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咬合因素对牙体、牙周及颞下颌关节应力影响的有限元分析

张晗  
【摘要】:颞下颌关节(temporomandibular joint,TMJ)是负重关节,承担咬合时咀嚼肌收缩产生的力的作用,与咬合功能关系密切,因此研究颞下颌关节的生物力学特性对口腔临床诊疗活动有重要的意义。本实验对一名成年男性志愿者作头颅CT扫描,建立右下颌第一磨牙的三维有限元模型和含有双侧髁突(包括髁突软骨和软骨下骨)、下颌骨及下牙列在内的三维有限元模型,并模拟不同咬合加载设计,得到牙体、牙周及双侧颞下颌关节在模拟咬合时的应力分布情况,进一步分析了不同加载特征对牙体、牙周及双侧髁突应力的影响规律。实验分为三部分:第一部分颞下颌关节及下颌骨三维有限元模型的建立依据CT影像数据,重建出包括牙釉质、牙本质、牙骨质、牙髓、牙周膜在内的下颌第一磨牙的3D模型,以及包括上述牙结构特征在内的下牙列、下颌骨、髁突骨与软骨的3D模型。将所建的3D模型输入逆向工程软件NX Image ware13.2中进行处理后,输入三维CAD软件Solidworks2015组合装配。最后将装配体模型导入三维有限元软件ANSYS Workbench16.0中建立三维有限元模型。第二部分特定加载工况下双侧髁突的应力用实验一中所建双侧颞下颌关节及下颌骨模型,选取右侧下颌41切端中点、43牙尖、44颊尖、46和48的中央窝等位置作为加载位点,加载平行于牙长轴和与牙体长轴呈30度的不同方向的模拟咬合力,研究双侧髁突应力。结果显示,所设计的各种工况均表现为髁突前斜面应力集中面积大于后斜面,顶部内外两极部位较少出现应力集中。加载牙位不同,会影响髁突软骨最大应力的左右侧分布及最大应力值大小。髁突软骨对后牙区的颊舌向加载变化更敏感,对前牙区的近远中向加载变化更敏感。第三部分特定加载工况下右下颌第一磨牙牙体和牙周应力研究用实验一中所建的右侧下颌第一磨牙模型,选取牙合面5个牙尖顶、5个三角嵴中点、3个牙窝底、2个边缘嵴中点、舌侧缘点舌沟点及舌沟中点等位置作为加载位点,在各位点上分别进行与牙长轴平行以及与牙长轴呈30度夹角的9种加载,以及不同组合加载,观察分析:(1)垂直方向加力时,同一加载点集中和分散加力时牙体牙周应力值和应力集中面积的特征;(2)同一加载点9个方向加载的应力分布规律;(3)不同加载点垂直加载的应力分布规律;(4)不同加载点之间倾斜加载应力分布规律;(5)每种工况下牙体、牙周内外侧应力分布规律;(6)不同组合加载牙体、牙周的应力分布规律。得到如下结果:1、单点加载时:(1)面积:垂直方向加载,加载点面积越大,牙体最大应力值越小,而牙周最大应力值则较少受到加载面积大小的影响,加载面积大小不改变牙体牙周应力集中规律。(2)方向:同一加载点不同方向加载时,加载方向指向牙合面中心的工况下,牙体牙周应力集中面积较小,相反,加载方向远离牙合面中心的工况下,牙体牙周应力集中面积较大。(3)部位:垂直向在各加载点加载时,在远颊尖顶加载工况下,牙周最大应力值最小,在远舌尖顶加载工况下,牙周最大应力值最大,在中央窝底加载工况下,牙体牙周应力集中面积最小。(4)内外侧应力:同一工况下,牙本质内应力集中面积及应力值均明显小于釉质内应力;牙周膜外表面比内表面的应力集中面积略小,应力值无明显差异。牙体应力由外表面向髓腔方向递减,极少到达髓腔。(5)牙周最大应力值出现位置:加载点位于牙合面近中1/3的工况,牙周最大应力值位于近中牙颈部牙周膜,其余工况下,牙周最大应力值位于远中根尖区牙周膜。2、多点加载时可通过计算各加载点的合力作用点,获得最终合力点的位置信息,通过对多点加载工况的有限元分析,得到牙体、牙周应力分布结果。此结果与单点加载结果相似:(1)合力:不同位点垂直向组合加载时,可以找到一个合力,在此位置单点加载工况的结果与多点组合加载结果极其相似,合力点位置对牙体牙周应力集中范围和牙周应力值有影响。(2)部位:合力点位置位于远颊尖区的工况,牙周最大应力值较小,合力点位于牙合面中心的工况,牙体牙周应力集中面积较小。(3)内外侧应力:同一工况下,牙本质内应力集中面积及应力值均明显小于釉质内应力;牙周膜外表面比内表面的应力集中面积略小,应力值无明显差异。牙体应力由外表面向髓腔方向递减,极少到达髓腔。(4)牙周最大应力值出现位置:合力点位于牙合面近中1/3的工况,牙周最大应力值位于近中牙颈部牙周膜,其余工况下,牙周最大应力值位于远中根尖区牙周膜。因此,本研究得到如下结论:(1)咬合接触部位和咬合力方向对牙体、牙周、髁突软骨及髁突骨性结构的应力都有明显影响。(2)牙体外表面应力集中多出现在加载部位和根分叉区域,且应力值及应力集中面积均由外表面向髓腔方向递减,极少到达髓腔;牙周应力内表面多集中在两个根根尖1/3区,外表面多出现根分叉区域,且内表面的应力集中面积较外表面大,内外侧应力值差异较小;髁突应力集中多出现在前斜面,髁突顶的内、外两极部位较少出现应力集中。(3)牙体应力对加载面积大小、加载部位和加载方向的变化比较敏感,牙周应力对加载部位以及加载方向的变化比较敏感,髁突软骨对后牙区的颊舌向加载变化和前牙区的近远中向加载变化更敏感。髁突骨性结构对加载牙位和加载方向较敏感。


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