应用种植体支抗辅助上颌前方牵引时颅颌面骨缝应力特征的三维有限元分析

发布时间：2020-10-10 07:48

　　前牙反合是正畸临床常见错合类型之一。传统治疗上颌发育不足的青少年患者是利用合垫配合面具进行前方牵引。虽然可以使患者面型得到一定程度的改善，但同时会引起上前牙唇倾和磨牙倾斜等不利代偿，从而加大了后期矫治的难度。利用微种植体支抗辅助上颌复合体进行前方牵引是近年来发展的一项新技术。以往的报道多集中于微型钛板进行前方牵引，关于微种植钉进行牵引的研究较少，同时对于牵引时骨缝间生物力学变化会产生何种影响，目前尚不清楚。本实验通过计算机建立微种植钉辅助上颌进行前方牵引的三维有限元模型，对不同前方牵引条件下上颌骨骨缝的应力分布特征进行分析，以期为临床提供一定借鉴和参考。本研究共分为四部分：实验一：微种植钉辅助上颌复合体进行前方牵引的三维有限元模型建立。目的：建立包括上颌骨复合体、微种植钉、上颌骨10条骨缝在内的三维有限元模型，为后续相关实验提供平台。方法：选取一名年龄为10岁，混合牙列，上颌发育不足的青少年患者作为数据采集对象。利用螺旋CT进行数据采集，将数据导入Mimics10.1软件，通过筛选、灰度选择、自动提取和手动擦除等方式提取与生成颌面复合体的三维有限元模型。然后通过Geomagic软件对模型进行光顺和实体化处理，得到颌面复合体的CAD模型。最后采用Solidworks软件建立出各骨缝和种植钉的模型，并将各部分模型导入Ansys Workbench14软件中进行组装和处理，建立出颌面复合体三维有限元模型。结果：建立由节点数1340450个，单元数773547个构成的微种植钉辅助上颌复合体进行前方牵引的三维有限元模型。结论：建立的模型具有较好的几何和力学相似性，为后续实验提供了良好的操作基础。实验二：不同前牵力值在种植体辅助上颌前方牵引时颅颌面骨缝应力分布特征的三维有限元分析目的：在已建立的有限元模型基础上，分析在不同大小前方牵引力值作用下，颅面复合体骨缝的应力分布特征。方法：在上颌颧牙槽嵴处加载与合平面呈向下30°，大小分别为300g、500g、800g前方牵引力，分析各骨缝的应力特征。结果：不同前牵力值在颅颌面骨缝产生的应力大小不同。同一力值下，等效应力由大到小依次为：翼腭缝＞颧颞缝＞鼻额-额颌缝＞腭横缝＞颧颌缝＞颧额缝；并且同一骨缝内应力分布也不均匀。随着力值增大，各骨缝应力均有所增加，应力变化趋势为翼腭缝＞颧颞缝＞鼻额-额颌缝＞腭横缝＞颧颌缝＞颧额缝。结论：相同牵引力值下，不同骨缝应力大小不同，同一骨缝应力分布也不均匀。随着牵引力增加，不同骨缝应力均有增加。临床选用不同牵引力值，对各骨缝打开作用不同。实验三：不同牵引方向在种植钉辅助上颌前方牵引时颅颌面骨缝应力特征的三维有限元分析。目的：研究在不同牵引方向进行前方牵引时，上颌骨各骨缝的应力应变特征。方法：在建立三维有限元模型基础上，在500g牵引力值下，分别研究-60°、-45°、-30°、-15°、0°、15°、30°、45°、60°牵引角度时各骨缝应力应变特征。结果：随着牵引角度的增加，各骨缝应力分布情况各不相同。应力分布以翼腭缝和颧颞缝较为集中，翼腭缝在-60°~0°时，等效应力逐渐增大，其中在0°时达到峰值，0°~60°时，等效应力逐渐减小。颧颞缝在-15°开始，随着角度增大应力分布逐渐减小。当牵引角度由-60°~60°变化时，各骨缝均表现出不同程度的逆时针旋转趋势。结论：1.不同方向的前方牵引力，在上颌骨骨缝产生的应力大小不同，以翼腭缝和颧颞缝最明显。2.加载角度相同时，同一骨缝不同点受到应力也不相同。3.牵引角度为0°时，翼腭缝应力分布达到峰值，对翼腭缝牵张有积极意义。4.在此牵引角度范围变化时，上颌骨各骨缝表现逆时针旋转趋势。. 实验四：不同部位植入微种植钉进行前方牵引时应力应变特征差异的三维有限元分析目的：研究在不同部位植入微种植钉进行前方牵引时，上颌骨各骨缝的应力应变特征差异。方法：在建立的微种植钉辅助上颌骨进行前方牵引的三维有限元模型基础上，分别将微种植钉植入在上颌颧牙槽嵴区和前牙区（双侧侧切牙与尖牙牙根上方6mm）。在500g牵引力值，合平面向下30°牵引时，分析各骨缝应力应变特征差异。结果：在颧牙槽嵴区进行牵引时，各骨缝应力分布比在前牙区进行牵引时更为集中。并且应力多集中在颌面骨中下部。在颧牙槽嵴区进行-30°牵引时，上颌骨有逆时针旋转趋势，在前牙区进行-30°牵引时，上颌骨有顺时针旋转趋势。结论：1.无论在前牙区还是颧牙槽嵴区利用种植钉进行前方牵引，均可刺激上颌骨相关骨缝的生长。2.在颧牙槽嵴区进行-30°牵引时，上颌骨有逆时针旋转趋势，提示对治疗的反覆合较深的患者有积极意义；在前牙区进行-30°牵引时，上颌骨有顺时针旋转趋势，提示对治疗高角开合病例有积极意义。
【学位单位】：第四军医大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2013
【中图分类】：R783.5
【部分图文】：

