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皮质骨钻削性能及可重构牙科钻削导板设计

张爱荣  
【摘要】:种植义齿不仅能显著提高缺牙患者的咀嚼功能,且固位力和稳定性远优于传统义齿。因此,它已经成为越来越多患者的首选。种植义齿修复的第一步是在牙槽嵴上预备种植窝洞。然而,种植窝洞制备过程中的骨屑堵塞是牙科医师面临的主要难题之一。骨屑堵塞会引起钻削温度、轴向力和钻削扭矩的急剧增加,甚至可能引起钻头断裂。因此,研究皮质骨钻削机理及相关技术对于提高种植义齿修复的成功率有十分重要的现实意义,同时也为牙科医师治疗提供了指导。然而,现有的钻削力模型无法有效地将钻削参数与钻孔深度联系起来。另外,为了更加精确地植入种植体,越来越多的牙科医师采用牙科钻削导板以达到预期的治疗效果。然而,目前使用的导板存在成本高、制作周期长等问题。因此,开展皮质骨钻削性能及可重构牙科钻削导板研究,具有重要的理论意义和临床价值。针对上述问题,本文以皮质骨为研究对象,建立了基于自动球压痕技术和一维应力波理论的简化Johnson-Cook(J-C)本构模型,利用仿真和实验相结合的方法对皮质骨的钻削性能进行了分析:在此基础上,开展关于排屑力及骨屑堵塞临界深度建模分析;最后,提出了基于钻模套与个性化基板相组合的可重构钻削导板。本文的主要研究工作总结如下:(1)利用自动球压痕技术和一维应力波理论,对皮质骨的简化J-C本构模型的准静态力学性能参数和动态力学参数进行了标定。首先,利用图像处理技术得到了皮质骨不同微观组织的面积比,分析了微观组织面积比在长骨轴向上的变化规律。然后,通过室温下的自动球压痕实验获得皮质骨的微观力学性能,分析了压头直径对微观力学性能的影响规律,利用扫描电子显微镜(Scanningelectron microscope,SEM)对压痕形貌进行了分析。其次,借助图像处理技术和混合定律建立了皮质骨宏观力学性能的数学模型,从而得到了皮质骨的准静态力学性能参数。最后,基于一维应力波理论获得了高应变率下皮质骨的动态力学性能,从而得到皮质骨的简化J-C模型参数。结果表明,压头直径对皮质骨的强度有显著影响,压头直径越小,所得的皮质骨强度越高。两种直径压头产生的压痕表面均存在微裂纹,压痕周围存在材料沉陷的现象。研究表明,利用自动球压痕技术和一维应力波理论相结合的方法可以有效地得到皮质骨的简化J-C模型参数。(2)基于有限元仿真和实验分析的结合对连续进给和分级进给条件下的皮质骨钻削性能进行了研究。首先,利用ABAQUS软件,基于简化的J-C本构方程建立了皮质骨三维钻削仿真模型。然后,对建立的有限元模型进行了实验验证。最后,利用有限元仿真和实验相结合的方法,对连续进给和分级进给条件下的轴向力和钻削扭矩进行了分析。研究表明,在连续进给条件下,骨钻削实验过程中的轴向力和钻削扭矩会在特定位置出现突然增大的现象,而仿真模型没有这种现象。因此,建立的有限元模型不适用于连续进给条件下骨钻削过程的模拟。在分级进给条件下,不会形成骨屑堵塞,实验过程中测轴向力和扭矩不会出现突然增大的现象,且仿真结果与实验结果吻合度较高,所建立的仿真模型能够较为精确地反映分级进给条件下轴向力和钻削扭矩的变化规律。研究表明:采用高转速、低进给速度和分级进给相结合的方法能够显著改善骨屑堵塞现象,从而在很大程度上降低骨钻削过程中的最大轴向力和最大扭矩,同时又能提高孔表面质量。(3)根据钻头几何形状建立了骨钻削排屑力模型,并对骨屑堵塞临界深度进行了预测。首先,根据骨屑堵塞形成机理,建立了具有两个待定参数的排屑力预测模型,利用最小二乘法对力模型的相关参数进行了标定。然后,利用非线性回归分析建立了排屑力相关参数的预测模型,阐释了力预测模型相关参数与钻削参数之间的映射关系,利用方差分析探究了钻削参数的显著性,并通过骨钻削实验对力预测模型进行了验证。其次,基于排屑力梯度,建立了骨屑堵塞临界深度预测模型,根据标定实验数据得到临界深度预测模型的回归系数,并对模型的预测精度进行了分析。最后,借助Matlab软件分析了钻削参数对排屑力及骨屑堵塞临界深度的影响规律。研究表明,所建立的排屑力模型在界定的钻削参数范围内均具有较高的预测精度,对排屑力及骨屑堵塞临界深度的预测误差均在10%以内,钻头转速和进给速度是影响排屑力及骨屑堵塞的重要因素。所建立的骨屑堵塞临界深度预测模型可以为临床医师实施分级进给提供指导,从而合理地选择钻削条件。(4)提出了由系列化、标准化的钻模套和个性化基板组成的牙科可重构钻削导板,有利于保障种植体的植入精度,钻模套通过过渡配合安装在基板的套孔内。首先,基于患者的口腔锥形束计算机断层扫描(Cone beam computed tomography,CBCT)数据重构下颌骨三维模型。然后,根据牙科医师的种植规划和导板专用钻头的直径设计不同型号的钻模套,该钻模套与导板专用钻头配合使用。再次,利用医学图像处理软件进行不同个性化基板的设计,再利用数控加工和3D(Three-dimensional)打印分别制作钻模套和个性化基板,将系列化、标准化的钻模套与不同的个性化基板进行组装形成可重构钻削导板。最后,利用3D打印制作下颌骨实体模型,将不同的钻削导板佩戴在相应的下颌骨模型上,并在模型上实施种植术,通过虚拟种植体和实际种植体位置、方向的对比分析可重构钻削导板的导向精度。研究表明,提出的钻模套可用于不同的个性化基板形成可重构钻削导板,节约医用材料的同时,又能满足种植体位置的精度要求。本文所开展的工作有利于皮质骨准静态力学性能参数的精确标定,骨屑堵塞临界深度模型和可重构钻削导板不仅可以有效地控制骨钻削过程中的骨屑堵塞,而且能满足种植体的植入精度要求,有利于提高种植义齿修复的成功率。因此,本研究具有重要的理论意义和临床应用价值。


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