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《河北医科大学》 2012年
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支抗种植体辅助前牙控根移动的有限元分析

孔令亮  
【摘要】:目的: 上颌前突是临床最常见的错牙合畸形之一。由于影响美观,前突常常是患者想解决的主要问题;尤其对于东方人种而言。上颌前牙的位置是影响口腔颜面部美观的重要因素,如何对前突的上颌前牙进行适度的内收是正畸矫治的一个难点所在。 上前牙内收的过程中需要强有力的支抗控制后牙位置和前牙的移动,传统滑动法内收前牙常出现前牙转矩丧失、覆牙合加深和后牙支抗丧失的情况,如何有效地整体内收前牙成为正畸工作者亟待解决的问题。 临床常用的方法为前牙区加正向转矩或摇椅曲等,这有悖于直丝弓滑动法内收前牙。微型支抗种植体的出现解决了内收前牙支抗丧失的问题。但是,由于加载力的方向与牙弓阻抗中心偏差的关系,前牙转矩和覆合的问题并未实质解决。从力学角度考虑,可以尝试前后种植体配合辅助前牙内收的控根移动,尤其适用于同时伴有垂直向发育过度的露龈笑患者。 三维有限元法(FEM)是常见的理论应力分析法,计算机技术及相关软件的发展使得有限元法模拟复杂正畸力系统成为可能。现阶段在口腔正畸生物力学的研究中广泛应用。对于前牙内收力系的有限元研究越来越受到重视。 本实验拟探索一种上颌前牙内收力系统的建模方法,即建立几何形态相似的上颌骨-上牙列-矫治器-种植体有限元复合模型;以模拟临床上颌前后部位植入种植体,辅助矫治器滑动法控制前牙移动,观察各前牙的运动趋势及应力分布情况,并对其生物力学机制进行探讨,为种植体更好地辅助前牙控根移动提高理论依据。 材料与方法: 第一部分:上颌骨-上牙列-矫治器有限元模型的建立 1建立实体模型 1.1松质骨及皮质骨的处理 采用CT扫描一个别正常牙合志愿者颌骨并以Dicom格式存储,借助Mimics软件去除不需要的部分,采集颌骨信息建立将二维图像重建为三维模型,以STL格式导出;在逆工程软件Geomagic中对三维模型进行光滑、打磨去噪等图像处理,生成三维图形IGES文件格式。 1.2托槽、弓丝、及牵引钩的建立 利用O-PAK的直丝弓数据,在CATIA软件中建立托槽及弓丝的模型弓丝模型。主弓丝尺寸设定为0.018×0.025英寸,模拟临床在主弓丝的侧切牙与尖牙部位建立5mm高度的牵引钩。 1.3牙周膜的建立 牙齿模型文件,导入Solidworks文件中,利用抽壳建模,将牙齿模型沿着边界向外膨胀0.25mm。 1.4模型的组装 将松质骨、皮质骨、牙齿、托槽、弓丝及抽壳处理后的牙齿模型共同导入到ANSYS Workbench中,按照相应位置,各部分进行布尔操作,得到计算模型。对有限元模型进行有限元单元的网格划分,最终建立上颌骨-上牙列-矫治器-种植体有限元复合模型。 第二部分:支抗种植体辅助前牙控根移动的有限元分析 1加载条件 模拟两种临床前牙内收加载方式,并探讨其生物力学机制。载荷A1:双侧侧切牙、尖牙根间的前牙种植体垂直加载。载荷A2:双侧中切牙、侧切牙根间的前牙种植体垂直加载。载荷B:双侧第二前磨牙、第一磨牙根间的后牙种植体与牵引钩加载。 前牙种植体加载点位于牙槽嵴顶根方8mm、皮质骨以外2mm处,后牙种植体加载点位于牙槽嵴顶根方6mm、皮质骨以外2mm处。设双侧前牙加载力值为50g、75g、100g;后牙加载力值为100g、150g、200g;各工况力值组合如下:Case1:A1加载50g,B加载100g。Case2:A1加载50g,B加载150g。Case3:A1加载50g,B加载200g。Case4:A1加载75g,B加载100g。Case5:A1加载75g,B加载150g。Case6:A1加载75g,B加载200g。Case7:A1加载100g,B加载100g。Case8:A1加载100g,B加载150g。Case9:A1加载100g,B加载200g。Case10:A2加载50g,B加载100g。Case11:A2加载50g,B加载150g。Case12:A2加载50g,B加载200g。Case13:A2加载75g,B加载100g。Case14:A2加载75g,B加载150g。Case15:A2加载75g,B加载200g。