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下颌第一磨牙近中-面-远中洞型缺损修复的三维有限元分析
目的 为研究下颌第一磨牙近中-面-远中(MOD)缺损修复方法及材料选择,通过三维有限元数字化建模,采用全冠、高嵌体、嵌体修复形式,应用树脂、二矽酸锂瓷材料Emax、金合金材料进行力学分析,观察修复体、粘接剂层及剩余牙体组织应力大小及分布情况.方法 通过CBCT扫描离体牙,采用Mimics、Rapidform.xor3、Solidworks等逆向工程软件,建立下颌第一磨牙MOD缺损嵌体、高嵌体、全冠修复的三维有限元模型,用Abaqus软件进行装配及网格划分,分析在静态加载300N条件下各模型修复体层、牙本质层、牙釉质层、粘接剂层应力分布情况.结果 在修复体层,全冠修复的Von-mises应力峰值普遍大于高嵌体、嵌体;金合金应力值普遍小于树脂及Emax.在牙釉质层,嵌体应力峰值远大于高嵌体并集中于近中颊尖处,金合金材料应力值低.在牙本质层,高嵌体应力峰值高但多分布在颈部向根方,冠部牙体组织无明显应力集中,嵌体模型应力主要集中在功能尖上.在粘接剂层,高嵌体及全冠组,金合金优于Emax优于树脂,而在嵌体组三者数值间差异不大.从应力分布上看,树脂嵌体、高嵌体粘接剂层拉应力多位于k面洞型侧壁及覆盖牙尖处,而Emax、金合金组在此处无过多应力分布.结论 对于MOD缺损,高嵌体修复既可保护剩余牙体组织,又满足"微创"及"循序渐进"原则.全冠修复虽可以有效的保护牙体组织,但在修复体上有一定的应力集中,建议采用高强度材料修复.嵌体修复虽牙体预备量小,但在未覆盖的功能尖上易形成应力集中.修复材料方面,Emax和金合金材料性能均优于树脂,金合金在应力分布上有一定的优势.
关键词： 下颌第一磨牙 近中-k面-远中缺损 三维有限元分析 应力分析 -
上颌后牙区倾斜种植的三维有限元分析
目的 观察患者植体周围骨质在与不同角度基台连接时所表现出的应变状况.方法 以基台角度为变量构筑三维模型,纳入不同加载力量指标,对植体安全性、周围骨质应变情况等进行分析.结果 基台角度与周围骨质应变之间呈现显著的相关关系,基台角度与植体安全性之间呈负相关.结论 若种植牙位置选择在上颌后牙区,则应避免进行斜种植.
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纤维桩外形和深度对牙根应力分布影响的三维有限元分析
目的 从三维有限元的角度明确纤维外形及深度与压根应力分布之间存在的关系.方法 首先需要建立完整的三维有限元模型,后构建包括石英纤维桩在内的各种材质的牙齿修复结构.对三维有限元分析软件进行适当的调整,静态加载100 N,使之与牙长轴形成50°的夹角,以便完成对纤维桩外形及深度对于牙齿应力分析的影响研究.结果 三维有限元分析结果显示,石英纤维桩的外形和深度对于牙齿牙根部位的应力分布情况并不存在重大的影响.但是不同英纤维桩的具体材质和分布深度均会引起牙根应力分布的差别,差异有统计学意义(P＜0.05).结论 石英纤维桩的外形和深度可能会对牙齿应力分布的情况产生一定影响,为了达到令人满意的临床效果,需要医生充分考量和分析患者个人的牙齿情况,并选择为合适的治疗方案.
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下颌第一磨牙远中缺损牙体修复后的力学性能分析
本研究结合了三维激光扫描、逆向工程、三维有限元分析等技术,建立了下颌第一磨牙远中牙体缺损修复后的三维有限元模型,研究了其在不同加载方案、修复材料及修复洞型下的全场应力分析,并通过Mohr强度理论对修复体进行了校核.结果 表明,临床上制备壁厚1mm的预备牙体进行充填修复在力学上是可行的;而对大面积缺损牙体的修复,桩核全冠修复并未显示出明显优势.
