Ⅳ類骨質(zhì)中種植體直徑和長(zhǎng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)的三維有限元研究.pdf

1、背景:
　　 支抗的控制是正畸治療成功的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的支抗方法包括Nance弓橫腭桿、頭帽頦兜、口外弓等，這些方法在使用過(guò)程中都具有需要患者密切配合，且舒適度較差等缺點(diǎn)，因此限制了正畸治療的發(fā)展。隨著微型種植體支抗的應(yīng)用，其使用范圍越來(lái)越廣，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，微型種植體作為一種臨時(shí)的骨性支抗裝置具有其他支抗裝置所不具備的優(yōu)點(diǎn)。種植體支抗的應(yīng)用擴(kuò)大了正畸治療的范圍，包括壓低磨牙和推磨牙向后等，為以前一些需要結(jié)合手術(shù)治療的

2、疑難病歷提供了保守、便利的治療方法。
　　 在正畸臨床工作中，我們經(jīng)常遇到骨質(zhì)較薄弱的患者，種植體植入后旋入扭力較低，穩(wěn)定性差，影響種植體支抗的應(yīng)用。如何提高這類患者種植體的穩(wěn)定性是目前種植體支抗應(yīng)用的難點(diǎn)。目前對(duì)微型種植體在Ⅰ類或Ⅱ類這些常見(jiàn)骨質(zhì)中應(yīng)力分布的研究較多，而對(duì)如何提高微型種植體在Ⅳ類骨質(zhì)中穩(wěn)定性的研究較少。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)修復(fù)種植體直徑和長(zhǎng)度在Ⅳ類骨質(zhì)中的應(yīng)力分布與Ⅰ類或Ⅱ類骨質(zhì)明顯不同，而微型種植體的植入位置和載荷方向

3、明顯不同于修復(fù)種植體，對(duì)微型種植體直徑和長(zhǎng)度在Ⅳ類骨質(zhì)中力學(xué)分布特點(diǎn)的研究很少。
　　 在種植體的應(yīng)用過(guò)程中，骨界面的力學(xué)相容性是保證種植體穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。三維有限元法是一種重要的理論力學(xué)分析方法,近年來(lái)廣泛應(yīng)用于種植體的力學(xué)分析中，包括對(duì)種植體尺寸、植入后加載時(shí)機(jī)、植入部位的皮質(zhì)骨厚度、種植體植入方向及載荷方向等因素對(duì)骨界面應(yīng)力分布影響的研究，取得了很大進(jìn)展。但目前三維有限元法對(duì)種植體參數(shù)的研究多數(shù)使用離散變量，不能準(zhǔn)確反映雙

4、變量連續(xù)變化過(guò)程中骨組織應(yīng)力分布的特點(diǎn)。
　　 目的:
　　 本實(shí)驗(yàn)用三維有限元法，將微型種植體直徑和長(zhǎng)度同時(shí)設(shè)定為連續(xù)變量，探討針對(duì)Ⅳ類骨質(zhì)的微型種植體直徑和長(zhǎng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為微型種植體的生產(chǎn)及在Ⅳ類骨質(zhì)中的合理選擇及臨床應(yīng)用提供理論依據(jù)，提高種植體支抗的成功率。
　　 方法:
　　 1、實(shí)驗(yàn)材料
　　 計(jì)算機(jī):臺(tái)式，(Intelp(R)Core(TM)i7-2600Cpu，3.4GHz∶16G

5、內(nèi)存，windows7操作系統(tǒng)）
　　 軟件包:ANSYS13.0(AnsysInc.Houston)
　　 2、實(shí)驗(yàn)方法
　　 2.1、建立頜骨模型
　　 本實(shí)驗(yàn)采用計(jì)算機(jī)軟件，建立簡(jiǎn)化的頜骨模型。參考上頜第二雙尖牙與第一磨牙間骨斷面形狀，將所建立的頜骨模型簡(jiǎn)化為梯形，然后將面拉伸成六面體。表面部分設(shè)置為皮質(zhì)骨，內(nèi)部為松質(zhì)骨，利用workbench中的DesignModeler模塊建立包含皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨

