本文選題：牙種植體 + 三維有限元�。� 參考：《浙江大學(xué)》2014年博士論文

【摘要】：有限元分析已廣泛地應(yīng)用于種植牙的生物力學(xué)研究。但是,大多數(shù)研究是建立在簡(jiǎn)化的各向同性下頜骨模型上,極少數(shù)建立各向異性模型。而下頜骨是一種多相的、非均質(zhì)的、多孔性、正交各向異性的復(fù)合材料。生物力學(xué)模型的仿真度會(huì)明顯影響有限元計(jì)算的結(jié)果。本研究將基于多模態(tài)數(shù)據(jù)建立高度仿真的完全正交各向異性的下頜骨三維有限元模型(包括高精度牙冠和牙根形態(tài)的完整牙列、牙周膜及顳下頜關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和主要咀嚼肌群)；系統(tǒng)地比較分析頜骨材質(zhì)的仿真度(正交各向異性、橫觀(guān)各向同性和各向同性)對(duì)種植牙有限元分析的影響；并且利用顯微CT掃描建立骨小梁微結(jié)構(gòu)的下頜骨三維有限元模型,比較分析骨小梁結(jié)構(gòu)建模對(duì)種植體骨界面力學(xué)特性分布的影響。 第一部分 全牙列高仿真正交各向異性下頜骨三維有限模型的建立 目的： 建立全牙列高仿真的正交各向異性下頜骨三維有限元模型,為有限元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性提供了充分的保證。 材料和方法： 選取1名牙列完整的健康男性志愿者,采用螺旋CT和MR掃描下頜骨并以DICOM數(shù)據(jù)保存。將DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī),再結(jié)合口腔專(zhuān)用CT掃描的全牙列標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù),用自主開(kāi)發(fā)的通用外科手術(shù)集成系統(tǒng)(Universal Surgical Integration System, USIS)將三組數(shù)據(jù)配準(zhǔn)與融合,最后集成包括皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨,牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)、牙周膜、顳下頜關(guān)節(jié)盤(pán)、髁突軟骨、顳頜關(guān)節(jié)窩和關(guān)節(jié)窩軟骨的實(shí)體模型。根據(jù)帶全牙列下頜骨的形態(tài)結(jié)構(gòu)和正交各向異性材質(zhì)主方向的特點(diǎn),進(jìn)行網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?并模擬咀嚼肌加載,建立完全正交各向異性的下頜骨三維有限元模型。 結(jié)果： 建立的下頜骨三維有限元模型包含顳頜關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及關(guān)節(jié)盤(pán)、高精度的全牙列結(jié)構(gòu)形態(tài),網(wǎng)格單元形狀規(guī)則,疏密可控,較密的網(wǎng)格單元分布在顳頜關(guān)節(jié)接觸區(qū)和牙冠牙根等力學(xué)集中區(qū)域。對(duì)于頜骨的骨皮質(zhì)和骨松質(zhì)區(qū)域,每個(gè)局部點(diǎn)材質(zhì)坐標(biāo)系都用三個(gè)正交的主方向確定,每個(gè)單元有過(guò)渡光滑的局部正交各向異性材質(zhì)坐標(biāo)系方向。完整的下頜骨三維有限元模型總共包括497127個(gè)節(jié)點(diǎn),334781個(gè)四面體網(wǎng)格單元,其中包括40928個(gè)膜單元。 結(jié)論： 本實(shí)驗(yàn)建立的全牙列正交各向異性下頜骨三維有限元模型,具有很高的生物仿真度,幾何相似性和力學(xué)相似性極高,為種植牙有限元分析提供了良好的基礎(chǔ)。 第二部分 下頜骨各向異性材質(zhì)建模對(duì)牙種植體有限元分析的影響 目的： 比較分析正交各向異性、橫觀(guān)各向同性與各向同性下頜骨有限元模型對(duì)種植牙有限元分析結(jié)果的影響。 材料和方法： 在USIS軟件中,建立包含顳頜關(guān)節(jié)的全牙列完整下頜骨模型同第一部分。利用光學(xué)投影儀和CATIA V軟件對(duì)Straumann螺紋種植體和基臺(tái)進(jìn)行精確三維建模,并植入于下頜骨第一磨牙區(qū)。最后分別建成包含種植體的正交各向異性、橫觀(guān)各向同性和各向同性的下頜骨三維有限元模型,導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行有限元計(jì)算。正交各向異性用9個(gè)獨(dú)立的力學(xué)參數(shù)來(lái)確定,即每個(gè)局部點(diǎn)材質(zhì)坐標(biāo)系必須三個(gè)正交的主方向確定；橫觀(guān)各向同性由等效各向異性推導(dǎo)出5個(gè)獨(dú)立的力學(xué)參數(shù)來(lái)描述,存在一條對(duì)稱(chēng)軸,而在垂直于對(duì)稱(chēng)軸方向的平面上所有方向都是等效方向；各向同性用2個(gè)獨(dú)立的力學(xué)參數(shù)來(lái)描述。 