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微种植体支抗在内收上颌前牙过程中其植入角度和长度连续变化的三维有限元分析
目的 通过建立微种植体-上颌骨-上颌牙列-直丝弓矫治器的三维有限元模型,探讨微种植体在内收上颌前牙过程中植入角度和长度连续变化对微种植体-骨界面的应力分布影响,为临床微种植体植入角度和长度的选择提供理论依据.方法 选取临床样本一例,采用锥体束CT(CBCT)进行扫描,得到上颌骨及上颌牙列的原始数据,运用三维重建软件,建立出具有较高几何相似性、结构完整的三维有限元模型,将微种植体的植入长度设定为7 mm、7.5 mm、8 mm、8.5 mm、9 mm,植入角度设定为45°、60°、75°、90°.运用有限元分析软件分析当载荷为200 g(1.96 N)时,微种植体及周围骨皮质骨松质的范·米塞斯(Von-Mises)应力分布.结果 在不同的植入角度下,当微种植体的植入长度基本为8.5 mm时,其所受Von-Mises应力小;当微种植体的植入长度不同时,其Von-Mises应力值小的植入角度为75°.结论 当微种植体的载荷为200 g时,微种植体支抗内收上颌前牙的佳植入长度为8.5 mm,佳植入角度为75°.
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颌间牵引对颞下颌关节区应力分布及位移影响的有限元研究
目的 通过建立包含颞下颌关节、上下颌骨、上下牙列的三维有限元模型,模拟使用临床颌间Ⅱ类、Ⅲ类牵引,加载不同力值,分析各工况下颞下颌关节区的应力分布和位移变化,为临床选择合适的颌间牵引力值提供参考.方法 选取临床样本一例,对其进行螺旋CT扫描,获得原始的建模数据,运用三维重建软件,建立结构完整,具有较好几何相似性的三维有限元模型,运用有限元分析软件分析当加载100 g、200 g、300 g力值时髁突各部分的受力和位移情况.结果 颌间Ⅱ类牵引时,髁突前面受压应力,后面受拉应力,髁突顶部的范·米塞斯(Von-Mises)应力大,前面略高于后面,外侧面高于内侧面,随着载荷力增大,髁突周围的Von-Mises应力呈线性增大.位移方面,髁突的位移趋势为向前向下移动,随着载荷力增大,髁突的位移也逐渐增加.颌间Ⅲ类牵引时,压应力集中在髁突后面;前面为拉应力.髁突顶部的Von-Mises应力大,其次为前面和后面,外侧面高于内侧面.随着载荷力增大,髁突周围的Von-Mises应力呈线性增大.髁突呈现向后向上的位移,随着载荷力增加,位移逐渐增大.结论 随着载荷的增大,髁突的应力和位移都会增大,提示对于临床成人患者或适应能力较差的患者一定要使用柔和力,避免出现医源性损害.
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不同加载条件下粘固层厚度对瓷贴面的应力分布影响
目的 分析不同加载条件下粘固层厚度对瓷贴面的应力分布影响. 方法 将上中切牙用环氧树脂包埋,精密机床逐层切削,数码成像.用Pro/ENGINEER 软件生成瓷贴面模型,用Pro/MECHANICA 软件进行有限元分析. 结果 在正中牙合加载状态下,减小粘固层厚度,瓷贴面的应力明显减小,在对刃牙合和深覆牙合两种加载方式下,减小粘固层厚度,各部位的应力有所减小,但变化不明显.正中牙合加载状态下切端对接型瓷贴面的颈部内侧出现一高应力区,而切端包绕型瓷贴面未出现. 结论 在正中牙合加载状态下,减小粘固层厚度可以降低瓷贴面的应力.
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外侧钢板联合后外侧螺钉踝关节融合的三维有限元分析
目的 采用三维有限元技术分析外侧钢板联合后外侧螺钉踝关节融合模型的位移及应力变化.方法 采集1名正常成人踝关节CT扫描数据,经三维有限元软件处理,建立单纯外侧钢板踝关节融合模型(A型)及外侧钢板联合后外侧螺钉踝关节融合模型(B型),比较2种融合模型的位移及应力变化.结果 B型在内旋、外旋、背屈时对抗应力的大位移均小于A型,而中立位时二者无明显差异.B型在内旋、外旋、背屈状态下对抗应力时钢板、螺钉及骨质的应力峰值较A型明显降低,在中立时二者无明显差异.2种模型的应力云图(螺钉、钢板及骨质)未见明显差异.结论 外侧钢板联合后外侧螺钉固定增强了踝关节融合术固定的稳定性及有效性.