6、在內(nèi)的頜骨模型。
　　 2.2、建立種植體模型
　　 參照臨床常用的種植體形態(tài)，設(shè)定種植螺紋高度0.15mm，螺距為0.5mm，并將種植體的直徑和長(zhǎng)度設(shè)定為參數(shù)，其變化范圍分別為:1.2mm～2.0mm，6.0～10.0mm。利用workbench中的DesignModeler模塊建立種植體模型。
　　 2.3、裝配種植體-頜骨模型
　　 將皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、種植體按照相應(yīng)位置，各部分進(jìn)行布爾操作，得到種植

7、體-頜骨的實(shí)體模型。
　　 2.4、材料屬性
　　 設(shè)置皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨及種植體的彈性模量及泊松比。
　　 2.5、網(wǎng)格劃分
　　 將模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用六面體劃分皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨區(qū)域，采用面體劃分種植體部分，種植體網(wǎng)格細(xì)化。劃分單元數(shù)為133396。
　　 2.6、加載力的大小和方向
　　 大小:在種植體頂部施加2N的正畸力。
　　 方向:設(shè)定以(駘)方為Y軸正向，以遠(yuǎn)中為X軸正向

8、，以種植體長(zhǎng)軸為Z軸。載荷點(diǎn)為種植體頂。加載方向?yàn)槠叫杏赬-Y平面（垂直于種植體長(zhǎng)軸）、與X軸正向成30°夾角的方向（遠(yuǎn)中(駘)向30度）。
　　 2.7、求解及計(jì)算項(xiàng)目
　　 應(yīng)用頜骨的Von-Mises應(yīng)力峰值(MaximumEquivalentStress，簡(jiǎn)寫為MaxEQVStress)和位移峰值進(jìn)行不同設(shè)計(jì)的力學(xué)評(píng)估。同時(shí)進(jìn)行應(yīng)力值對(duì)變量的敏感度分析。
　　 結(jié)果:
　　 1、建立的種植體骨塊的

9、三維有限元模型具有良好的幾何相似性與生物相似性。
　　 2、種植體上的應(yīng)力和位移分布:種植體上的應(yīng)力和位移主要集中在種植體的頸部，以種植體的直徑為1.6mm，長(zhǎng)度為8mm為例，應(yīng)力最大值為19.38Mpa;越接近種植體的頭部位移值越大，最大位移值為6.8μm。
　　 3、種植體-骨界面的應(yīng)力分布:應(yīng)力主要集中在種植體-皮質(zhì)骨骨界面的接觸區(qū)。應(yīng)力在皮質(zhì)骨內(nèi)衰減較快，松質(zhì)骨區(qū)的應(yīng)力較小。以種植體的直徑為1.6mm，長(zhǎng)度為8m

10、m為例，皮質(zhì)骨上的最大應(yīng)力為16.43Mpa，松質(zhì)骨上的最大應(yīng)力為0.91Mpa。松質(zhì)骨上的最大應(yīng)力與皮質(zhì)骨相比降低了94.47％;松質(zhì)骨內(nèi)的位移較皮質(zhì)骨內(nèi)減低了37.50％。
　　 4、種植體直徑對(duì)骨界面應(yīng)力分布的影響:當(dāng)種植體長(zhǎng)度不變，直徑從1.2mm增加到2.0mm時(shí)，皮質(zhì)骨內(nèi)的應(yīng)力降低了77.66％～78.37％，松質(zhì)骨內(nèi)的應(yīng)力降低了60.70％～61.95％，說(shuō)明種植體直徑對(duì)骨組織應(yīng)力變化的影響較明顯。
　　

11、5、種植體長(zhǎng)度對(duì)骨界面應(yīng)力分布的影響:當(dāng)種植體直徑不變，長(zhǎng)度從6mm增加到10mm時(shí)，皮質(zhì)骨內(nèi)的應(yīng)力降低了0.67％～3.84％，松質(zhì)骨內(nèi)的應(yīng)力降低了-2.99％～0.29％，說(shuō)明種植體長(zhǎng)度對(duì)骨組織應(yīng)力變化的影響不明顯，且當(dāng)種植體直徑越大時(shí)種植體長(zhǎng)度對(duì)骨組織應(yīng)力的影響變小。敏感度分析顯示各輸出變量包括皮質(zhì)骨及松質(zhì)骨的應(yīng)力和位移對(duì)直徑的變化更敏感，而對(duì)長(zhǎng)度的變化不敏感。
　　 結(jié)論:
　　 1、種植體的應(yīng)力和位移主要分布在