唇腭裂上颌骨三维有限元模型的构建及上颌前牵引生物力学分析

发布时间：2020-06-09 06:11

【摘要】： 唇腭裂是口腔颌面部最常见的先天发育畸形,由于手术修复的创伤和术后瘢痕收缩及异常的牙合功能等原因,导致上颌骨发育障碍,给患者带来容貌的缺陷和功能障碍。这类患者临床上正畸治疗多早期采用前方牵引,诱导上颌骨向前发育。目前从生物力学角度对其进行细致和全面的研究很少。本研究从建立唇腭裂上颌骨有限元模型开始,探索出一条快速建模的方法,建立理想的唇腭裂上颌骨三维有限元模型,并利用该模型探讨不同方向的前牵引力,模拟修复上颌骨裂隙,模拟上颌扩弓治疗,探讨上颌骨的应力、应变和位移变化规律。为临床上正畸治疗该类患者提供科学的理论依据。 本研究分两部分: 第一部分:利用螺旋CT技术建立单侧完全性唇腭裂上颌骨三维有限元模型 目的:探索快速建立单侧完全性唇腭裂上颌骨三维有限元模型的方法。 方法:对单侧完全性唇腭裂患者颅颌面部进行多层螺旋CT扫描,利用Mimics软件直接将CT扫描样本得到的Dicom标准文件进行处理,并导入逆向工程软件Geomagic Studio构建模型的表面,在此基础上用Ansys软件建立完整的单侧唇腭裂上颌骨三维有限元模型。 结果:建立了由27405个实体单元和26876个节点组成的单侧完全性唇腭裂上颌骨有限元模型。 结论:应用螺旋CT技术和联合使用Mimics软件、GeomagicStudio软件对模型进行构建,并结合Ansys软件生成三维有限元计算模型,是一种快速有效的建立单侧完全性唇腭裂有限元模型的方法。 第二部分:上颌前牵引的三维有限元力学分析研究 目的:探讨不同方向的前牵引力,模拟修复上颌骨裂隙,模拟上颌扩弓对上颌骨的应力、应变和位移变化的影响规律,为临床上唇腭裂患者的正畸治疗提供科学的理论依据。 方法:在自主探索建立的唇腭裂上颌骨三维有限元模型的基础上,利用ANSYS 10.0软件模拟上颌前牵引,模拟上颌扩弓,模拟修复上颌骨裂隙,分析比较在相同力值,不同牵引方向前牵引力作用下上颌骨的应力、位移变化。 结果: 1.前牵引力为500g/侧,前牵引方向向前下20°～45°之间时。上颌牙弓形状发生内缩变化。内缩变化程度与前牵引方向有明显的相关性,前牵引方向与功能牙合平面夹角越小,牙弓内缩越明显,区域越大,牵引方向与牙合平面夹角越大,内缩程度越轻,区域越小。 2.模拟上颌扩弓治疗,前牵引力为500g/侧,前牵引方向向前下300时,健侧和患侧牙弓内缩变化不明显。 3.前牵引力为500g/侧,前牵引方向向前下30°时,未修复裂隙的上颌骨裂隙有扩大化的趋势,模拟修复后颅面复合体的第一主应力和冯米塞斯应力除加力点有些局部增大外,其余地方应力分布比较均匀。 结论: 1.在前牵引力的作用下,上颌牙弓发生内缩,内缩的区域大小与明显程度与前牵引力的方向有明显的相关性; 2.牵引力方向与牙合平面的夹角越小,内缩越明显,区域越大;牵引力方向与牙合平面的夹角越大,内缩程度越轻,区域越小;上颌扩弓可使前牵引治疗后引起的上颌牙弓缩窄现象得到很好的改善; 3.唇腭裂患者在进行前牵引治疗时应联合应用上颌扩弓,更有利于全面改善上颌骨的发育; 4.上颌骨裂隙未修复前,在前牵引力作用下裂隙有扩大的趋势;裂隙修复后,在适宜前牵引力作用下,上颌骨第一主应力和冯米塞斯应力分布均匀; 5.修复上颌骨裂隙后,行前牵引矫形治疗对上颌骨发育不足更有利。
【图文】：

博士学位论文第一章从M而ics得到sTL格式文件，直接使用逆向工程软件 Geomagicstudio打开由小三角形组成模型外轮廓面(图4)。删除明显远离主要表面的由一些噪声点组成的小三角形，可以看出模型外轮廓面存在一些不连续面(如破洞)，使用FIUHoles命令进行修补，在确保模型本来形状的情况下，删去一些自我交叉的面，形成新的三角形。重复上面的操作，最终得到(图5)所示的模型。经由Test图4:原始小三角面组成模型外轮廓面图5:修整过小三角面组成模型外轮廊面Intersections检测没有交叉三角形后，从多边形阶段(Polygon)进入曲面阶段 (shaPePhase)，通过这些小三角形来拟合成大的曲面(Patehes)，主要运用图6:拟合的 Patehes曲面(调整前)图7:拟合的Patehes曲面(调整后) ShumePanels来调整曲面的形状

组成的小三角形，可以看出模型外轮廓面存在一些不连续面(如破洞)，使用FIUHoles命令进行修补，在确保模型本来形状的情况下，删去一些自我交叉的面，形成新的三角形。重复上面的操作，最终得到(图5)所示的模型。经由Test图4:原始小三角面组成模型外轮廓面图5:修整过小三角面组成模型外轮廊面Intersections检测没有交叉三角形后，从多边形阶段(Polygon)进入曲面阶段 (shaPePhase)，通过这些小三角形来拟合成大的曲面(Patehes)，主要运用图6:拟合的 Patehes曲面(调整前)图7:拟合的Patehes曲面(调整后) ShumePanels来调整曲面的形状，使得形状变得规则，在远离加载的地方可以适当的把曲面的面积调大些。在曲面中边跟边的夹角应调整大于5度。这对以后导进有限元软件里面进行网格划分的时候非常有效，因为当面的形状规则的时候，网格的数量和质量都得到控制(图6图7分别为调整前和调整后的曲面)。最终生成1355个Patches曲面。利用Cons红 uctGrids和 FltSurface来形成NURBS曲面。然后，以IGES格式将文件导出。导出模型形状如(图8)所示。
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：R782.2

【引证文献】

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1 钟志锋;腹腔镜手术模拟系统中软组织变形的研究[D];南昌大学;2008年

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本文编号：2704271