前牙牙槽骨功能性改建过程的数值模拟

发布时间：2020-03-22 17:10

【摘要】：牙槽骨是全身骨骼中代谢最活跃的骨组织，牙周病和生理性退缩等原因都会造成牙槽骨高度的降低、密度的改变和牙周膜附着高度的丧失，从而使牙周支持组织在咬合力作用下的改建过程发生变化。牙槽骨内存在一些感受器能够感受外部施加的机械刺激从而活化相关骨细胞，引起骨的吸收或形成，这一过程称为骨的改建。骨改建主要表现为骨密度的增减和骨形态的改变。 关于牙槽骨改建的研究，分子生物学和临床实验研究可以揭示改建的机理及规律，但均难以定量表述和预测骨改建过程和结果。而通过建立包含牙周组织形态和密度信息的模型，利用数值模拟改建过程，可以依据牙槽骨密度与形态的变化定量表述改建过程并预测牙槽骨可能的改建结果，为临床牙周病的诊断和治疗提供参考依据。 本研究建立包含上颌中切牙与牙周组织形态结构和组织密度信息的三维有限元模型。探索将组织改建理论与有限元方法加以结合，依据应变能密度的骨改建理论，在开发有限元分析软件ABAQUS中的用户材料子程序（UMAT，The user material subroutine）和仿真软件MATLAB工具箱基础上，建立了上颌中切牙牙槽骨组织功能性改建过程的改建模型，分析不同咬合力对上颌中切牙牙槽骨改建过程中骨组织密度和组织形态变化的影响，为临床工作中分析牙槽骨的改建过程和预测改建结果提供一种新的方法。 本研究包括以下四部分实验： 1.上颌中切牙与牙周组织三维有限元模型的建立 选取一颗因外伤脱落解剖形态正常、完整的上颌中切牙作为建模依据；用Micro CT以30μm层厚扫描，以DICOM格式存储后导入Mimics软件，获得中切牙三维表面形态，并以STL格式保存。利用Geomagic Studio11.0对生成模型进行表面修整后转化为NURBS曲面。再通过UG NX6中进行实体化，获得上颌中切牙三维实体模型并参考牙根外表面形态构建出牙周膜组织（0.2mm）、外层皮质骨（2mm）和内层松质骨，模型导入ABAQUS有限元分析软件生成有限元模型。 2.上颌中切牙牙槽骨功能性改建模型的建立 在实验一所建有限元模型的基础上，依据基于应变能密度的骨改建理论，通过开发有限元分析中的用户材料子程序（UMAT），建立上颌中切牙牙槽骨功能性改建过程的生物力学模型，探索数值模拟牙槽骨改建的可行性。 3.载荷对牙槽骨组织密度变化的影响 通过实验二的方法，进一步建立牙槽骨密度变化与时间增量之间的关系，模拟不同大小载荷下，牙槽骨24个月的密度变化情况及其结果，以期能定量表述不同大小载荷下牙槽骨密度的变化规律。 4.载荷对牙槽骨组织形态变化的影响 在实验三的基础上开发仿真软件MATLAB工具箱，依据改建后牙槽骨组织的密度信息为判据，对改建中的模型进行形态修整，再进行下一阶段的改建过程模拟。以实现不同载荷下牙槽骨改建过程中组织形态学变化的模拟，分析载荷对牙槽骨组织形态变化的影响。 研究结果表明： 1.实验所建上颌中切牙及牙周组织有限元模型与天然牙及牙周组织具有相似的几何形态，能较好的模拟上颌中切牙及牙周组织的受力情况，为牙周组织改建模型的建立打下良好的基础。 2.将有限元与基于应变能密度（SED）的骨改建理论相结合，通过开发有限元分析软件ABAQUS的UMAT与仿真软件MATLAB工具箱，建立起了通过牙槽骨密度与骨组织形态结构的变化，反映上颌中切牙在不同载荷下牙槽骨组织改建的生物力学模型。 3.前牙牙槽骨颊侧颈缘处承受较大的压应力，并随着咬合力增加，压应力逐渐增大。舌侧所受拉应力也随着咬合力的增加而增大，但应力值均小于颊侧所受压应力。随着载荷的增加，颊舌侧皮质骨与松质骨的应变也均增加。其中颊舌侧松质骨的应变值大于皮质骨。 4.牙槽骨颊舌侧皮质骨密度变化主要集中在颈缘区域，在前三个月颊舌侧皮质骨密度都比较稳定。60N载荷下牙槽骨颊舌侧皮质骨第4个月到第24个月密度呈现缓慢升高。当载荷为70N-150N时，牙槽骨颊舌侧皮质骨颈缘的密度经过前三个月的平稳期后，出现密度增加的阶段，然后随着载荷的进一步增加，密度值呈现下降的趋势。 结论 1.将基于应变能密度的骨改建理论与有限元分析相结合，分析不同咬合力作用下前牙牙槽骨改建过程中密度及形态变化情况，，研究结果表明该方法技术路线可行，模拟分析结果与临床情况相近，为牙周组织改建的研究提供了一种新的方法。 2.当天然牙齿受到过大的载荷时，在颊舌侧分别形成压应力和拉应力，相对应部位的应变能均较高，从而均可引起牙槽骨密度的降低。 3.牙槽骨颊舌侧皮质骨密度变化主要集中在颈缘区域；当咬合力为60N和70N时，24个月内上颌前牙牙槽骨的密度趋于稳定状态，牙槽骨组织形态没有变化。当载荷大于80N时，在牙槽骨颊舌侧的颈缘区域，牙槽骨密度随载荷和时间的增加，呈现先增加后降低的趋势，皮质骨也出现明显吸收。 4.当牙槽骨承受较大的外载荷时，牙槽骨颊舌侧均出现骨吸收和附着高度的降低。载荷越大牙槽骨出现吸收的时间越早，牙槽骨高度降低的也越多。
【图文】：

Mimics中生成的三维模型

Geomagics精修后的模型
【学位授予单位】：第四军医大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：R782.1

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本文编号：2595357