拓扑优化方法在口腔种植体周围松质骨结构模拟中的应用

发布时间：2017-07-30 09:15

  本文关键词：拓扑优化方法在口腔种植体周围松质骨结构模拟中的应用

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【摘要】：生物力学涵盖了生物流体力学、生物固体力学和运动生物力学等。对骨骼力学性能的研究，属于生物固体力学，传统的方法更偏重于实验，但实验有其局限性。随着计算机技术及相关有限元分析软件的普及与更新，许多学者开始用计算机模拟预测松质骨结构。 骨包括皮质骨和松质骨。松质骨具有多胞体结构，形状非常复杂，对其研究也相对困难。Wolff定律定性地描述了力学环境与骨结构之间的关系。而通俗的讲，拓扑优化会在结构受力的地方增加材料，在不受力或受力较小的地方减少材料，在满足结构刚度的前提下，尽量去除材料。拓扑优化方法现在已经应用于工程上的各个领域，比如飞机的结构设计，桥梁的结构设计，及汽车结构设计中，但是应用于骨结构的模拟中还很少。 本文将工程中的拓扑优化方法引入到生物力学领域中研究骨结构，模拟种植牙对上颌骨及下颌骨的松质骨结构的影响。首先，从均匀结构出发，施加相应的载荷条件来模拟松质骨细观结构，由于在实际人体内，松质骨的受力环境是很复杂的，所以在本研究中，其受力不仅仅是简单的拉力和压力，还加入了切力，在后续分析中，也对其组合的载荷工况进行了模拟。将结果与应用骨自优化理论模拟结果进行对比，来验证拓扑优化算法是否适用于骨细观结构的模拟，并与真实松质骨细观结构的CT图进行对比，从而验证采用拓扑优化方法模拟松质骨细观结构的可行性。其次，在结构中加入牙科种植体，施加同样的载荷工况来模拟在承受相同外载荷的前提下，加入种植体后引起松质骨结构的变化；并以得到的结构作为初始结构，对其施加大小相同但方向不同的载荷，来模拟加入种植体后的下颌骨及上颌骨，在力学环境变化后，其结构的变化，从而为临床上进行种植牙手术后的骨结构变化提供一定的参照。而后，模拟分析在受力相同，种植体尺寸相同的条件下，种植体材料的不同对种植体周围松质骨结构的影响。最后，对比不同材料种植体，在受到相同载荷的前提下，，种植体周围上颌骨骨组织的变化。对上颌骨的种植体结构的结果进行分析对比，得出了不同材料的种植体，其密度分布，应力分布的对比结果，为临床上提供一定的理论依据参考。
【关键词】：生物力学 骨重建 拓扑优化 松质骨 种植体
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R783.6;R318.01
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-13
• 1.3 论文研究内容13-14
• 1.4 本章小结14-16
• 第2章 松质骨形态及计算机模拟的理论基础16-26
• 2.1 骨16-19
• 2.1.1 骨的构成16-17
• 2.1.2 松质骨17-18
• 2.1.3 上颌骨与下颌骨18-19
• 2.2 骨重建与拓扑优化方法19-25
• 2.2.1 骨重建20-21
• 2.2.2 拓扑优化方法21-25
• 2.3 本章小结25-26
• 第3章 不同载荷条件及种植体对骨重建的影响26-52
• 3.1 ANSYS 拓扑优化26-32
• 3.1.1 ANSYS 拓扑优化步骤26-27
• 3.1.2 基于 APDL 优化程序的设计27-32
• 3.2 MATLAB 简介及计算32-33
• 3.3 建立模型33-38
• 3.3.1 确定去除材料百分比33-35
• 3.3.2 确定施加载荷大小35-38
• 3.4 改变载荷方向对松质骨结构的影响38-43
• 3.4.1 初始结构一的模拟计算38-40
• 3.4.2 初始结构二的模拟分析40-42
• 3.4.3 优化后结构与实际松质骨结构的对比42-43
• 3.5 加入下颌骨牙种植体后对松质骨结构的影响43-51
• 3.5.1 建立模型43-44
• 3.5.2 不同载荷条件优化结果44-47
• 3.5.3 相同载荷条件不同种植体结果比较47-51
• 3.6 结论51
• 3.7 本章小结51-52
• 第4章 不同种植体材料对上颌骨重建的影响52-62
• 4.1 种植体模型的建立52-53
• 4.2 种植体材料53-54
• 4.3 有限元模型的建立54-56
• 4.3.1 功能梯度材料种植体建模54-55
• 4.3.2 钛合金材料种植体建模55-56
• 4.3.3 骨材料种植体建模56
• 4.4 模拟结果对比56-60
• 4.4.1 密度分布对比56-57
• 4.4.2 不同植入物上颌骨的应力分布57-59
• 4.4.3 加入种植体后应力迹线分布59-60
• 4.5 结论60
• 4.6 本章小结60-62
• 第5章 总结与展望62-64
• 5.1 论文工作总结62-63
• 5.2 研究内容展望63-64
• 参考文献64-70
• 作者简介70-71
• 致谢71

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 杨贵玉,孙宝元,李震;利用滤波法消除拓扑优化中的棋盘格式[J];微纳电子技术;2004年08期

2 张桂梅;;360例牙种植术病人的护理[J];光明中医;2012年11期

3 宫赫,朱兴华,朱东;拓扑优化在骨结构模拟中的应用[J];吉林工业大学自然科学学报;2000年02期

4 郭中泽;张卫红;陈裕泽;;结构拓扑优化设计综述[J];机械设计;2007年08期

5 蒋立坚,吴新中,吴雅成,李卫国,刁惠波,张澄海,黄河长;ITI种植体的临床应用[J];中国口腔种植学杂志;2002年03期

6 孔亮;刘宝林;胡开进;李德华;宋应亮;杨劲;;圆柱状种植体螺纹的双目标稳健分析[J];中国口腔种植学杂志;2007年04期

7 于博涵;邓春富;赵宝红;张

本文编号：593484