鎳鈦合金牽引器及犬下頜骨體牽引成骨力學(xué)問(wèn)題有限元初步研究.pdf

1、牽張成骨(distractionosteogenesis，DO)已有近百年歷史，最早用于四肢長(zhǎng)骨的牽張延長(zhǎng)。上世紀(jì)70年代初期，Snyder等人首先進(jìn)行了下頜牽張成骨的實(shí)驗(yàn)研究，近十年來(lái)，利用牽張成骨技術(shù)進(jìn)行頜骨缺損修復(fù)以及頜骨延長(zhǎng)的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。鎳鈦記憶合金牽引器經(jīng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明其能有效的進(jìn)行下頜骨的增高和延長(zhǎng)。為了進(jìn)一步獲得力量更持續(xù)、超彈性范圍更大的牽引器，我們?cè)O(shè)想借助有限元的方法建立牽引器的有限元模型，并探討實(shí)現(xiàn)有限元模型

2、的動(dòng)態(tài)可視化的方法，為牽引器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computeraideddesign，CAD)奠定基礎(chǔ)。 不完全截骨牽引成骨重建犬下頜骨節(jié)段缺失的實(shí)驗(yàn)取得了成功，為進(jìn)一步研究怎樣控制截骨；怎樣控制牽引方向不發(fā)生偏差；下頜骨各部位受牽引力的影響會(huì)發(fā)生哪些變化，能否導(dǎo)致關(guān)節(jié)紊亂的發(fā)生等問(wèn)題，我們?cè)O(shè)想建立其有限元模型，從生物力學(xué)角度對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行深入研究。本研究共分為四部分： 第一部分用于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的鎳鈦記憶合金牽引器有限

3、元模型的建立目的：探討一種用于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的鎳鈦記憶合金(NTMA)牽引器有限元模型的建立方法。 方法：用Pro/E軟件建立一個(gè)具有正弦波形、波長(zhǎng)為60mm，振幅為10mm的鎳鈦記憶合金牽引器的幾何模型，導(dǎo)入Marc軟件，對(duì)其進(jìn)行幾何修復(fù)后生成實(shí)體單元，并按實(shí)際模擬邊界條件，按鎳鈦合金定義初始條件和材料特性，最終得到鎳鈦記憶合金牽引器有限元模型。 結(jié)果：建立了用于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的鎳鈦記憶合金牽引器有限元模型，可以預(yù)測(cè)一

4、定形狀的牽引器在變形過(guò)程中(各時(shí)段)其本身結(jié)構(gòu)中各節(jié)點(diǎn)、單元的受力、位移情況。 結(jié)論：本研究率先運(yùn)用鎳鈦記憶合金有限元模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，這一技術(shù)將有助于提高鎳鈦記憶合金器件的設(shè)計(jì)精度，并縮短其設(shè)計(jì)周期，節(jié)約設(shè)計(jì)成本。 第二部分鎳鈦記憶合金牽引器有限元模型的動(dòng)態(tài)可視化方法探討目的：探討形成鎳鈦記憶合金牽引器有限元模型動(dòng)態(tài)可視化應(yīng)力云圖的方法。 方法：建立鎳鈦記憶合金牽引器有限元模型，利用Windows界面下的

5、VB語(yǔ)言中的RGB函數(shù)，把有限元模型的數(shù)值信息與彩色應(yīng)力云圖顯示相關(guān)聯(lián)，當(dāng)前步變形后產(chǎn)生的靜態(tài)云圖覆蓋上一步的云圖，同時(shí)有限元模型也發(fā)生響應(yīng)的位移，即形成動(dòng)態(tài)可視化的鎳鈦記憶合金牽引器變形時(shí)的應(yīng)力云圖。 結(jié)果：把有限元模型得到的數(shù)值范圍等分為12個(gè)值域，每個(gè)值域?qū)?yīng)一種顏色，數(shù)值越大，顏色越暗。把得到的52幅鎳鈦記憶合金牽引器有限元模型的瞬時(shí)應(yīng)力云圖連續(xù)顯示就實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)量變化的動(dòng)態(tài)模擬。 結(jié)論：利用計(jì)算機(jī)VB語(yǔ)言可以通過(guò)畫

