下頜骨材質(zhì)仿真度對(duì)牙種植體有限元分析的影響.pdf

1、有限元分析已廣泛地應(yīng)用于種植牙的生物力學(xué)研究。但是，大多數(shù)研究是建立在簡(jiǎn)化的各向同性下頜骨模型上，極少數(shù)建立各向異性模型。而下頜骨是一種多相的、非均質(zhì)的、多孔性、正交各向異性的復(fù)合材料。生物力學(xué)模型的仿真度會(huì)明顯影響有限元計(jì)算的結(jié)果。本研究將基于多模態(tài)數(shù)據(jù)建立高度仿真的完全正交各向異性的下頜骨三維有限元模型（包括高精度牙冠和牙根形態(tài)的完整牙列、牙周膜及顳下頜關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和主要咀嚼肌群）;系統(tǒng)地比較分析頜骨材質(zhì)的仿真度（正交各向異性、橫觀各向

2、同性和各向同性）對(duì)種植牙有限元分析的影響;并且利用顯微CT掃描建立骨小梁微結(jié)構(gòu)的下頜骨三維有限元模型，比較分析骨小梁結(jié)構(gòu)建模對(duì)種植體骨界面力學(xué)特性分布的影響。
　　第一部分全牙列高仿真正交各向異性下頜骨三維有限模型的建立
　　目的:
　　建立全牙列高仿真的正交各向異性下頜骨三維有限元模型，為有限元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性提供了充分的保證。
　　材料和方法:
　　選取1名牙列完整的健康男性志愿者，采用螺旋CT和MR掃

3、描下頜骨并以DICOM數(shù)據(jù)保存。將DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，再結(jié)合口腔專用CT掃描的全牙列標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，用自主開發(fā)的通用外科手術(shù)集成系統(tǒng)(Universal Surgical IntegrationSystem，USIS)將三組數(shù)據(jù)配準(zhǔn)與融合，最后集成包括皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨，牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)、牙周膜、顳下頜關(guān)節(jié)盤、髁突軟骨、顳頜關(guān)節(jié)窩和關(guān)節(jié)窩軟骨的實(shí)體模型。根據(jù)帶全牙列下頜骨的形態(tài)結(jié)構(gòu)和正交各向異性材質(zhì)主方向的特點(diǎn)，進(jìn)行網(wǎng)格單元?jiǎng)澐郑⒛M咀嚼肌

4、加載，建立完全正交各向異性的下頜骨三維有限元模型。
　　結(jié)果:
　　建立的下頜骨三維有限元模型包含顳頜關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及關(guān)節(jié)盤、高精度的全牙列結(jié)構(gòu)形態(tài)，網(wǎng)格單元形狀規(guī)則，疏密可控，較密的網(wǎng)格單元分布在顳頜關(guān)節(jié)接觸區(qū)和牙冠牙根等力學(xué)集中區(qū)域。對(duì)于頜骨的骨皮質(zhì)和骨松質(zhì)區(qū)域，每個(gè)局部點(diǎn)材質(zhì)坐標(biāo)系都用三個(gè)正交的主方向確定，每個(gè)單元有過(guò)渡光滑的局部正交各向異性材質(zhì)坐標(biāo)系方向。完整的下頜骨三維有限元模型總共包括497127個(gè)節(jié)點(diǎn)，334781個(gè)

5、四面體網(wǎng)格單元，其中包括40928個(gè)膜單元。
　　結(jié)論:
　　本實(shí)驗(yàn)建立的全牙列正交各向異性下頜骨三維有限元模型，具有很高的生物仿真度，幾何相似性和力學(xué)相似性極高，為種植牙有限元分析提供了良好的基礎(chǔ)。
　　第二部分下頜骨各向異性材質(zhì)建模對(duì)牙種植體有限元分析的影響
　　目的:
　　比較分析正交各向異性、橫觀各向同性與各向同性下頜骨有限元模型對(duì)種植牙有限元分析結(jié)果的影響。
　　材料和方法:
　　在U

