發(fā)布時(shí)間：2021-04-27所屬分類：經(jīng)濟(jì)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：采用有限元分析法探討了兩段式種植體在下頜骨實(shí)體模型中受咀嚼力的生物力學(xué)特性.使用Mimics軟件對(duì)下頜骨(無牙列)CBCT圖像進(jìn)行逆向建模，對(duì)建立的三維實(shí)體模型應(yīng)用Geomagic軟件進(jìn)行優(yōu)化;使用SolidWorks建立兩段式種植體三維實(shí)體模型;利用Hypermesh軟件
摘要：采用有限元分析法探討了兩段式種植體在下頜骨實(shí)體模型中受咀嚼力的生物力學(xué)特性.使用Mimics軟件對(duì)下頜骨(無牙列)CBCT圖像進(jìn)行逆向建模，對(duì)建立的三維實(shí)體模型應(yīng)用Geomagic軟件進(jìn)行優(yōu)化;使用SolidWorks建立兩段式種植體三維實(shí)體模型;利用Hypermesh軟件對(duì)有限元模型設(shè)置材料屬性、劃分網(wǎng)格、定義約束和接觸、施加載荷;在Abaqus軟件中分析兩段式種植體在兩種不同咬合力作用下的應(yīng)力分布，探究了兩段式種植體的生物力學(xué)特性.研究結(jié)果表明，兩段式種植體在咀嚼力的作用下具有良好的力學(xué)特性，但種植體頂部受力過大，建議加強(qiáng)此處的材料強(qiáng)度，并在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化.
關(guān)鍵詞：種植體;三維建模;有限元分析;生物力學(xué)
作為缺牙修復(fù)的一種先進(jìn)技術(shù)，口腔種植術(shù)目前已在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，它通過將種植體植入至頜骨中，使人工牙根的功能被種植體取代，最終使牙齒缺失得以修復(fù)[1-2].近年來，種植體的結(jié)構(gòu)不斷推陳出新，但頜骨中的種植體是否能夠承擔(dān)咀嚼的工作需要進(jìn)一步探究.對(duì)種植體進(jìn)行生物力學(xué)的有限元分析可以解決人體試驗(yàn)帶來的弊端[3]，而模型的還原度是有限元分析準(zhǔn)確性的關(guān)鍵指標(biāo)[4].當(dāng)前，對(duì)兩段式種植體并未有相關(guān)學(xué)者做出高還原度的裝配模型來進(jìn)行分析，其生物力學(xué)特性有待進(jìn)一步探究.本文建立了兩段式種植體和下頜骨三維有限元實(shí)體模型，并對(duì)兩段式種植體在不同咬合力作用下的生物力學(xué)特性進(jìn)行了分析.
1三維實(shí)體模型的建立
針對(duì)下頜骨模型不規(guī)則且突觸較多的特點(diǎn)，參考種植體與下頜骨的結(jié)合方式，對(duì)兩段式種植體采用SolidWorks正向建模，下頜骨則采用錐形束CT所掃描圖像，即CBCT圖片進(jìn)行逆向建模，并對(duì)逆向建模的圖1種植體模型與原物對(duì)比下頜骨進(jìn)行進(jìn)一步的修復(fù)，最終建立了兩段式種植體與人體下頜骨(無牙列)三維實(shí)體模型.
1.1zimmer種植體實(shí)體模型的建立
運(yùn)用SolidWorks建模軟件建立種植體三維實(shí)體模型.種植體總長(zhǎng)25mm，其中基臺(tái)長(zhǎng)9mm，固位體直徑3.3mm.兩段式種植體將與牙齦部分結(jié)合的固位體以及與人工牙冠結(jié)合的基臺(tái)分開，并通過中央螺絲鏈接.建立的種植體模型如圖1所示.人工牙冠只起到力的傳導(dǎo)作用，對(duì)種植體生物力學(xué)的影響不大，故省略.
1.2人體下頜骨(無牙列)三維實(shí)體模型的建立
下頜骨屬于人類頭骨，位于頭骨下部，對(duì)面部有支撐作用，其特點(diǎn)有：整體表面極為不規(guī)則、能活動(dòng)、突觸較多.模型的建立還需考慮位于下頜骨內(nèi)部的下頜神經(jīng)管，利用正向建模方法無法建立精確的三維模型，因此建立下頜骨模型時(shí)采用逆向建模的方法.