6、面的連續(xù)顯示的方式動(dòng)態(tài)而直觀地體現(xiàn)有限元模型計(jì)算結(jié)果，可以觀測(cè)牽引器選取剖面上整個(gè)變形過(guò)程的應(yīng)力云圖，模擬真實(shí)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，從而方便地發(fā)現(xiàn)牽引器受力的危險(xiǎn)點(diǎn)，為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 第三部分不完全截骨牽引成骨重建犬下頜骨節(jié)段缺失的有限元建模研究目的：建立不完全截骨牽引成骨重建犬下頜骨節(jié)段缺失的有限元模型。 方法：運(yùn)用Mimics軟件讀取基于實(shí)驗(yàn)犬下頜骨CT資料的DICOM數(shù)據(jù)形成幾何模型，在Magics軟件中使用cut工具對(duì)

7、幾何模型進(jìn)行切割，模型由犬左邊非牽張側(cè)下頜骨、右側(cè)滑動(dòng)骨塊(傳送盤骨段)、右側(cè)包括下頜支的基骨、滑動(dòng)骨塊與基骨連接處骨片、重建鈦板組成，每個(gè)部分依靠Magics的粘接功能粘在一起，生成實(shí)體單元后在MARC軟件中完成模型的力學(xué)分析。 結(jié)果：在國(guó)內(nèi)外首次建立了不完全截骨牽引成骨重建犬下頜骨節(jié)段缺失的有限元模型，可模擬牽引過(guò)程，觀察任意點(diǎn)的應(yīng)力、位移情況，并可選取模型的任意部分，查看其相應(yīng)計(jì)算結(jié)果。 結(jié)論：可以用有限元的方法對(duì)

8、保留舌側(cè)部分骨皮質(zhì)的不完全截骨牽張成骨進(jìn)行力學(xué)研究，為這一成果早日應(yīng)用臨床打下理論基礎(chǔ)。 第四部分不完全截骨牽引成骨重建犬下頜節(jié)段缺失的有限元法力學(xué)研究目的：利用不完全截骨牽引成骨重建犬下頜節(jié)段缺失的有限元模型控制截骨程度，力求找到最佳截骨量；計(jì)算牽引過(guò)程中下頜骨各部分受力情況、位移趨勢(shì)；推測(cè)牽引對(duì)下頜關(guān)節(jié)(髁狀突)的影響。 方法：有限元模型模擬不完全截骨，在加力(12N)牽張過(guò)程中觀察犬下頜皮質(zhì)骨截骨處(連接處骨片)分

9、別剩2.1、2、1.7、1.4、1、0.8、0.6mm時(shí)其VonMises應(yīng)力，并與犬下頜骨的極限抗拉強(qiáng)度比較；計(jì)算當(dāng)連接處骨片剩余寬度最小而不發(fā)生斷裂(骨折)時(shí)，下頜骨一些特定標(biāo)志點(diǎn)所受最大主應(yīng)力和VonMises應(yīng)力；在上一步基礎(chǔ)上，計(jì)算當(dāng)下頜骨滑動(dòng)骨塊移動(dòng)1mm時(shí)，一些特定標(biāo)志點(diǎn)的位移、所受最大主應(yīng)力和VonMises應(yīng)力。 結(jié)果：牽引過(guò)程中當(dāng)連接處骨片剩余1mm時(shí)，滑動(dòng)骨塊和連接處骨片的VonMises應(yīng)力都是47.76

10、MPa，最為接近犬下頜骨的極限抗拉強(qiáng)度(約49.35MPa)；此時(shí)在牽張側(cè)第五臼齒、髁狀突前斜面前緣中點(diǎn)和髁狀突后斜面后緣中點(diǎn)所受應(yīng)力較大其VonMises應(yīng)力分別為：0.3726、0.2408、0.1051MPa，并且前兩點(diǎn)所受最大主應(yīng)力為壓應(yīng)力、后緣中點(diǎn)為拉應(yīng)力，在非牽張側(cè)不受應(yīng)力的影響；當(dāng)下頜骨滑動(dòng)骨塊在此基礎(chǔ)上移動(dòng)1mm時(shí)，牽張側(cè)和非牽張側(cè)各標(biāo)志點(diǎn)位移均有不同程度的增加。 結(jié)論：犬下頜行半側(cè)不全截骨牽引成骨，當(dāng)連接骨片的