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2.2 MIMICS 图像处理将获得的扫描数据导入Mimics10.1软件（图1），由软件视窗可以从三维角度观察扫描的图像信息，Mimics10.1软件的优点在于可以利用图像增强功能来分辨组织，从而对实验信息进行筛选。依据实验目的，将下颌相关图像信息去除，在剩下的图层通过不断采用软件调整灰度值在颌骨所在范围56-353之间提取图像数据。在提取轮廓后，用布尔操作和运算合并成一个整体模型。通过Mimics10.1软件中自带的提取和手动擦除功能，逐层修改图像信息中的不相关组织及伪影，以进一步区分和分离组织，得到更为准确的数据。最后通过三维重建功能在Mimics10.1中得到颅骨的三维效果图，从而直观地显示出上颌颅骨复合体的三维形态。图 1 在 Mimics 中提取上颌骨数据2.3 CAD 模型的构建采用逆向工程的方法构建上颌颅骨复合体的三维 CAD 模型。先将所获得的三维图像数据转化为.stl格式

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颌颅骨在 Mimics 中三维效果图以及生成曲面模型的对比图2.4 骨缝结构的构建获得上颌颅骨复合体的 CAD 模型后，采用 Solidworks 软件来构建本实验相关的骨缝结构。结合 Mimics 模型数据，标定出相关骨缝的空间位置，根据这些标定点在相应位置建立出骨缝曲面，之后使用 Solidworks 的曲面功能进行布尔运算，切割出0.5mm 厚度的骨缝结构（图 4）。为使计算结果更精确，本实验共对颌面复合体 10条骨缝进行了建模。2.5 微种植钉的构建为了便于装配和计算，将微种植体设计成为直径为 2mm，高度为 3mm 的圆柱形结构（图 5），然后根据临床实际种植钉植入位置，采用与上颌合平面成 60 度角

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-20-图 3 上颌颅骨在 Mimics 中三维效果图以及生成曲面模型的对比图构的构建颌颅骨复合体的 CAD 模型后，采用 Solidworks 软件来构建本结合 Mimics 模型数据，标定出相关骨缝的空间位置，根据这立出骨缝曲面，之后使用 Solidworks 的曲面功能进行布尔运算的骨缝结构（图 4）。为使计算结果更精确，本实验共对颌面了建模。钉的构建于装配和计算，将微种植体设计成为直径为 2mm，高度为 3m5），然后根据临床实际种植钉植入位置，采用与上颌合平面成磨牙牙槽嵴顶 6mm（第一和第二磨牙根尖之间的上方）。

【引证文献】