兒童上頜復合體快速擴弓的三維有限元分析.pdf

1、目的:上頜快速擴弓(Rapid maxillary expansion,RME)是一種有效矯治上頜骨橫向發(fā)育不足、上牙弓狹窄、后牙反(牙合)和解除上頜牙列擁擠的方法。RME矯治力作用于上頜牙列、牙槽骨或上頜其他組織,在短時間內(nèi)對上頜組織施加較大的矯形力使上頜骨骨縫擴開,從而使上頜寬度得到擴展。上頜寬度的增加主要包括上頜骨基骨擴大和上頜牙列寬度的擴大兩部分。以往研究表明矯治器在快速擴大上頜牙弓的同時經(jīng)常發(fā)生鼻腔寬度增大、支抗牙齒傾料、伸長

2、等作用。臨床矯治中經(jīng)常見到有患者反映在快速擴弓過程中出現(xiàn)鼻額部疼痛、眶距增寬等癥狀。如何全面認識Hyrax矯治器力學分布特點,減少不良作用,值得正畸研究者認真思考。
　　 RME作用力涉及上頜復合體及鄰近組織,力學機制非常復雜。有限元法(finite element method,FEM)是一種將待分析的連續(xù)求解域離散為若干個有限大小的單元體的集合,以求解連續(xù)體力學問題的高效數(shù)值計算方法。Brekelmans和Rybicki在1

3、972年首次將三維有限元(Three-dimensionalfinite element method,3-D FEM)研究實驗方法應用于在醫(yī)學生物力學領域,現(xiàn)在該方法已廣泛應用于口腔生物力學研究領域。在快速擴弓生物力學研究方法中,該方法以獨特的力學分析模擬特性被國內(nèi)外正畸研究者廣泛采用。然而由于上頜復合體結構非常復雜以及研究條件的限制,以往建立的模型對于各解剖結構簡化較多、模型精確度不高、幾何相似性較差。RME力學分析方面研究者多采用

4、模擬擴大上牙弓的方法分析各解剖結構受力情況,未見到將矯治器與上頜復合體作為不同的力學材料結構進行整體建模和力學分析,因而以往建立的有限元模型生物力學特性較差。目前,關于如何快速建立上頜復合體有限元模型的建模方法尚未統(tǒng)一,如何建立精確的顱面骨骨縫、牙周膜模型以及實體網(wǎng)格劃分的標準也尚未達成共識。
　　 本研究通過Mimics10.0、Geomagic Studio9.0及Ansys10.0軟件探討建立幾何相似度高、具有生物學特性的

5、兒童上頜復合體三維有限元模型的方法,為利用ANSYS軟件模擬快速擴弓作用下上頜復合體各軟硬組織應力分布狀況及各標志點三維方向位置的改變提供精確的模型平臺,為解釋快速擴弓過程提供生物力學方面的理論依據(jù),指導正畸臨床醫(yī)師對快速擴弓矯治器進行設計、制作,獲得滿意的臨床擴弓效果。
　　 方法:
　　 1選取一例8.5歲,女性,身體健康兒童作為實驗研究對象,行口腔錐體束CT(cone-beam computed tomograph

6、y,CBCT)掃描,掃描層厚0.3mm,最終得到636幅二維CBCT掃描斷層圖像。拍攝數(shù)據(jù)以DICOM(DigitalImaging and Communications in Medicine,DICOM)格式存儲。在個人計算機(Personal Compute,PC)上將所得DICOM數(shù)據(jù)文件導入MIMICS10.0軟件,對原始圖像進行蒙皮、分割、光滑等步驟生成上頜復合體三維有限元模型。經(jīng)Geomagic Studio9.0剪輯處理

7、,經(jīng)過點階段、多邊形階段、成形階段的處理最終生成能被ANSYS等有限元軟件所識別的IGES文件。
　　 2用3DSS-MINI-Ⅱ三維掃描儀對選取相同年齡段形態(tài)完好、表面無齲壞、牙根形態(tài)無異常的離體中切牙、尖牙、第一前磨牙、第一磨牙、第二乳磨牙行光柵掃描,所得點云數(shù)據(jù)用Geomagic Studio9.0軟件修整光滑后以IGES格式存盤。在PC機上用Geomagic Studio9.0軟件進行上頜復合體—上頜牙列3D模型的空間裝

