微種植體光滑頸部錐度與高度優(yōu)化設(shè)計(jì)的三維有限元分析.pdf

1、目的:
　　 錯(cuò)(牙合)畸形是指在兒童生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)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(guān)系不協(xié)調(diào)以及牙頜顱面部的關(guān)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(guò)程中，任何施加于牙齒使其移動(dòng)的力必然同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)方向相反、大小相同的力，而支持這種矯正牙體移動(dòng)引起的反作用力的裝置稱(chēng)作“支抗”[1]。正畸支抗通常是靠口腔內(nèi)的單個(gè)牙或一組牙來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由于口腔內(nèi)牙齒提供的支抗常常不能滿(mǎn)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(qiáng)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(qiáng)支抗裝置雖然起到了一定增強(qiáng)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(guò)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(shù)操作簡(jiǎn)便，創(chuàng)傷小，對(duì)患者依從性要求少等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于一些疑難性病例的治療，如開(kāi)(牙合),強(qiáng)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(chǔ)，種植體-骨界面應(yīng)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(yīng)力峰值使其均勻分布受到廣大學(xué)者的關(guān)注，近年來(lái)三維有限元法廣泛應(yīng)用于口腔生物力學(xué)研究中。
　　 種植體應(yīng)力主要集中于骨皮質(zhì)區(qū)[5～7]，研究表明改變頸部構(gòu)型可以有效的影響降低種植體頸部骨界面的應(yīng)力峰值，頸部具有一定錐度可

4、以降低骨界面應(yīng)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(yīng)力峰值，使應(yīng)力的分布較均勻[8，9]。在對(duì)種植體的研究中，三維有限元法是一種常用的力學(xué)分析方法，目前種植體的優(yōu)化設(shè)計(jì)多是針對(duì)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(duì)種植體-骨界面應(yīng)力分布的影響未見(jiàn)報(bào)道。
　　 本實(shí)驗(yàn)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(shí)在正畸力作用下對(duì)種植

5、體-骨界面的應(yīng)力分布的影響，為優(yōu)化微種植體頸部構(gòu)型的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，以增強(qiáng)微種植體穩(wěn)定性，提高臨床成功率。
　　 方法:
　　 1、實(shí)驗(yàn)設(shè)備:
　　 硬件:普通PC機(jī)（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(shè)計(jì):
　　 參照臨床常用的微種植體幾何形態(tài)，設(shè)定骨內(nèi)段總長(zhǎng)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(duì)種植體骨內(nèi)段無(wú)螺紋光滑頸部進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì):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(duì)一成年男性志愿者進(jìn)行下頜骨螺旋CT掃描并三維重建，設(shè)定下頜一側(cè)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(jiǎn)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(zhǎng)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(shí)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)建立種植體-下頜骨模型。
　　 2、材料
　　 2.1、材料屬性
　　 假設(shè)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(xiàn)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(duì)位移。
　　 2.2、網(wǎng)格劃分
　　 利用電子計(jì)算機(jī)技術(shù)，按照所提供的種植體的形狀建立模型，利用Ansys Workbench Environment軟件對(duì)模型進(jìn)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(jì)算機(jī)自動(dòng)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(shè)定以(殆)方為Y軸正向，以遠(yuǎn)中為X軸正向，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（近中(駘)向30。），見(jiàn)Fig4。同時(shí)頜骨的四周完全約束。
　　

10、 4、分析方法與指標(biāo)
　　 4.1、輸入變量設(shè)定
　　 本實(shí)驗(yàn)中設(shè)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(jié)果能夠觀測(cè)連續(xù)輸入變量變化對(duì)輸出變量的影響，并通過(guò)對(duì)雙變量響應(yīng)面的觀察，分析頸部錐度與高度變化時(shí)的相互作用。
　　 4.2、輸出變量設(shè)定
　　 皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的平均主應(yīng)力峰值(Maximum Equivalent Stress,Maximum

11、 Von-Mises Stress，簡(jiǎn)寫(xiě)為Max EQV Stress)及位移峰值為輸出變量，進(jìn)行不同設(shè)計(jì)的力學(xué)評(píng)估，同時(shí)進(jìn)行輸出變量對(duì)輸入變量的敏感度分析。
　　 結(jié)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(yīng)力分布:在所建模型

12、中，骨界面的應(yīng)力主要分布在皮質(zhì)骨內(nèi)，皮質(zhì)骨內(nèi)的應(yīng)力峰值遠(yuǎn)大于松質(zhì)骨的應(yīng)力峰值，表明應(yīng)力主要集中于種植體-骨皮質(zhì)區(qū)。
　　 3、錐度對(duì)種植體-骨界面應(yīng)力的影響:當(dāng)種植體頸部光滑部分高度為1.5mm，錐度從0°～45°變化時(shí)，種植體-骨界面皮質(zhì)骨內(nèi)的應(yīng)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(gòu)型為圓錐形較圓柱形更有利于降低種植體頸部的應(yīng)力峰值。
　　 4、頸部光滑柱狀部分高度對(duì)骨界面應(yīng)力分布的影響:當(dāng)種植體錐

13、度為22.5°時(shí)，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(yīng)力峰值降低明顯（降幅為70％），松質(zhì)骨的應(yīng)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(shí)，皮質(zhì)骨內(nèi)應(yīng)力峰值降低更明顯（降幅為20％），但松質(zhì)骨的應(yīng)力峰值及位移峰值明顯增大且大于骨皮質(zhì)內(nèi)應(yīng)力峰值及位移峰值。當(dāng)種植體頸部錐度為0°時(shí)，微種植體頸部高度超過(guò)植入?yún)^(qū)皮質(zhì)骨厚度對(duì)骨界面應(yīng)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(yīng)力分布及

14、種植體的穩(wěn)定，但不應(yīng)超過(guò)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(duì)種植體-骨界面的應(yīng)力分布影響更顯著。
　　 6、優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)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(shí)，種植體-骨界面應(yīng)力及位移峰值較小。
　　 結(jié)論:
　　 1、微種植體-骨界面的應(yīng)力主要集中于骨皮質(zhì)區(qū)，松質(zhì)骨區(qū)應(yīng)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(shí)，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(yīng)力峰值，而頸部光滑柱狀種植體骨界面的應(yīng)力對(duì)頸部高度的變化不敏感。微種植體頸部高度超過(guò)骨皮質(zhì)厚度范圍內(nèi)時(shí)，頸部錐狀或柱狀種植體均可造成松質(zhì)骨應(yīng)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(shuō)明微種植體頸部高度對(duì)種植體-骨界面的影響與皮質(zhì)骨厚度相關(guān)。
　　 3、頸部光滑錐狀種植體比頸部光滑柱狀種植體骨界面應(yīng)力分布均勻。
　　 4、頸部光滑種植體比傳統(tǒng)螺