结果进行了功能模块的划分，将软件系统分为六个模块：图像读入、图像预处理、图像测量、图像分割、生成模型以及有限元计算、结果显示及输出。随后针对每个模块进行功能模块的设计与分析，明确各个模块的功能以及模块间的相互关系。

        本文还对该软件中涉及到的关键算法进行了设计。首先是基于水平集的牙列分割算法，该算法首先生成牙列的俯视图以及全景图，并在全景图上人工探测牙缝生成每颗牙的包围盒。在包围盒范围内，对每颗牙使用水平集方法逐层进行分割，遍历所有牙齿即可得到全牙列的分割结果。其次是基于体素的网格划分及平滑算法，基于体素的有限元模型建立完成后，使用移动表面顶点的方法对网格模型进行平滑，并在平滑过程中使用雅可比矩阵对表面网格的有效性进行检验，当出现不合格的网格时则停止平滑，最后可得到平滑过后的网格模型。

        本文以软件系统的功能模块设计以及关键算法的设计为基础，进行了软件的功能实现。该软件能够完成从牙列图像的读入、图像分割、模型重建及有限元计算到计算结果的显示及输出完整流程，在此过程中使用vtk实现模型的交互功能。

        完成该软件系统的开发以后，本文从软件的有效性、稳定性两个方面进行了验证。结果表明使用本软件得到的全牙列有限元模型与已验证模型在相同的材料属性、加载条件下应力及位移分布结果一致，同时该软件在黑盒测试用例下均运行正常。可见本文开发的口腔正畸个性化有限元分析软件能够建立合理、准确的全牙列有限元模型，能够为临床个性化正畸治疗提供可靠的指导依据。

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