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不同骨质密度下生物型及骨水泥型股骨假体置入后的三维有限元分析
目的 对不同骨密度下股骨假体类型选择进行模拟对比力学实验,从而确定不同年龄段患者临床全髋关节置换术选择股骨假体的标准,为患者选择股骨假体类型提供骨量上的理论依据.方法 利用Solidworks计算机软件建立人体股骨三维有限元模型.将不同年龄段骨质的密度及弹性模量分别输入计算机,模拟人体单足站立状态.测量2种人工股骨假体在不同股骨密度下的应力分布、界面应力,以及初始微动3个生物力学特性.结果 生物型股骨假体上的整体应力分布,男性30～40岁组和女性30～40岁组总相对较均匀,初始微动变化较小.骨水泥型股骨假体上的整体应力分布,在男性60～70岁组和在女性50岁组相对较均匀,初始微动变化较小.结论 男性55岁以骨和女性50岁以骨采用生物型优于骨水泥型人工股骨假体的定量性标准,为临床工作提供了理论依据.
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腓骨高位截骨对膝关节应力改变的三维有限元分析
目的 采用三维有限元分析腓骨高位截骨对膝关节应力改变的影响,为临床采用腓骨高位截骨术治疗合并内翻畸形的膝关节骨性关节炎提供生物力学依据.方法 采集1例膝关节骨性关节炎合并内翻畸形(内翻15°)患者的CT、X线片,采用Super-Sap 93软件建立个体化的膝关节三维有限元模型,经过对膝关节模型设定边界条件、加载组织材料弹性性能、载荷设置、计算机模拟腓骨高位截骨术,计算腓骨高位截骨手术前后膝关节内部任意节点的冯米斯应力(MS).结果 正常情况下内侧半月板MS应力值明显高于外侧半月板,在腓骨高位截骨去除腓骨支撑后,内、外侧半月板MS应力值均减少,且内侧半月板MS应力值减小幅度大于外侧半月板,截除腓骨后的内侧半月板应力值依然大于外侧半月板.正常情况下内侧胫骨平台所受的MS应力值高于外侧胫骨平台,在腓骨高位截骨去除腓骨支撑后,内侧胫骨平台的MS应力值减小,而外侧胫骨平台的MS应力值改变不明显,内外侧趋于平衡.结论 采用腓骨高位截骨术治疗轻中度内翻型膝关节骨性关节炎够改变膝关节的力学环境,降低膝关节内侧间室的应力,从而平衡内外侧间室所受到的压力.
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颈椎前路低切迹钛板系统的生物力学评价
目的:对自行研制的颈椎前路低切迹钛板系统(ACLPS)进行生物力学评价.方法:采用16具颈椎标本随机分为A、B两组,行载荷-位移测定后,制作C5椎体及相邻椎间盘切除、髂骨植骨及钛板固定标本(A组用ACLPS,B组用Orion),再行载荷-位移、扭矩和扭转刚度测定;对ACLPS行拔出试验及疲劳试验,以三维有限元分析钛板的应力变化及其分布.结果:ACLPS与Orion内固定后颈椎位移降低幅度、各纵向位移、颈椎的扭矩和扭转刚度、大拔出力及相对位移和能量吸收值比较均无明显统计学差异(P＞0.05);其疲劳强度为473.27Mpa,疲劳载荷次数达5.5×105次,足以满足术后在体内安放较长时间;有限元计算得出ACLPS孔洞周围有较大应力集中,但其孔洞直径和孔边距离仍处安全范围.结论:ACLPS具有较高的强度和紧固能力,能提供较好的生物力学稳定作用.
