微種植體光滑頸部錐度與高度優(yōu)化設計的三維有限元分析.pdf

1、目的:
　　 錯(牙合)畸形是指在兒童生長發(fā)育過程中由于各種原因造成的牙齒的排列異常、牙弓和頜骨間的關系不協(xié)調(diào)以及牙頜顱面部的關系不協(xié)調(diào)，不但影響患者的外貌而且影響牙齒正常咀嚼功能[1]。在正畸矯治過程中，任何施加于牙齒使其移動的力必然同時產(chǎn)生一個方向相反、大小相同的力，而支持這種矯正牙體移動引起的反作用力的裝置稱作“支抗”[1]。正畸支抗通常是靠口腔內(nèi)的單個牙或一組牙來實現(xiàn)的，由于口腔內(nèi)牙齒提供的支抗常常不能滿足正畸治療中的支

2、抗需求，從而影響正畸治療效果，因此出現(xiàn)了很多增強支抗的裝置如頭帽頦兜、口外弓、Nance弓、腭桿等。這些傳統(tǒng)的增強支抗裝置雖然起到了一定增強支抗的作用，但由于其體積大，舒適感差，影響患者發(fā)音及美觀等因素，在使用過程中患者常常不能配合佩戴從而影響了正畸治療效果。
　　 種植體支抗作為一種新型有效的正畸支抗形式，具有體積小，手術操作簡便，創(chuàng)傷小，對患者依從性要求少等優(yōu)點，因此被廣泛應用于一些疑難性病例的治療，如開(牙合),強支抗內(nèi)收

3、前牙，露齦笑，磨牙向后、壓低磨牙等的正畸矯治，并取得了良好的臨床效果[2-4]。種植體的穩(wěn)定性是種植體發(fā)揮有效支抗作用的基礎，種植體-骨界面應力的均勻分布是保證微種植體穩(wěn)定性的重要條件，如何減小微種植體-骨界面的應力峰值使其均勻分布受到廣大學者的關注，近年來三維有限元法廣泛應用于口腔生物力學研究中。
　　 種植體應力主要集中于骨皮質(zhì)區(qū)[5～7]，研究表明改變頸部構型可以有效的影響降低種植體頸部骨界面的應力峰值，頸部具有一定錐度可

4、以降低骨界面應力峰值[8]，頸部為光滑柱狀種植體較螺紋狀種植體更有利于降低種植體-骨界面的應力峰值，使應力的分布較均勻[8，9]。在對種植體的研究中，三維有限元法是一種常用的力學分析方法，目前種植體的優(yōu)化設計多是針對單一因素的研究，而微種植體光滑部分頸部高度與錐度雙因素對種植體-骨界面應力分布的影響未見報道。
　　 本實驗用三維有限元法建立種植體-頜骨模型，探討微種植體頸部光滑部分高度與錐度在一定范圍內(nèi)變化時在正畸力作用下對種植

5、體-骨界面的應力分布的影響，為優(yōu)化微種植體頸部構型的設計提供理論基礎，以增強微種植體穩(wěn)定性，提高臨床成功率。
　　 方法:
　　 1、實驗設備:
　　 硬件:普通PC機（惠普公司），螺旋CT。
　　 軟件:Ansys Workbench Environment
　　 材料:純鈦種植體
　　 1.1、種植體的設計:
　　 參照臨床常用的微種植體幾何形態(tài)，設定骨內(nèi)段總長度8mm、直徑1

6、.5mm、螺紋高度0.1mm、刃狀螺紋頂角60°、螺距0.5mm。
　　 對種植體骨內(nèi)段無螺紋光滑頸部進行優(yōu)化設計:頸部錐度(T)變化范圍:0°～45°，頸部高度(h)變化范圍:0mm～3mm，骨內(nèi)段其余部分為5mm～8mm，如圖Fig.1。
　　 1.2、頜骨模型的建立:
　　 對一成年男性志愿者進行下頜骨螺旋CT掃描并三維重建，設定下頜一側第二前磨牙與第一磨牙之間作為種植體植入部位，選擇此處的頜骨CT斷面，外

7、表面是皮質(zhì)骨，其余部分為松質(zhì)骨，在ANSYS軟件中將斷面簡化成六邊形。六邊形斷面尺寸:上表面寬10.89mm，中間寬18.2mm，下表面寬11.94mm，高39mm。然后將面拉伸成長20mm的六面體。骨皮質(zhì)厚度為2mm，其余為骨松質(zhì)。
　　 1.3、裝配微型種植體-下頜骨實體模型
　　 種植體的植入位置及角度:在下頜第二前磨牙與第一磨牙之間，距離牙槽嵴頂5mm處垂直植入種植體。在Ansys Workbench Envir

