Ⅳ類骨質(zhì)中種植體直徑和長度優(yōu)化設計的三維有限元研究.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，這些方法在使用過程中都具有需要患者密切配合，且舒適度較差等缺點，因此限制了正畸治療的發(fā)展。隨著微型種植體支抗的應用，其使用范圍越來越廣，受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注，微型種植體作為一種臨時的骨性支抗裝置具有其他支抗裝置所不具備的優(yōu)點。種植體支抗的應用擴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用的難點。目前對微型種植體在Ⅰ類或Ⅱ類這些常見骨質(zhì)中應力分布的研究較多，而對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。有學者發(fā)現(xiàn)修復種植體直徑和長度在Ⅳ類骨質(zhì)中的應力分布與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、明顯不同于修復種植體，對微型種植體直徑和長度在Ⅳ類骨質(zhì)中力學分布特點的研究很少。
　　 在種植體的應用過程中，骨界面的力學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分析方法,近年來廣泛應用于種植體的力學分析中，包括對種植體尺寸、植入后加載時機、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骨界面應力分布影響的研究，取得了很大進展。但目前三維有限元法對種植體參數(shù)的研究多數(shù)使用離散變量，不能準確反映雙

4、變量連續(xù)變化過程中骨組織應力分布的特點。
　　 目的:
　　 本實驗用三維有限元法，將微型種植體直徑和長度同時設定為連續(xù)變量，探討針對Ⅳ類骨質(zhì)的微型種植體直徑和長度的優(yōu)化設計，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用提供理論依據(jù)，提高種植體支抗的成功率。
　　 方法:
　　 1、實驗材料
　　 計算機:臺式，(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、實驗方法
　　 2.1、建立頜骨模型
　　 本實驗采用計算機軟件，建立簡化的頜骨模型。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化為梯形，然后將面拉伸成六面體。表面部分設置為皮質(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)，設定種植螺紋高度0.15mm，螺距為0.5mm，并將種植體的直徑和長度設定為參數(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、種植體按照相應位置，各部分進行布爾操作，得到種植

7、體-頜骨的實體模型。
　　 2.4、材料屬性
　　 設置皮質(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:設定以(駘)方為Y軸正向，以遠中為X軸正向

8、，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（遠中(駘)向30度）。
　　 2.7、求解及計算項目
　　 應用頜骨的Von-Mises應力峰值(MaximumEquivalentStress，簡寫為MaxEQVStress)和位移峰值進行不同設計的力學評估。同時進行應力值對變量的敏感度分析。
　　 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、種植體上的應力和位移分布:種植體上的應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，長度為8mm為例，應力最大值為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-骨界面的應力分布:應力主要集中在種植體-皮質(zhì)骨骨界面的接觸區(qū)。應力在皮質(zhì)骨內(nèi)衰減較快，松質(zhì)骨區(qū)的應力較小。以種植體的直徑為1.6mm，長度為8m

10、m為例，皮質(zhì)骨上的最大應力為16.43Mpa，松質(zhì)骨上的最大應力為0.91Mpa。松質(zhì)骨上的最大應力與皮質(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、種植體直徑對骨界面應力分布的影響:當種植體長度不變，直徑從1.2mm增加到2.0mm時，皮質(zhì)骨內(nèi)的應力降低了77.66％～78.37％，松質(zhì)骨內(nèi)的應力降低了60.70％～61.95％，說明種植體直徑對骨組織應力變化的影響較明顯。
　　

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