Case16:A2加载100g,B加载100g。Case17:A2加载100g,B加载150g。Case18:A2加载100g,B加载200g。 2求解及计算项目 计算不同工况下,各上前牙牙周膜等效应力峰值、上前牙唇舌向转角值及垂直向位移峰值,并分析牙周膜的应力分布。 结果: 第一部分:上颌骨-上牙列-矫治器有限元模型的建立 建立的上颌骨-上牙列-矫治器三维有限元模型具有良好的几何相似性与生物相似性,能够满足生物力学运算的要求。 第二部分:支抗种植体辅助前牙控根移动的有限元分析 1上前牙唇舌向运动趋势 1.1各前牙表现出相似的运动趋势,转角值均为正值,即均表现为冠唇向的运动趋势,尽管在各加载条件下其转角值有差异。 1.2当垂直向载荷一定,随着前后向载荷的增加,各前牙的转角值表现出增大的趋势;当前后向载荷一定,垂直向载荷的增加也使得转角值增加。 1.3左右侧同名牙转角值曲线走形趋势一致,虽然在数值上有差别。 2上前牙牙周膜等效应力分布 2.1在相同的加载下,中切牙、侧切牙的Von-mises应力峰值均大于尖牙,尖牙应力分布较为均匀,中切牙、侧切牙唇侧应力大于舌侧应力,且唇侧冠部应力大于唇侧根部应力。 2.2随着加载力值的增加,前牙所受的Von-mises应力峰值也逐渐增加。 2.3在A1、B和A2、B的加载条件下,各前牙所受应力峰值水平有差异:侧切牙、尖牙A1、B条件下应力峰值水平明显高于A2、B;中切牙所受应力峰值水平,A2、B条件下明显高于A1、B。 2.4应力分布云图上显示,在A1、B的加载条件下,牙周膜Von-mises应力峰值出现在侧切牙的牙周膜远中牙槽嵴顶处;牙周膜Von-mises应力最小值出现在尖牙的牙周膜近中面上;随着力值的增大,前牙近远中牙槽嵴顶所受的应力水平也渐渐增大。 2.5应力分布云图上显示,在A2、B的加载条件下,牙周膜Von-mises应力峰值出现在中切牙的牙周膜近中牙槽嵴顶处;牙周膜Von-mises应力最小值也出现在尖牙的牙周膜近中面上。侧切牙牙周膜远中面、唇侧面所受应力水平相对侧切牙其他部位较大。比较牙周膜所受Von-mises应力峰值发现,由大到小的顺序为:中切牙、侧切牙、尖牙。 3前牙压低趋势 3.1位移峰值出现在牙冠部,且位移值由冠部最大位移处向根部逐渐减小,中切牙、侧切牙舌侧位移小于唇侧位移。从位移分布云图上可以看出,牙齿在压低的同时也伴随着转动。 3.2在A1、B的加载条件下,前牙的垂直向即刻位移最小值出现在尖牙舌侧牙冠偏远中的位置,位移峰值三个工况(Case4、Case7、Case8)出现在中切牙牙冠偏远中,其余六个工况在侧切牙牙冠的位置。 3.3在A2、B的加载条件下,前牙的垂直向即刻位移最小值出现在尖牙远中邻面处,即刻位移峰值较一致,均出现在中切牙牙冠颈部偏远中。 3.4从位移分布图上看出,双侧尖牙的整体压低效应明显小于侧切牙与中切牙,中切牙、侧切牙冠的压低趋势明显大于其他部位。整体上来说,垂直向压低的位移数值较小,最大位移值为0.714E-3mm(Case18);最小值为0.291E-4mm(Case1)。 3.5在A2、B加载的各工况条件之下,虽然位移值不同,但是其位移分布趋势相近,从分布图上看,在不同工况颜色分布下基本相似。 结论: 1CT扫描,结合Mimics、Geomagic、Catia、Ansys软件建模的方法方便、灵活,建立的模型生物相似性和几何相似性有大幅提高。 2从生物力学角度上讲,种植体辅助前牙内收控根移动的方法改善了一些传统直丝弓前牙内收的弊病;载荷大小、载荷方式可以影响前牙内收的运动形式;通过改变加载方式,牵引钩高度等方法,可以达到灵活、高效内收前牙的目的。 3前后牙种植体辅助前牙内收控根移动时,牙槽嵴顶的部位是应力集中好发部位,根部的应力水平较低,尖牙的应力值水平明显小于侧切牙与中切牙。 4从压低的趋势看,在前牙区植入种植体本可以有效实现前牙的压低,其中中切牙、侧切牙的压低效应明显大于尖牙。同时观察到,牙齿除了存在垂直向压低外,亦存在转动的运动形式。
【学位授予单位】:河北医科大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:R783.5

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