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L4/5关节突关节融合后椎间盘应力变化的三维有限元分析
目的:建立正常人L3～L5三维非线性有限元模型,运用有限元分析方法模拟分析L4.5双侧关节突关节未融合与融合后L4/5椎间盘的应力分布情况和L4/5节段活动度.方法:选取1例健康成年男性志愿者,年龄27岁,身高175cm,体重70kg,既往无腰痛病史.采用64排螺旋CT对T12～S1行薄层平扫,得到Dicom格式数据,经Mimics软件选取L3～L5椎体二维图像数据,再经Geomagic软件简化、光滑处理,3-matic软件划分面网格和体网格,Mimics软件赋值,终导入Ansys软件中重建腰椎关节突关节未融合和融合(融合L4.5双侧关节突关节)的三维有限元模型.利用Ansys软件约束L5椎体下表面各向活动度,给予L3椎体上表面垂直向下的面载荷500N,并给予7.5N·m的力矩模拟正常人体垂直压缩、前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转7种运动状态,对L4/5双侧关节突未融合与融合后L4/5椎间盘的应力分布情况和L4/5节段活动度进行分析.结果:成功建立了正常人L3～L5关节突关节未融合和融合的三维有限元模型,未融合模型L3/4、L4/5节段活动度与既往文献中腰椎活动度趋势一致.与未融合模型比较,关节突关节融合模型在各运动状态下L4/5椎间盘后方应力明显减小,差异有统计学意义(P＜0.05);前方应力未见明显改变.关节突关节融合模型L4.5节段活动度明显减小.结论:腰椎关节突关节融合可以降低融合节段椎间盘后方应力,减少融合节段的活动度,有利于维持节段的稳定性.
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种植体直径和长度在Ⅲ类骨质中的优化选择
目的 应用Ansys DesignXplorer模块,分析圆柱形种植体直径和长度同时连续变化时对Ⅲ类骨质的颌骨应力的影响,为临床选择和设计种植体提供理论依据.方法 建立包含圆柱状种植体的下颌骨Ⅲ类骨质的骨块三维有限元模型,设定种植体直径变化范围为3.0～5.0 mm,种植体长度变化范围为6.0～16.0 mm,观察直径和长度变化对颌骨Von Mises应力峰值的影响.同时进行颌骨Von Mises应力峰值对变量的敏感度分析.结果 随着直径和长度的增加,垂直向加载时,皮、松质骨的EQV应力峰值分别降低了65.3%和76.8%;颊舌向加载时,皮、松质骨的Von Mises应力峰值分别降低了76.1%和78.0%;当直径大于3.95 mm,同时长度大于10.5 mm时,应力峰值响应曲线的切斜率位于-1和0之间;在垂直向加载和颊舌向加载时,长度和直径分别对皮质骨EQV应力峰值的影响更明显.结论 种植体直径增加更有利于改善颌骨颊舌向加载下的应力分布,种植体长度的增加更有利于改善颌骨垂直加载下的应力分布.从生物力学角度而言,对于Ⅲ类骨质在临床上选择种植体时,种植体的直径应不小于3.95 mm,种植体的长度应不小于10.5 mm.
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单个下颌磨牙缺失种植修复体尺寸对骨界面应力分布的影响
目的:分析单个下颌磨牙缺失采用种植修复时,种植体尺寸对骨界面的应力分布的影响.方法:采用三维有限元法,模拟单个种植体及双种植体修复单个缺失下颌第一磨牙的情况,在保证其它因素不变的条件下,分析种植体尺寸(包括种植体长度和直径)对种植体-骨界面应力分布的影响.结果:不论单种植体修复或双种植体修复单个缺失磨牙时,种植体直径变化对种植体-骨界面应力影响较大,斜向载荷时更为明显;而种植体长度对骨界面应力影响较小.结论:建议临床尽量采用直径较大的种植体修复单个缺失下颌磨牙.
