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颅面复合体三维有限元模型的建立及上颌前牵引的生物力学研究

张彤  
【摘要】: 建立完整的、较精确的包括颅面部所有22块骨骼、牙齿、颞下颌关节在内的人颅面复合体三维有限元模型,是制约颅面部生物力学研究发展的难题。安氏Ⅲ类错(牙合)是口腔临床常见病,治疗伴有上颌发育不足的安氏Ⅲ类错(牙合)最有效的方法之一是前方牵引。目前从生物力学角度对其进行较为细致和全面的研究少有报道。本研究从建立颅面复合体有限元模型的精度和速度出发,分析比较了不同建模方法的优缺点,建立了较理想的颅面复合体三维几何模型和三维有限元模型。同时在自主建立的颅面复合体三维有限元模型基础上,探讨了不同大小和方向的前牵引力对整个颅面复合体的应力、应变和位移变化规律,以期达到为临床力系统选择提供科学依据的目的。 本研究分两部分: 第一部分建模方法的探讨 目的:探讨利用螺旋CT原始DICOM数据,建立颅面复合体三维有限元模型的方法;建立具有良好生物力学特性的颅面复合体三维有限元模型。 方法:1.采用薄层螺旋CT扫描获取颅面复合体二维图像原始DICOM数据。2.分别利用自编程序、ANSYS和Solidworks软件组合;Mimics和HyperMesh软件组合;Mimics和MSC.Marc软件组合三种建模方法,直接在原始数据基础上,建立颅面复合体三维有限元模型,分析比较不同建模方法的优缺点。 结果:1.获得精确细致的颅面复合体三维几何模型。2.建立了同一安氏Ⅲ类错(牙合)患者不同的颅面复合体三维有限元模型,网格划分准确合理;与重建生物模型的形态相似性好;模型适用性强;力学特性体现准确性高。 结论:1.应用螺旋CT断层扫描原始DICOM数据、自编程序、ANSYS和Solidworks软件相结合的方法,建立颅面复合体三维几何模型是目前精度最高的方法之一,但现阶段整体用于三维有限元分析较难实现,只能分段进行研究。2.利用原始DICOM数据,Mimics和HyperMesh软件组合建立颅面复合体三维有限元模型是目前最快捷的方法,开发前景广阔。3.利用原始DICOM数据,Mimics和MSC.Marc软件组合,建立了包含骨缝的颅面复合体三维有限元模型,为前牵引上颌生物力学研究提供可靠、便捷的模型基础。 第二部分上颌前牵引的三维有限元研究 目的:探讨不同大小和方向的前牵引力对整个颅面复合体的应力、应变和位移变化规律,以达到为临床力系统的选择提供科学依据的目的。 方法:在实验四建立的有限元模型基础上,利用MSC.Marc软件模拟上颌前牵引的边界条件,分析比较了不同大小和方向前牵引力对颅面复合体的影响,计算320种工况下模型每个节点应力、应变和位移的数据。比较分析并绘制各种折线图、应力、应变及位移分布云图等。 结果:1.前牵引上颌角度较小时,整个上颌骨应力分布较均匀;而当前下与功能(牙合)平面角度大于40°后,在上颌易造成应力集中区。2.在有效范围内,选择较大的角度有利于上颌骨的前移。3.牵引力为400g/侧,牵引方向为前下20°-25°之间,腭平面近似平动不旋转。4.施力方向在前下0°到40°,上颌腭部整体有压缩变窄的现象,以腭前部最为显著。随角度增大这种缩窄的变化趋势逐渐减弱。5.相同方向不同力值的牵引力在不同大小区间,其效应的变化规律不同。6.以额、颏为抗基前牵引上颌,下颌骨整体向下向后旋转,其拉、压应力并存,髁突颈部受力最大。 结论:1.前牵引上颌力的方向应在向前下与功能(牙合)平面成10°-30°的范围内,在此范围内选择较大的角度有利于上颌骨的前移。2.当牵引力角度增大时,牵引力力值的选择要慎重,角度大于40°时,避免选择超过800g/侧的前牵引力。3.牵引力为400g/侧,牵引方向在前下20°-25°之间,上颌骨近似平移。4.前牵引上颌对腭中缝产生压力,上腭有压缩变窄的趋势,但不足以证明其效应必须联合扩弓治疗。5.以额、颏为抗基前牵引上颌,下颌将发生顺时针旋转,下颌生长方向有发生改变的趋势,下颌主要受到抑制增长因素的作用。


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