牙种植体扭转振动模态及其影响因素的三维有限元研究

【摘要】：研究背景:进入二十一世纪以来,由于对Br(a|°) nemark提出的骨结合理论的理解不断深入,人们开始寻求通过改变种植体设计、种植体表面改性、改变手术方式等方法加快种植体的骨愈合进程和提高骨结合率,对此目标的追求反映在最终目的上是缩短治疗周期,提高种植体与骨组织的结合强度,增加它的稳定性和支撑上部结构的能力。因此,针对骨结合强度的测量就成为骨结合研究的一项重要内容,而牙种植体稳定性正是间接反映骨结合强度的评价指标。随着技术的不断发展,出现了许多评价种植体骨结合的方法,常用的有:组织学分析、叩击试验、X线片分析、旋入扭矩分析、旋出扭矩试验,以及振动分析法、Periotest法等。由于这些方法受到客观性和重复性差、影响因素多、具有侵扰性以及不能连续测量等限制,现阶段一个主要研究目的是寻找一种非侵扰性的、能够客观反映种植体骨结合过程的评价方法。近年来,共振频率分析法(Resonance Frequency Analysis, RFA)逐渐成为临床常用的理想的评价种植体稳定性方法,用来间接反映种植体骨结合强度,具有无侵扰性、可连续测量等优点。目前关于牙种植体共振频率研究以及临床使用的仪器(以Osstell~(TM)为代表)是以种植体的弯曲振动模态为基础,此模态下的共振频率主要揭示了种植体植入后的骨结合强度和种植体周围骨质的力学性能。但是存在许多影响因素,例如种植体的硬度、种植体周围骨组织和种植体-骨界面的刚性、有效种植体长度、换能器变幅杆的设计等。尽管弯曲振动模态在种植体或颌骨发生振动时容易在振动模态等高线图中被区分,但是由于受到众多因素的影响,导致该模态共振频率对骨结合界面中新骨形成与改建的变化不敏感,不能客观和准确地反映出种植体骨界面的骨愈合过程和骨结合水平。而另一种振动模态形式---扭转振动模态则可能揭示了种植体骨接触间的剪切刚度和骨结合水平。目前尚未见到关于牙种植体扭转振动模态及其共振频率与骨结合之间关系的研究报道。 目的:本实验旨在利用三维有限元分析方法,通过改变换能器变幅杆设计将扭转振动模态转化为主要振动模态为目的,利用三维有限元分析方法研究扭转振动模态下牙种植体共振频率与有效振动长度、颌骨质量类型、种植体骨愈合进程等因素之间的关系,初步揭示牙种植体扭转振动共振频率的影响因素,及其与种植体骨结合敏感性之间的相关关系,为进一步研究激励牙种植体扭转振动模态理想的换能器变幅杆设计及建立种植体骨结合水平理想的临床评价新方法奠定理论和技术基础。 方法:(1)建立三维几何模型:采用CAD/CAM软件绘制出下颌骨骨块三维几何模型、含螺纹牙种植体三维几何模型,设计并建立换能器变幅杆三维几何模型。(2)建立三维有限元模型:将生成的骨块、种植体、换能器模型文件导入ANSYS Workbench软件,将三个模型装配成骨-种植体-换能器系统,分元及设定材料力学参数,假设实验条件和边界条件,建立三维有限元模型。实验研究因素为:换能器变幅杆厚度、有效振动长度、颌骨质量类型、骨结合程度。(3)模态分析:采用变幅杆设计及厚度变化确定的扭转振动为主模态的有限元模型,在不同实验研究条件下对整个系统有限元模型进行模态分析,得出相应模态分布及共振频率。(4)分析和描述不同条件下有限元模型的扭转振动模态及其共振频率变化,根据相应变化规律,总结得出结论。 结果:(1)建立了双侧水平式换能器变幅杆-种植体-骨系统三维有限元模型,模拟不同变幅杆厚度对整个系统模态分布及共振频率的影响,结果显示换能器变幅杆厚度1.2mm时,主要振动模态为一阶XZ平面内弯曲振动;厚度0.9mm、1.0mm、1.1mm时,主要振动模态为沿Z轴的扭转振动。1.0mm厚度时,主要振动模态?1的共振频率与?2弯曲振动模态共振频率相差5.9%;而0.9mm和1.1mm厚度时,主要振动模态?1的共振频率与?2弯曲振动模态共振频率差别分别为5%、1.2%。因此,变幅杆厚度为1.0mm时,其模型的主要振动模态为扭转振动模态,并且具有较好的模态区分度。(2)模拟不同颌骨质量类型及不同有效振动长度对扭转振动模态共振频率的影响,当颌骨质量类型从Ⅰ类骨变为Ⅳ类骨时,骨-种植体-换能器系统的扭转振动模态共振频率值轻度下降,与Ⅰ类骨相比,Ⅱ类骨模型的共振频率下降约0.9%,Ⅲ类骨共振频率下降约1.5%,Ⅳ类骨共振频率下降约4%。随着有效振动长度的增加,骨-种植体-换能器系统的扭转振动模态共振频率值轻度下降,与2.8mm相比,3.8mm高度种植体的共振频率下降约2%,4.8mm高度种植体的共振频率下降约3.9%。(3)骨愈合过程中骨界面皮质骨弹性模量由0.1GPa增加到10GPa,松质骨弹性模量由0.05GPa增加到0.25GPa时,Ⅰ类骨扭转振动共振频率增加21.9%,Ⅱ类骨扭转振动共振频率增加35.4%,Ⅲ类骨扭转振动共振频率增加36.9%,Ⅳ类骨扭转振动共振频率增加36.3%。随骨结合程度进展,四个模型的扭转振动模态共振频率都呈增加趋势,且较低弹性模量下共振频率增加更为敏感,骨质类型疏松模型的扭转振动共振频率增加幅度较大,但趋势较为平缓。 结论:变幅杆形状设计能影响骨-种植体-换能器系统振动模态的分布,而双侧水平式换能器变幅杆可以有效地将整个系统的扭转振动模态转化为主要振动模态,适当的变幅杆厚度(1.0mm)为模拟扭转振动主模态和较好模态区分度的实现提供了有力依据,在此模型下有效振动长度、颌骨质量类型对骨-种植体-换能器系统扭转振动模态共振频率值仅呈现出轻度影响,此模型下的扭转振动模态共振频率可以较好的反映骨愈合过程中种植体-骨界面层的生物力学特性,对种植体骨界面刚性强度的变化更加敏感。