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修复上颌无牙颌不同种植体位置和数目的应力分析
目的:在前端种植体固定桥和后端冠外弹性附着体义齿联合修复上颌无牙颌的修复设计中,比较不同种植体位置和数目的3个有限元模型的应力分布,选择一种更合理的修复设计.方法:建立4个种植体在双侧侧切牙和尖牙的三维有限元模型Ⅰ,通过局部修改,建立2个种植体在双侧尖牙的模型Ⅱ,4个种植体在双侧尖牙和中切牙的模型Ⅲ.应力垂直加载于上颌右侧第一磨牙,加力300N,用MSC软件进行静态应力分析.结果:模型Ⅱ中23种植体处的应力大约是模型Ⅰ的3倍.模型Ⅲ的附着体、23种植体和13种植体的应力比模型Ⅰ和模型Ⅱ明显高.然而,模型Ⅲ中21种植体和11种植体的应力比模型Ⅰ中22种植体和12种植体处的应力低.在模窄Ⅲ中,4个种植体的应力相差很大.结论:在3个模型中,4个种植体在双侧侧切牙和尖牙的模型Ⅰ在生物力学方面是合理的.
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反支撑形螺纹种植体即刻负载时应力分布的三维有限元分析
目的:利用三维有限元模型,探讨圆柱状反支撑形螺纹种植体螺纹形态变化对周围骨组织应力大小的影响,为临床设计和选择佳的种植体螺纹参数提供理论依据.方法:利用包含圆柱状反支撑形螺纹种植体的颌骨三维有限元模型,分别设定螺纹宽度恒定(W=0.2)螺纹齿高(H)变化范围为0.2-0.6mm,或螺纹齿高恒定(H=0.4)螺纹宽度(W)范围为0.1-0.4mm.在种植体正中分别加载垂直向100N和颊舌向45°50N的作用力进行分析.观察H和W变化对颌骨平均应力Von-Mises峰值的影响.结果:即刻负载时,垂直向加载(F1)时,齿高及宽度变化时种植体Von-Mises应力峰值增幅分别为68.39％和20.90％;侧向加载(F2)时,种植体应力峰值变化增幅为42.28％和32.51％;结合两种作用力,当螺纹宽度恒定,齿高为0.3-0.5mm时,即刻负载情况下种植体对颌骨产生的应力峰值相对较小;齿高恒定,宽度设计为0.1-0.3mm时,种植体对颌骨产生的应力峰值相对较小.结论:在生物力学方面研究表示,圆柱状反支撑形螺纹种植体佳的螺纹设计为螺纹齿高在0.3-0.5mm之间,螺纹宽度在0.1-0.3之间;相对于种植体螺纹宽度而言种植体螺纹齿高对应力分布影响更大,种植体螺纹设计时更应重视齿高的设计.
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上颌无牙颌修复中种植体部位和数量对应力分布的影响
目的:探讨修复无牙上颌,种植桥和附着体义齿硬性连接时,种植体部位与数量对应力分布的影响.方法:在无牙上颌模型上制作一个方便采集有限元数据的特殊义齿,螺旋CT扫描后建立3个三维有限元模型.模型1为4个种植体位于双侧中切牙和尖牙;模型2为4个种植体位于双侧侧切牙和尖牙;模型3为6个种植体,位于双侧中切牙、侧切牙和尖牙.前牙区种植体形成固定桥,与后端活动义齿采用硬性附着体连接.附着体与固定桥连接部分为阳性部件,与活动义齿相连部分为阴性部件.结果:三个模型中尖牙种植体的应力值均较大,且都集中在牙颈部,模型3＜模型2＜模型1,模型1约为模型3的1.85倍;在同一模型中,尖牙区种植体大应力值在模型1约为中切牙的10倍,模型2约为侧切牙的5倍;模型3约为侧切牙的3.1倍,中切牙的6.4倍,但其侧切牙和中切牙所受大应力分别与模型2和模型1接近.模型1阳性部件与阴性部件大应力值均比模型2、模型3明显增大,尤其是阴性部件,约为后者的4倍.义齿腭杆的大应力主要集中在前部附着体连接处,其次为树脂基托的连接处,腭杆水平部的转角处.结论:当附着体采用硬性连接时,前牙区选择6个种植体似乎更符合生物力学要求;建议注意附着体与金属支架连接处,腭杆与树脂基托连接处的加强.