1.2.1樣本的選取
為保證所建立下頜骨模型的完整性，選取的樣本為無牙列患者的掃描圖片.在征求患者同意后，首先清理患者口腔，之后使用NewTomGiANO頭骨錐形束掃描系統(tǒng)對(duì)患者整個(gè)頭部進(jìn)行掃描，最終形成634張CBCT掃描斷層圖像，掃描的各項(xiàng)參數(shù)如表1所示.
1.2.2下頜骨模型的建立
將上述樣本導(dǎo)入至Mimics軟件中，導(dǎo)入圖像后，通過調(diào)節(jié)灰度值、去除圖像噪點(diǎn)等方法進(jìn)行圖像的增強(qiáng)處理，以確保能夠清晰觀察到骨組織.分析兩段式種植體在下頜骨中的受力情況，剪裁所建立的頭骨模型的下頜骨部分，以便后續(xù)進(jìn)行精準(zhǔn)優(yōu)化.
1.2.3模型的優(yōu)化
上述建立的頜骨模型為stl格式，需進(jìn)一步對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，將其導(dǎo)入到Geomagic軟件中，進(jìn)行光順處理，使模型表面更加平滑.處理前后的模型對(duì)比如圖2所示.將構(gòu)造形成的下頜骨三角面片格式更改為曲面片格式，通過構(gòu)造格柵、擬合曲面、偏差分析和曲面化對(duì)所產(chǎn)生的曲面進(jìn)行曲率檢測(cè)，并調(diào)整控制點(diǎn)使其更加光順.
1.3下頜骨種植體裝配模型的建立
網(wǎng)格的精細(xì)程度影響著有限元分析的準(zhǔn)確性，但對(duì)不規(guī)則的下頜骨全部進(jìn)行劃分會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)格過多的情況，致使計(jì)算量增大且容易出錯(cuò).為滿足網(wǎng)格的精細(xì)程度同時(shí)保證計(jì)算的準(zhǔn)確性和快速性，對(duì)制作的下頜骨模型進(jìn)行剪裁處理，僅保留與種植體結(jié)合的部分.種植體的固位體采用螺紋植入下頜骨中，因此進(jìn)行模型裝配時(shí)需使下頜骨模型中具有相應(yīng)的內(nèi)螺紋，而后再將兩段式種植體裝配好，種植體與下頜骨裝配模型如圖3所示.
2兩段式種植體的有限元分析
2.1定義材料屬性
頜骨部分由密質(zhì)骨和松質(zhì)骨組成，根據(jù)密質(zhì)骨和松質(zhì)骨的特性分別賦予不同的材料屬性.將頜骨模型分割為密質(zhì)骨(上部分)和松質(zhì)骨(下部分)，分割位置在距離頜骨模型上端2～3mm的部位.分割完畢后再進(jìn)行網(wǎng)格劃分.鈦合金是Zimmer種植體系統(tǒng)使用的材料，要求各項(xiàng)材料連續(xù)均勻且性質(zhì)相同.種植體及下頜骨的彈性模量、泊松比如表2所示[5].
2.2定義約束和接觸
利用Hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，使用者在咀嚼食物時(shí)，牙齒與食物之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，需要對(duì)頜骨加以固定和約束，進(jìn)而對(duì)種植體施加載荷.實(shí)際使用時(shí)，截?cái)嗟南骂M骨兩側(cè)會(huì)承受更多的力，因此需要在頜骨模型的兩側(cè)施加固定約束.
