正畸微種植體優(yōu)化設(shè)計的三維有限元分析.pdf

1、支抗(Anchorage)控制是正畸治療成敗的關(guān)鍵問題之一，是對移動矯治牙齒引起的反作用力的支持。對于正畸臨床的一些疑難病例，傳統(tǒng)的常規(guī)支抗并不能滿足治療需要。長期以來，正畸醫(yī)師都在尋找一種美觀、舒適、經(jīng)濟、安全、穩(wěn)定而可靠、不需要患者合作的支抗。近些年來，許多正畸臨床醫(yī)生不斷的嘗試各種不同的種植體，利用種植體提供的穩(wěn)定支抗，成功治療了臨床疑難病例，為正畸治療方案的設(shè)計開創(chuàng)了新思路。絕對支抗－種植體的應(yīng)用給正畸矯治的設(shè)計、技術(shù)帶來了革命

2、性的改變。微種植體現(xiàn)已成功應(yīng)用于臨床[1，2]，因其體積小、植入部位靈活、術(shù)式簡單、創(chuàng)傷小、價格便宜、療程短而易被臨床醫(yī)生和患者所接受，成為當(dāng)前國內(nèi)、外正畸學(xué)者基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用的一個熱點，但現(xiàn)階段尚存在穩(wěn)定性和脫落率的問題，影響了它的普及應(yīng)用。
　　目前，國內(nèi)外的學(xué)者在這些領(lǐng)域里進行了大量的研究，但針對微種植體的生物力學(xué)傳遞特性三維有限元的研究多為長度、直徑等離散的或單因素的比較分析，不能真實反映微種植體各參數(shù)相互之間對頜骨生物

3、力學(xué)的影響。而利用三維有限元法模擬不同骨質(zhì)量（骨皮質(zhì)的厚度和骨的密度）對微種植體－骨界面應(yīng)力分布的影響未見報道。隨著CAD/CAE技術(shù)的快速發(fā)展，為模擬和分析真實形態(tài)的微種植體注入了新的活力。本研究基于CAD/CAE軟件的自適應(yīng)和無縫參數(shù)傳遞功能，為臨床微種植體多參數(shù)的生物力學(xué)分析提供了一種全新的平臺。
　　本課題通過采用Ansys Workbench和Pro/E軟件，應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計的方法，從生物力學(xué)角度著手，模擬加載正畸力情況下下

4、頜骨的正畸微種植體的宏觀結(jié)構(gòu)（直徑、長度、連接體高度）進行系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計分析，并首次進行不同骨質(zhì)量（骨皮質(zhì)的厚度和骨的密度）對微種植體－骨界面應(yīng)力分布影響的研究。為微種植體的設(shè)計參數(shù)提供參考，同時為正畸醫(yī)生選擇合適的微種植體提供理論參考。
　　實驗一：應(yīng)用Pro/E建立參數(shù)化實體模型，包括微種植體、皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨（種植體參數(shù)由西安中邦?公司提供）。應(yīng)用Pro/E與AnsysWorkbench軟件的無縫雙向參數(shù)傳遞功能，將實體模型導(dǎo)

5、入Ansys Workbench軟件中劃分單元，建立可隨種植體宏觀結(jié)構(gòu)參數(shù)自適應(yīng)改變的微種植體骨塊三維有限元模型，力學(xué)加載后進行模型準確性的檢測。該模型為后期的正畸微種植體優(yōu)化設(shè)計提供了技術(shù)平臺。
　　實驗二：設(shè)定微種植體直徑(D)和長度(L)為設(shè)計變量，D變化范圍為0.8－2.0mm，L變化范圍為5.0－13.0mm，于微種植體的連接體部加載與種植體長軸呈90°的側(cè)方力2N。設(shè)定頜骨平均主應(yīng)力峰值（MaxEQVStress）和微

6、種植體位移峰值（Max Displacement）為目標函數(shù)，觀察目標函數(shù)隨設(shè)計變量變化的改變情況。并進行敏感度分析。結(jié)果顯示，隨著直徑和長度的增加，皮、松質(zhì)骨的EQV應(yīng)力峰值分別降低58.0％和28.8％，微種植體位移峰值下降18.7％；目標函數(shù)隨著D的增加應(yīng)力變化呈下降趨勢，但D大于1.2mm以后，皮質(zhì)骨應(yīng)力下降不明顯；L對應(yīng)力的影響受D的制約，當(dāng)D小于1.4mm時，頜骨應(yīng)力隨L的增加應(yīng)力變化呈上升趨勢，當(dāng)D大于1.4mm時，頜骨應(yīng)

7、力隨L的增加應(yīng)力變化呈下降趨勢，但當(dāng)L大于8.6mm以后，皮質(zhì)骨應(yīng)力和微種植體位移隨其增加應(yīng)力變化不明顯。敏感度分析顯示，直徑較長度對目標函數(shù)的影響更顯著。結(jié)果顯示，微種植體的穩(wěn)定性和頜骨的應(yīng)力主要受直徑影響；臨床使用微種植體時，應(yīng)選擇直徑應(yīng)≥1.4mm和長度≥9.0mm的微種植體。
　　實驗三：設(shè)定微種植體的正畸連接體高度(H)為設(shè)計變量，H變化范圍為2.0－6.0mm，設(shè)定微種植體的骨內(nèi)長度為9.0mm，直徑1.4mm。微種植

8、體加力大小、方式和目標函數(shù)設(shè)定同實驗二。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，正畸連接體高度為3mm時皮質(zhì)骨應(yīng)力的最?。浑S著正畸連接體高度的增加松質(zhì)骨應(yīng)力和微種植體位移呈上升趨勢。結(jié)果提示，推薦臨床選擇正畸連接體高度為3mm的微種植體。
　　實驗四：設(shè)定皮質(zhì)骨厚度(T)和松質(zhì)骨彈性模量(E)為變量，T的變化范圍為0.5mm-5mm，E的變化范圍為500MPa-3,000MPa，微種植體加力大小、方式和目標函數(shù)設(shè)定同實驗二。隨著T和E的增加，皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨EQ

9、V應(yīng)力峰值分別下降46.5％和98.8％，微種植體位移峰值下降70.2％。目標函數(shù)隨著T的增加呈下降趨勢，最佳取值范圍為T≥2.1mm；皮質(zhì)骨EQV應(yīng)力峰值及微種植體位移峰值隨E的增加而減小，最佳取值范圍為E≥1692MPa，松質(zhì)骨EQV應(yīng)力峰值隨E的增加而增大。敏感度分析結(jié)果顯示，目標函數(shù)對T的敏感度大于E。結(jié)果說明，下頜皮質(zhì)骨厚度≥2.1mm，松質(zhì)骨彈性模量≥1692MPa的病人，植入微種植體后，微種植體-骨界面應(yīng)力較小，微種植體穩(wěn)