6、SIS軟件中，建立包含顳頜關(guān)節(jié)的全牙列完整下頜骨模型同第一部分。利用光學(xué)投影儀和CATIAV軟件對(duì)Straumann螺紋種植體和基臺(tái)進(jìn)行精確三維建模，并植入于下頜骨第一磨牙區(qū)。最后分別建成包含種植體的正交各向異性、橫觀各向同性和各向同性的下頜骨三維有限元模型，導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行有限元計(jì)算。正交各向異性用9個(gè)獨(dú)立的力學(xué)參數(shù)來(lái)確定，即每個(gè)局部點(diǎn)材質(zhì)坐標(biāo)系必須三個(gè)正交的主方向確定;橫觀各向同性由等效各向異性推導(dǎo)出5個(gè)獨(dú)立的力學(xué)參數(shù)來(lái)描述，

7、存在一條對(duì)稱軸，而在垂直于對(duì)稱軸方向的平面上所有方向都是等效方向;各向同性用2個(gè)獨(dú)立的力學(xué)參數(shù)來(lái)描述。
　　結(jié)果:
　　從各向同性到橫觀各向同性和正交各向異性模型，皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、種植體、牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)和牙周膜等的應(yīng)力值幾乎都以遞增為主，但種植體、基臺(tái)、牙冠、釉質(zhì)、牙本質(zhì)和牙周膜等的應(yīng)力值差別不明顯。與各向同性模型相比，下頜骨正交各向異性模型中種植體骨界面的應(yīng)力應(yīng)變值幾乎都增加，尤其以松質(zhì)骨應(yīng)力應(yīng)變最大值增加最為顯著，多則以

8、成倍增加;但正交各向異性模型下頜骨的應(yīng)力應(yīng)變分布似乎較均勻，各向同性模型的應(yīng)力應(yīng)變集中較明顯。
　　結(jié)論:
　　種植牙有限元分析時(shí)，下頜骨正交各向異性模擬會(huì)明顯影響種植體骨界面應(yīng)力和應(yīng)變的分布，并以增加為主，尤其是松質(zhì)骨。我們?cè)诜N植牙生物力學(xué)研究中不可忽視下頜骨正交各向異性的力學(xué)特性。
　　第三部分骨小梁微結(jié)構(gòu)建模對(duì)牙種植體有限元分析的影響
　　目的:
　　利用顯微CT掃描建立含種植體的骨小梁微結(jié)構(gòu)下頜骨三

9、維有限元模型，比較分析骨小梁微結(jié)構(gòu)建模對(duì)種植體骨界面力學(xué)特性分布的影響。
　　材料和方法:
　　拔除健康成年比格犬下頜第三、四前磨牙，術(shù)后3月在骨愈合后的牙槽骨植入種植體。植入3月后取含種植體的下頜骨標(biāo)本，分別用Micro-CT和CBCT掃描，并用USIS軟件建立含種植體的骨小梁微結(jié)構(gòu)下頜骨三維有限元模型（精確模型）和宏觀結(jié)構(gòu)下頜骨三維有限元模型（簡(jiǎn)化模型）。最后導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行有限元計(jì)算，種植體垂直加載50N。

10、>　　結(jié)果:
　　考慮骨小梁結(jié)構(gòu)時(shí)種植體骨界面應(yīng)力最大值和平均值都顯著增大，應(yīng)變最大值和平均值都明顯減小;等效應(yīng)力最大值和平均值分別是簡(jiǎn)化模型的2.6-3.1倍和2.3-3.2倍，而等效應(yīng)變最大值和平均值分別是簡(jiǎn)化模型的47％-58％和20％-22％。簡(jiǎn)化模型中種植體骨界面應(yīng)力應(yīng)變集中較明顯，應(yīng)力集中于頸部，應(yīng)變集中于螺紋部位和底部的松質(zhì)骨;而骨小梁結(jié)構(gòu)的精確模型中種植體骨界面等效應(yīng)力應(yīng)變集中不明顯、分布較均勻，應(yīng)力應(yīng)變都主要集中