儿童上颌复合体快速扩弓的三维有限元分析

发布时间：2020-06-09 08:39

【摘要】：目的:上颌快速扩弓(Rapid maxillary expansion,RME)是一种有效矫治上颌骨横向发育不足、上牙弓狭窄、后牙反牙合和解除上颌牙列拥挤的方法。RME矫治力作用于上颌牙列、牙槽骨或上颌其他组织,在短时间内对上颌组织施加较大的矫形力使上颌骨骨缝扩开,从而使上颌宽度得到扩展。上颌宽度的增加主要包括上颌骨基骨扩大和上颌牙列宽度的扩大两部分。以往研究表明矫治器在快速扩大上颌牙弓的同时经常发生鼻腔宽度增大、支抗牙齿倾料、伸长等作用。临床矫治中经常见到有患者反映在快速扩弓过程中出现鼻额部疼痛、眶距增宽等症状。如何全面认识Hyrax矫治器力学分布特点,减少不良作用,值得正畸研究者认真思考。RME作用力涉及上颌复合体及邻近组织,力学机制非常复杂。有限元法(finite element method,FEM)是一种将待分析的连续求解域离散为若干个有限大小的单元体的集合,以求解连续体力学问题的高效数值计算方法。Brekelmans和Rybicki在1972年首次将三维有限元(Three- dimensional finite element method ,3-D FEM)研究实验方法应用于在医学生物力学领域,现在该方法已广泛应用于口腔生物力学研究领域。在快速扩弓生物力学研究方法中,该方法以独特的力学分析模拟特性被国内外正畸研究者广泛采用。然而由于上颌复合体结构非常复杂以及研究条件的限制,以往建立的模型对于各解剖结构简化较多、模型精确度不高、几何相似性较差。RME力学分析方面研究者多采用模拟扩大上牙弓的方法分析各解剖结构受力情况,未见到将矫治器与上颌复合体作为不同的力学材料结构进行整体建模和力学分析,因而以往建立的有限元模型生物力学特性较差。目前,关于如何快速建立上颌复合体有限元模型的建模方法尚未统一,如何建立精确的颅面骨骨缝、牙周膜模型以及实体网格划分的标准也尚未达成共识。本研究通过Mimics 10.0、Geomagic Studio 9.0及Ansys 10.0软件探讨建立几何相似度高、具有生物学特性的儿童上颌复合体三维有限元模型的方法,为利用ANSYS软件模拟快速扩弓作用下上颌复合体各软硬组织应力分布状况及各标志点三维方向位置的改变提供精确的模型平台,为解释快速扩弓过程提供生物力学方面的理论依据,指导正畸临床医师对快速扩弓矫治器进行设计、制作,获得满意的临床扩弓效果。方法: 1选取一例8.5岁,女性,身体健康儿童作为实验研究对象,行口腔锥体束CT(cone-beam computed tomography,CBCT)扫描,扫描层厚0.3mm,最终得到636幅二维CBCT扫描断层图像。拍摄数据以DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine,DICOM)格式存储。在个人计算机(Personal Compute ,PC)上将所得DICOM数据文件导入MIMICS 10.0软件,对原始图像进行蒙皮、分割、光滑等步骤生成上颌复合体三维有限元模型。经Geomagic Studio 9.0剪辑处理,经过点阶段、多边形阶段、成形阶段的处理最终生成能被ANSYS等有限元软件所识别的IGES文件。 2用3DSS-MINI-II三维扫描仪对选取相同年龄段形态完好、表面无龋坏、牙根形态无异常的离体中切牙、尖牙、第一前磨牙、第一磨牙、第二乳磨牙行光栅扫描,所得点云数据用Geomagic Studio 9.0软件修整光滑后以IGES格式存盘。