8、配,裝配完成后各模型文件分別以IGES格式存盤。
　　 3在PC機上將以上所得模型導入Ansys10.0軟件,設置好網(wǎng)格參數(shù),劃分各個3D模型實體實體(SOLID))單元,參照正常人體解剖數(shù)據(jù)及CT圖像進行相關骨縫模擬,最終生成上頜復合體三維有限元模型。
　　 4對此模型切割、簡化后將蝶骨翼突、顴頜縫進行全方位約束,正中矢狀面加對稱全方位約束,在第一前磨牙、第一磨牙分別選取臨床冠中心和牙冠腭側近牙槽嵴頂處加載水平向的靜壓

9、力,進行三維有限元分析,模擬臨床快速擴弓過程單側牙弓寬度擴大5mm時上頜復合體各部三維方向的改變及應力分布。
　　 結果:
　　 1成功建立了兒童上頜復合體三維有限元模型。
　　 2在簡化的上頜復合體模型中分別選擇第一前磨牙、第一磨牙臨床冠中心和牙冠腭側面近牙槽嵴頂處進行生物力學分析,得到快速擴弓情況下上頜復合體等效應力分布圖及位移圖。
　　 3施力點位于第一前磨牙、第一磨牙臨床冠中心模擬快速擴弓加載后,

10、上頜牙最大水平向位移(X方向)出現(xiàn)在第一磨牙近中頰尖處,位移值-6.57mm;最大矢狀向位移(Y方向)出現(xiàn)在第一前磨牙舌尖處,位移值3.11mm;垂直方向(Z方向),最大值出現(xiàn)在第一前磨牙舌尖處,位移為-2.2mm。上頜骨近腭中縫處自前向后最大水平向及矢狀向位移出現(xiàn)在上頜中切牙之間的牙槽嵴項處,位移-2.25mm、3.62mm,。垂直方向,最大值出現(xiàn)在ANS點處,位移為-5.40mm。
　　 4施力點位于第一前磨牙、第一磨牙腭側

11、近牙槽嵴處時模擬快速擴弓加載后,上頜牙最大水平向位移(X方向)出現(xiàn)在第一磨牙近中頰尖處,位移值-6.80mm;最大矢狀向和垂直向位移(Y、Z方向)方向出現(xiàn)在第一前磨牙舌尖處,位移值3.41mm、-2.40mm;上頜骨近腭中縫處自前向后上頜骨最大水平向及矢狀向位移出現(xiàn)在上頜中切牙之間的牙槽嵴頂處,位移-2.57mm、4.15mm;垂直方向,最大值出現(xiàn)在ANS點處,位移為-6.1mm。
　　 5施力點位于第一前磨牙、第一磨牙臨床冠中

12、心模擬快速擴弓加載后,第一磨牙牙周膜處最大拉應力出現(xiàn)在施力點腭側近牙槽嵴頂處,應力值392Mpa;最大壓應力出現(xiàn)在施力點對側近牙槽嵴頂處,應力值-373Mpa;最大側向位移值也出現(xiàn)在施力點腭側近牙槽嵴項處,X向位移值-3.16mm。
　　 6施力點位于第一前磨牙、第一磨牙腭側近牙槽嵴處時,第一磨牙牙周膜處最大拉應力出現(xiàn)在施力點腭側近牙槽嵴頂處,應力值474Mpa;最大等效應力也出現(xiàn)在該部,應力值為1370 Mpa;最大壓應力出現(xiàn)

13、在施力部對側近牙槽嵴頂處,應力值-601Mpa;側向位移最大值也出現(xiàn)在施力點腭側近牙槽嵴頂處,X向位移值-3.92mm。
　　 結論:建立了幾何相似性高、具有生物學特性的兒童上頜復合體三維有限元模型。分別選擇第一前磨牙、第一磨牙腭面臨床冠中心和牙冠腭側近牙槽嵴頂處兩個部位施加靜壓力進行臨床快速擴弓生物力學模擬,得到快速擴弓單側牙弓寬度擴大5mm時上頜復合體等效應力分布圖和位移圖。有限元分析結果顯示,上頜牙弓擴大相同寬度時,加力部