相關(guān)期刊推薦：《滄州師范學(xué)院學(xué)報(bào)》1985年創(chuàng)刊，是由中華人民共和國(guó)新聞出版總署、正式批準(zhǔn)公開發(fā)行的優(yōu)秀期刊。設(shè)有：專家特稿、綠色化學(xué)研究、數(shù)學(xué)研究、物理學(xué)研究、計(jì)算機(jī)科學(xué)研究、機(jī)電工程技術(shù)研究、生命科學(xué)研究、心理學(xué)研究、體育研究、武術(shù)與社會(huì)發(fā)展研究、教育教學(xué)研究等，其中武術(shù)與社會(huì)發(fā)展研究、綠色化學(xué)研究、哲學(xué)研究、政治學(xué)研究、漢語言文學(xué)研究、外國(guó)語研究、史學(xué)研究、法學(xué)研究、藝術(shù)研究、經(jīng)濟(jì)學(xué)研究、管理學(xué)研究、圖書情報(bào)研究、教育教學(xué)研究、滄州區(qū)域文化研究、馬克思主義理論研究、文科學(xué)術(shù)研究、理科學(xué)術(shù)研究等欄目。
兩段式種植體的中央螺絲與固位體螺紋連接處設(shè)置為摩擦接觸;基臺(tái)與中央螺絲頭部端面設(shè)置為剛體接觸;另外，由于中央螺絲螺紋體的非螺紋部分與基臺(tái)上的光孔之間，以及固位體末端與下頜骨之間存在空隙，可能出現(xiàn)形變，所以分別設(shè)置為可能接觸面和剛體接觸，其它設(shè)置與復(fù)合基臺(tái)種植體相同，具體情況如圖4所示.
2.3定義載荷
將上述軟件定義后的模型導(dǎo)入至Abaqus軟件，而后定義載荷，常態(tài)應(yīng)力是202.2N，分解為水平方向30N向上的力和垂直方向200N向下的力.最大咀嚼力是600.7N[6]，分解為垂直方向600N向上的力和水平方向30N向下的力.
3結(jié)果分析
由2.3定義荷載可知，咬合力為600.7N和202.2N.兩段式種植體在上述咬合力的作用下，整體及主要部分的應(yīng)力分布云圖分別如圖5至圖7所示;種植體各部分的最大應(yīng)力如表3所示.可以看出：在咬合力的作用下，基臺(tái)的底部是兩段式種植體受到最大應(yīng)力的位置，定義為種植體頸部.同時(shí)，種植體頸部也是種植體植入密質(zhì)骨的部位.該結(jié)論與其他學(xué)者的結(jié)論相同[7].
在202.2N力作用下，中央螺絲的受力分布會(huì)更加均勻;但是，隨著力的逐漸增大，可能會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問題，分別是：
(1)在600.7N的力作用下受力的位置主要集中在螺紋部位，容易出現(xiàn)兩段式種植體的螺紋松動(dòng);
(2)固位體所受的較大應(yīng)力集中在螺紋部位，同樣容易出現(xiàn)螺絲松動(dòng).在臨床上，上述兩個(gè)問題會(huì)造成種植體的損壞，表現(xiàn)為中央螺絲松動(dòng)或斷裂.因此，截取中央螺絲螺紋部位的上、中、下三點(diǎn)和固位體螺紋部位的上、中、下三點(diǎn)，對(duì)其應(yīng)力進(jìn)行重點(diǎn)分析，位置選擇如圖8、圖9所示，所得結(jié)果如表4所示.
由表4可以看出，兩段式種植體在合力為202.2N的咀嚼力(即正常咀嚼力)的作用下，中央螺絲螺紋上端會(huì)出現(xiàn)最大應(yīng)力，且自上而下依次遞減，詳情參照?qǐng)D5至圖9.Von-Mises應(yīng)力值在合力為202.2N的條件下比在合力為600.7N的條件下大，螺紋處的應(yīng)力自上而下呈現(xiàn)無規(guī)則的增加.固位體載荷202.2N和載荷600.7N時(shí)，螺紋中部應(yīng)力值較小，自中部向底部和頂部逐漸增加，也就是說，螺紋頂部和底部的Von-Mises應(yīng)力值較大.
4、結(jié)束語
從仿真結(jié)果來看，在受較大的咬合力的條件下，中央螺絲受力分布均勻，但在正常咀嚼食物時(shí)(咀嚼力在200N左右)，頂部受力較大，建議加強(qiáng)此處的材料強(qiáng)度，并在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化.固位體在兩種環(huán)境中受力均比較均勻.整體上看，兩段式種植體在不同載荷條件下均體現(xiàn)了較好的力學(xué)特性.——論文作者：張浩1，徐婧涵2