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下颌全口义齿(牙合)托咬合面不同加载点对(牙合)托位移的影响
目的:分析下颌全口义齿(牙合)托后牙区咬合面不同加载点及不同牙槽嵴丰满度对(牙合)托位移的影响,初步探讨人工后牙偏颊侧位置排列的适合范围.方法:利用激光三维扫描仪取得下颌无牙颌标准模型牙槽嵴表面形态数据,通过计算机辅助工程(CAE)软件形成下颌全口义齿(牙合)托,以及标准牙槽嵴(S)、丰满牙槽嵴(U)和刃状牙槽嵴(V)等3种断面形态的牙槽嵴黏膜三维有限元模型.在(牙合)托模型咬合面左侧第一前磨牙区(P),第一磨牙区(M1)和第二磨牙区(M2)分别设定始于牙槽嵴顶(PT,M1T和M2T)并向颊侧排列的加载点(PB1-9,M1B1-9,M2B1-9,同部位各加载点间距为0.5mm),共计30个加载点,垂直加载9.8N的力,利用三维有限元分析各条件下(牙合)托的大综合位移.结果:随着单侧加载点由牙槽嵴顶部向颊侧移动,各牙槽嵴条件下(牙合)托的位移都呈现出增加的趋势,但增加的幅度因牙位而不同(牙合)在P加载时的(牙合)托位移增幅较M1和M2的大;在M1和M2加载时,加载点在牙槽嵴顶至颊侧1.5mm范围内,各牙槽嵴条件下(牙合)托位移的增幅都较小且相近,超出此范围,(牙合)托位移增幅显著加大.结论:不同牙位偏牙槽嵴顶颊(牙合)加载对全口义齿(牙合)托位移影响的程度不同.在各牙槽嵴丰满度条件下,前磨牙区人工牙偏颊侧排列较磨牙区更易破坏义齿稳定性,而在磨牙区偏颊侧1.5mm范围内排列人工牙则对义齿稳定性影响较小.
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单侧上颌骨缺损闭合式重建时赝复体的三维有限元分析
目的:在单侧上颌骨缺损闭合式重建后,对赝复体修复方法进行力学分析.方法:利用已有的单侧上颌骨缺损的三维有限元模型,在ANSYS程序中分别建立利用皮瓣封闭缺损腔时,颌骨情况及相应赝复体的模型,并进行三维有限元力学分析.结果:应力集中区位于健侧腭部与封闭区的交界处,且在封闭缺损区的黏膜上有一定的应力集中.健侧后牙受力较为均匀.结论:在进行单侧上颌骨缺损外科闭合式重建手术时,要为今后的赝复体修复提供相应的基础,应加强科室间的合作,以使赝复体获得良好的临床效果.
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两侧非对称性下颌牙槽嵴形态对全口义齿稳定性影响的初步探讨
目的:初步探讨下颌两侧非对称性牙槽嵴形态对全口义齿稳定性的影响.方法:利用激光三维扫描仪取得下颌无牙颌标准模型牙槽嵴表面形态数据,通过计算机辅助工程(CAE)软件形成下颌全口义齿,标准形态牙槽嵴黏膜,以及4种左右形态非对称的牙槽嵴黏膜三维有限元模型:首先建立标准牙槽嵴(S),其次按下颌牙槽骨不同部位吸收至S的1/4高度为条件,分别形成右侧磨牙区吸收(Rm),右侧后牙区吸收(Rpm),右侧牙槽骨吸收(Rapm)及左侧前牙区和右侧牙槽骨吸收(LaRapm)的黏膜模型.在S条件下义齿左右两侧咬合面的双尖牙区P,第一磨牙区M1及第二磨牙区M2等6个部位分别设定位于牙槽嵴顶及其颊侧的2个加载位置,共计12个加载点,单侧垂直加载9.8N的力,利用三维有限元分析各条件下义齿大综合位移.结果:M1加载时各牙槽嵴条件下的义齿大位移较P和M2加载时的小.各部位加载时LaRapm条件下义齿大综合位移都较其他牙槽嵴条件下的大.左侧M2加载时的Rapm较Rm和Rpm的大,P加载及右侧M2加载时的Rm、Rpm、Rapm相近,且都大于S.结论:在单侧加载条件下,下颌两侧非对称性牙槽嵴前牙区高度影响全口义齿稳定性.