8、onment軟件中按照實驗設計建立種植體-下頜骨模型。
　　 2、材料
　　 2.1、材料屬性
　　 假設種植體，皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨均為連續(xù)，均勻，各向同性的線彈性材料，材料變形為彈性小變形。種植體和骨界面完全骨整合，不發(fā)生相對位移。
　　 2.2、網(wǎng)格劃分
　　 利用電子計算機技術，按照所提供的種植體的形狀建立模型，利用Ansys Workbench Environment軟件對模型進行網(wǎng)格劃分，種

9、植體及頜骨硬組織有限元模型的單元網(wǎng)格由電子計算機自動擬合，從而形成種植體-頜骨三維有限元模型。
　　 3、載荷與約束:
　　 模擬臨床內(nèi)收前牙，在微種植體上施加2N的(牙合)向30°的正畸力，設定以(殆)方為Y軸正向，以遠中為X軸正向，以種植體長軸為Z軸。載荷點為種植體頂。加載方向為平行于X-Y平面（垂直于種植體長軸）、與X軸正向成30°夾角的方向（近中(駘)向30。），見Fig4。同時頜骨的四周完全約束。
　　

10、 4、分析方法與指標
　　 4.1、輸入變量設定
　　 本實驗中設定種植體頸部錐度(T)變化范圍為0°～45°，頸部高度(h)變化范圍為0mm～3mm，使得本研究的結果能夠觀測連續(xù)輸入變量變化對輸出變量的影響，并通過對雙變量響應面的觀察，分析頸部錐度與高度變化時的相互作用。
　　 4.2、輸出變量設定
　　 皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的平均主應力峰值(Maximum Equivalent Stress,Maximum

11、 Von-Mises Stress，簡寫為Max EQV Stress)及位移峰值為輸出變量，進行不同設計的力學評估，同時進行輸出變量對輸入變量的敏感度分析。
　　 結果:
　　 1、成功建立建立了微種植體-頜骨的基本模型:以頸部高度(0mm～3mm)與錐度(0°～45°)變化范圍內(nèi)的中位數(shù)值，即高度1.5mm，錐度67.5°為初始模型數(shù)據(jù)建立種植體-頜骨的基本模型。
　　 2、種植體-骨界面應力分布:在所建模型

12、中，骨界面的應力主要分布在皮質(zhì)骨內(nèi)，皮質(zhì)骨內(nèi)的應力峰值遠大于松質(zhì)骨的應力峰值，表明應力主要集中于種植體-骨皮質(zhì)區(qū)。
　　 3、錐度對種植體-骨界面應力的影響:當種植體頸部光滑部分高度為1.5mm，錐度從0°～45°變化時，種植體-骨界面皮質(zhì)骨內(nèi)的應力峰值隨種植體的錐度增大而顯著減小，降幅81％，提示頸部構型為圓錐形較圓柱形更有利于降低種植體頸部的應力峰值。
　　 4、頸部光滑柱狀部分高度對骨界面應力分布的影響:當種植體錐

13、度為22.5°時，隨著頸部光滑部分高度在皮質(zhì)骨范圍內(nèi)增高，骨界面應力峰值降低明顯（降幅為70％），松質(zhì)骨的應力峰值較低且變化不明顯，值得注意的是在種植體光滑部分高度超出皮質(zhì)骨范圍時，皮質(zhì)骨內(nèi)應力峰值降低更明顯（降幅為20％），但松質(zhì)骨的應力峰值及位移峰值明顯增大且大于骨皮質(zhì)內(nèi)應力峰值及位移峰值。當種植體頸部錐度為0°時，微種植體頸部高度超過植入?yún)^(qū)皮質(zhì)骨厚度對骨界面應力峰值及位移的影響更明顯。表明增加頸部光滑部分高度有利于骨界面應力分布及

14、種植體的穩(wěn)定，但不應超過植入部位的皮質(zhì)骨厚度。
　　 5、敏感度分析表明，種植體頸部高度比頸部錐度對種植體-骨界面的應力分布影響更顯著。
　　 6、優(yōu)化設計結果為:種植體頸部光滑部分錐度大于10°，高度為略小于植入?yún)^(qū)骨皮質(zhì)厚度時，種植體-骨界面應力及位移峰值較小。
　　 結論:
　　 1、微種植體-骨界面的應力主要集中于骨皮質(zhì)區(qū)，松質(zhì)骨區(qū)應力峰值較小。
　　 2、微種植體頸部高度在骨皮質(zhì)厚度范圍內(nèi)

15、時，頸部具有一定錐度種植體，隨著光滑頸部高度的變化可以有效降低骨界面應力峰值，而頸部光滑柱狀種植體骨界面的應力對頸部高度的變化不敏感。微種植體頸部高度超過骨皮質(zhì)厚度范圍內(nèi)時，頸部錐狀或柱狀種植體均可造成松質(zhì)骨應力峰值及位移峰值的明顯增加，不利于種植體的穩(wěn)定性。說明微種植體頸部高度對種植體-骨界面的影響與皮質(zhì)骨厚度相關。
　　 3、頸部光滑錐狀種植體比頸部光滑柱狀種植體骨界面應力分布均勻。
　　 4、頸部光滑種植體比傳統(tǒng)螺