結(jié)果： 從各向同性到橫觀(guān)各向同性和正交各向異性模型,皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、種植體、牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)和牙周膜等的應(yīng)力值幾乎都以遞增為主,但種植體、基臺(tái)、牙冠、釉質(zhì)、牙本質(zhì)和牙周膜等的應(yīng)力值差別不明顯。與各向同性模型相比,下頜骨正交各向異性模型中種植體骨界面的應(yīng)力應(yīng)變值幾乎都增加,尤其以松質(zhì)骨應(yīng)力應(yīng)變最大值增加最為顯著,多則以成倍增加；但正交各向異性模型下頜骨的應(yīng)力應(yīng)變分布似乎較均勻,各向同性模型的應(yīng)力應(yīng)變集中較明顯。 結(jié)論： 種植牙有限元分析時(shí),下頜骨正交各向異性模擬會(huì)明顯影響種植體骨界面應(yīng)力和應(yīng)變的分布,并以增加為主,尤其是松質(zhì)骨。我們?cè)诜N植牙生物力學(xué)研究中不可忽視下頜骨正交各向異性的力學(xué)特性。 第三部分 骨小梁微結(jié)構(gòu)建模對(duì)牙種植體有限元分析的影響 目的： 利用顯微CT掃描建立含種植體的骨小梁微結(jié)構(gòu)下頜骨三維有限元模型,比較分析骨小梁微結(jié)構(gòu)建模對(duì)種植體骨界面力學(xué)特性分布的影響。材料和方法： 拔除健康成年比格犬下頜第三、四前磨牙,術(shù)后3月在骨愈合后的牙槽骨植入種植體。植入3月后取含種植體的下頜骨標(biāo)本,分別用Micro-CT和CBCT掃描,并用USIS軟件建立含種植體的骨小梁微結(jié)構(gòu)下頜骨三維有限元模型(精確模型)和宏觀(guān)結(jié)構(gòu)下頜骨三維有限元模型(簡(jiǎn)化模型)。最后導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行有限元計(jì)算,種植體垂直加載50N。 結(jié)果： 考慮骨小梁結(jié)構(gòu)時(shí)種植體骨界面應(yīng)力最大值和平均值都顯著增大,應(yīng)變最大值和平均值都明顯減�。坏刃�(yīng)力最大值和平均值分別是簡(jiǎn)化模型的2.6-3.1倍和2.3-3.2倍,而等效應(yīng)變最大值和平均值分別是簡(jiǎn)化模型的47%-58%和20%-22%。簡(jiǎn)化模型中種植體骨界面應(yīng)力應(yīng)變集中較明顯,應(yīng)力集中于頸部,應(yīng)變集中于螺紋部位和底部的松質(zhì)骨；而骨小梁結(jié)構(gòu)的精確模型中種植體骨界面等效應(yīng)力應(yīng)變集中不明顯、分布較均勻,應(yīng)力應(yīng)變都主要集中在骨小梁。 結(jié)論： 骨小梁結(jié)構(gòu)的精確模型明顯影響種植體骨界面應(yīng)力應(yīng)變的分布,骨小梁結(jié)構(gòu)有分散應(yīng)力和緩沖載荷的作用。
[Abstract]:Finite element analysis has been widely applied to the biomechanical study of implant teeth . However , most of the studies have been established on a simplified isotropic mandibular model with a very small number of anisotropic models . The simulation of biomechanical models can significantly affect the results of finite element calculations .
The influence of the simulation degree of jaw materials ( orthogonal anisotropy , transverse isotropic and isotropic ) on the finite element analysis of implant teeth was systematically compared .
The three - dimensional finite element model of the mandible was established by means of micro - CT scanning , and the effects of the structural modeling on the mechanical properties of the implant bone interface were compared .

the first portion

Establishment of Three - dimensional Finite Element Model of Orthotropic Mandible Mandible with Full - tooth Column

Purpose :

A three - dimensional finite element model of orthotropy mandible with full - tooth column height simulation is established , which provides sufficient assurance for the accuracy of finite element calculation .