在PC机上用Geomagic Studio 9.0软件进行上颌复合体—上颌牙列3D模型的空间装配,装配完成后各模型文件分别以IGES格式存盘。 3在PC机上将以上所得模型导入Ansys 10.0软件,设置好网格参数,划分各个3D模型实体实体(SOLID)单元,参照正常人体解剖数据及CT图像进行相关骨缝模拟,最终生成上颌复合体三维有限元模型。 4对此模型切割、简化后将蝶骨翼突、颧颌缝进行全方位约束,正中矢状面加对称全方位约束,在第一前磨牙、第一磨牙分别选取临床冠中心和牙冠腭侧近牙槽嵴顶处加载水平向的静压力,进行三维有限元分析,模拟临床快速扩弓过程单侧牙弓宽度扩大5mm时上颌复合体各部三维方向的改变及应力分布。结果: 1成功建立了儿童上颌复合体三维有限元模型。 2在简化的上颌复合体模型中分别选择第一前磨牙、第一磨牙临床冠中心和牙冠腭侧面近牙槽嵴顶处进行生物力学分析,得到快速扩弓情况下上颌复合体等效应力分布图及位移图。 3施力点位于第一前磨牙、第一磨牙临床冠中心模拟快速扩弓加载后,上颌牙最大水平向位移(X方向)出现在第一磨牙近中颊尖处,位移值-6.57mm ;最大矢状向位移(Y方向)出现在第一前磨牙舌尖处,位移值3.11mm;垂直方向(Z方向),最大值出现在第一前磨牙舌尖处,位移为-2.2mm。上颌骨近腭中缝处自前向后最大水平向及矢状向位移出现在上颌中切牙之间的牙槽嵴顶处,位移-2.25mm、3.62mm,。垂直方向,最大值出现在ANS点处,位移为-5.40mm。 4施力点位于第一前磨牙、第一磨牙腭侧近牙槽嵴处时模拟快速扩弓加载后,上颌牙最大水平向位移(X方向)出现在第一磨牙近中颊尖处,位移值-6.80mm ;最大矢状向和垂直向位移(Y、Z方向)方向出现在第一前磨牙舌尖处,位移值3.41mm、-2.40mm;上颌骨近腭中缝处自前向后上颌骨最大水平向及矢状向位移出现在上颌中切牙之间的牙槽嵴顶处,位移-2.57mm、4.15mm;垂直方向,最大值出现在ANS点处,位移为-6.1mm。 5施力点位于第一前磨牙、第一磨牙临床冠中心模拟快速扩弓加载后,第一磨牙牙周膜处最大拉应力出现在施力点腭侧近牙槽嵴顶处,应力值392Mpa;最大压应力出现在施力点对侧近牙槽嵴顶处,应力值-373Mpa;最大侧向位移值也出现在施力点腭侧近牙槽嵴顶处, X向位移值-3.16mm。 6施力点位于第一前磨牙、第一磨牙腭侧近牙槽嵴处时,第一磨牙牙周膜处最大拉应力出现在施力点腭侧近牙槽嵴顶处,应力值474Mpa;最大等效应力也出现在该部,应力值为1370 Mpa;最大压应力出现在施力部对侧近牙槽嵴顶处,应力值-601Mpa;侧向位移最大值也出现在施力点腭侧近牙槽嵴顶处, X向位移值-3.92mm。结论:建立了几何相似性高、具有生物学特性的儿童上颌复合体三维有限元模型。分别选择第一前磨牙、第一磨牙腭面临床冠中心和牙冠腭侧近牙槽嵴顶处两个部位施加静压力进行临床快速扩弓生物力学模拟,得到快速扩弓单侧牙弓宽度扩大5mm时上颌复合体等效应力分布图和位移图。有限元分析结果显示,上颌牙弓扩大相同宽度时,加力部位越接近牙齿阻抗中心所获得的骨骼扩展效应越明显、施力相关牙齿牙周膜所受的拉应力、压应力越大,牙齿侧向位移越多。研究结果提示临床制作快速扩弓矫治器时施力应尽量接近牙齿阻抗中心,以获得更佳的骨骼扩展效应。
【学位授予单位】：河北医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：R783.5

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