Materials and methods :

Three groups of data were registered and fused by means of universal Surgical Integration System ( USIS ) , which included cortical bone and cancellous bone , tooth enamel , dentin , periodontal ligament , temporo - mandibular joint disc , condylar cartilage , temporalis joint fossa and articular cartilage .

Results :

The established three - dimensional finite element model of the mandible consists of the structure of the temporo - jaw joint and the articular disc , the high - precision all - tooth column structure , the shape rule of the mesh unit , the density - controllable , the dense mesh unit is distributed in the mechanical concentrated areas such as the temporognathic joint contact zone and the crown root canal .

Conclusion :

The three - dimensional finite element model of all - tooth column orthogonal anisotropy was established in this experiment , which has very high biological simulation , geometric similarity and mechanical similarity , and provides a good basis for the finite element analysis of implant teeth .

the second part

Influence of Modeling of Mandible Anisotropic Materials on Finite Element Analysis of Dental Implants

Purpose :

The effects of orthogonal anisotropy , transverse isotropic and isotropic mandibular finite element model on the results of finite element analysis were compared .

Materials and methods :

In the USIS software , the complete mandible model and the first part of the complete mandible were established . Using the optical projector and the CATIA V software , the Straumann screw implant and abutment were modeled in three dimensions and implanted in the first molar area of the mandible . Finally , three - dimensional finite element model of the mandibular first molar was built . The orthogonal anisotropy was determined by nine independent mechanical parameters , i.e . , each local point material coordinate system must be determined in three orthogonal principal directions ;
The transverse isotropic is described by the equivalent anisotropy of five independent mechanical parameters , and there is an axis of symmetry , and all directions in the plane perpendicular to the axis of symmetry are equivalent directions ;
Isotropic is described by two independent mechanical parameters .

Results :

The stress values of implant , abutment , crown , enamel , dentin and periodontal ligament were almost all increased from isotropic to transverse isotropic and orthogonal anisotropic models , but the stress values of implant , abutment , crown , enamel , dentin and periodontal ligament were not obvious .
However , the stress - strain distribution of the mandible under the orthogonal anisotropic model appears to be more uniform , and the stress - strain concentration of the isotropic model is more obvious .

Conclusion :

In the finite element analysis of implant teeth , the orthogonal anisotropy simulation of mandible can significantly affect the distribution of stress and strain of implant bone interface , especially cancellous bone , and we can not neglect the mechanical properties of mandibular orthogonal anisotropy in implant biomechanical study .

PART III

Effect of Microstructural Modeling on Dental Implant by Finite Element Analysis

Purpose :

The three - dimensional finite element model of bone trabecular structure with implant was established by means of micro - CT scanning , and the effects of microstructure modeling on the mechanical properties of implant bone interface were analyzed .

The mandibular third and four anterior teeth were removed from healthy adult Beagle dogs . The implants were implanted into the alveolar bone after bone healing in March . The mandibular specimens containing implants were scanned by Micro - CT and CBCT respectively . The three - dimensional finite element model ( exact model ) and three - dimensional finite element model ( simplified model ) were established by using the USIS software . Finally , the ANSYS software was introduced to calculate the finite element , and the implant was loaded vertically by 50N .

Results :

When considering the trabecular structure , the maximum stress and the mean value of the implant bone interface were significantly increased , and the maximum strain and the average value were significantly reduced .
The maximum and mean values of equal effect force are 2.6 - 3.1 times and 2.3 - 3.2 times of the simplified model , respectively , while the maximum and average values are 47 % -58 % and 20 % -22 % of the simplified model , respectively .
In the precise model of trabecular structure , the stress strain concentration of implant bone interface is not obvious , the distribution is more uniform , and the stress strain is mainly concentrated in the trabecular bone .

Conclusion :

The precise model of trabecular structure significantly affects the distribution of stress and strain in the implant bone interface , and the trabecular structure has the function of dispersing stress and buffering load .

【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：R783.6

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本文編號(hào)：1892772