前牙牙槽骨功能性改建過程的數(shù)值模擬

發(fā)布時(shí)間：2020-03-22 17:10

【摘要】：牙槽骨是全身骨骼中代謝最活躍的骨組織，牙周病和生理性退縮等原因都會(huì)造成牙槽骨高度的降低、密度的改變和牙周膜附著高度的喪失，從而使牙周支持組織在咬合力作用下的改建過程發(fā)生變化。牙槽骨內(nèi)存在一些感受器能夠感受外部施加的機(jī)械刺激從而活化相關(guān)骨細(xì)胞，引起骨的吸收或形成，這一過程稱為骨的改建。骨改建主要表現(xiàn)為骨密度的增減和骨形態(tài)的改變。關(guān)于牙槽骨改建的研究，分子生物學(xué)和臨床實(shí)驗(yàn)研究可以揭示改建的機(jī)理及規(guī)律，但均難以定量表述和預(yù)測骨改建過程和結(jié)果。而通過建立包含牙周組織形態(tài)和密度信息的模型，利用數(shù)值模擬改建過程，可以依據(jù)牙槽骨密度與形態(tài)的變化定量表述改建過程并預(yù)測牙槽骨可能的改建結(jié)果，為臨床牙周病的診斷和治療提供參考依據(jù)。本研究建立包含上頜中切牙與牙周組織形態(tài)結(jié)構(gòu)和組織密度信息的三維有限元模型。探索將組織改建理論與有限元方法加以結(jié)合，依據(jù)應(yīng)變能密度的骨改建理論，在開發(fā)有限元分析軟件ABAQUS中的用戶材料子程序（UMAT，The user material subroutine）和仿真軟件MATLAB工具箱基礎(chǔ)上，建立了上頜中切牙牙槽骨組織功能性改建過程的改建模型，分析不同咬合力對(duì)上頜中切牙牙槽骨改建過程中骨組織密度和組織形態(tài)變化的影響，為臨床工作中分析牙槽骨的改建過程和預(yù)測改建結(jié)果提供一種新的方法。本研究包括以下四部分實(shí)驗(yàn)： 1.上頜中切牙與牙周組織三維有限元模型的建立選取一顆因外傷脫落解剖形態(tài)正常、完整的上頜中切牙作為建模依據(jù)；用Micro CT以30μm層厚掃描，以DICOM格式存儲(chǔ)后導(dǎo)入Mimics軟件，獲得中切牙三維表面形態(tài)，并以STL格式保存。利用Geomagic Studio11.0對(duì)生成模型進(jìn)行表面修整后轉(zhuǎn)化為NURBS曲面。再通過UG NX6中進(jìn)行實(shí)體化，獲得上頜中切牙三維實(shí)體模型并參考牙根外表面形態(tài)構(gòu)建出牙周膜組織（0.2mm）、外層皮質(zhì)骨（2mm）和內(nèi)層松質(zhì)骨，模型導(dǎo)入ABAQUS有限元分析軟件生成有限元模型。 2.上頜中切牙牙槽骨功能性改建模型的建立在實(shí)驗(yàn)一所建有限元模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)基于應(yīng)變能密度的骨改建理論，通過開發(fā)有限元分析中的用戶材料子程序（UMAT），建立上頜中切牙牙槽骨功能性改建過程的生物力學(xué)模型，探索數(shù)值模擬牙槽骨改建的可行性。 3.載荷對(duì)牙槽骨組織密度變化的影響通過實(shí)驗(yàn)二的方法，進(jìn)一步建立牙槽骨密度變化與時(shí)間增量之間的關(guān)系，模擬不同大小載荷下，牙槽骨24個(gè)月的密度變化情況及其結(jié)果，以期能定量表述不同大小載荷下牙槽骨密度的變化規(guī)律。 4.載荷對(duì)牙槽骨組織形態(tài)變化的影響在實(shí)驗(yàn)三的基礎(chǔ)上開發(fā)仿真軟件MATLAB工具箱，依據(jù)改建后牙槽骨組織的密度信息為判據(jù)，對(duì)改建中的模型進(jìn)行形態(tài)修整，再進(jìn)行下一階段的改建過程模擬。以實(shí)現(xiàn)不同載荷下牙槽骨改建過程中組織形態(tài)學(xué)變化的模擬，分析載荷對(duì)牙槽骨組織形態(tài)變化的影響。研究結(jié)果表明： 1.實(shí)驗(yàn)所建上頜中切牙及牙周組織有限元模型與天然牙及牙周組織具有相似的幾何形態(tài)，能較好的模擬上頜中切牙及牙周組織的受力情況，為牙周組織改建模型的建立打下良好的基礎(chǔ)。 2.將有限元與基于應(yīng)變能密度（SED）的骨改建理論相結(jié)合，通過開發(fā)有限元分析軟件ABAQUS的UMAT與仿真軟件MATLAB工具箱，建立起了通過牙槽骨密度與骨組織形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化，反映上頜中切牙在不同載荷下牙槽骨組織改建的生物力學(xué)模型。 3.前牙牙槽骨頰側(cè)頸緣處承受較大的壓應(yīng)力，并隨著咬合力增加，壓應(yīng)力逐漸增大。舌側(cè)所受拉應(yīng)力也隨著咬合力的增加而增大，但應(yīng)力值均小于頰側(cè)所受壓應(yīng)力。隨著載荷的增加，頰舌側(cè)皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨的應(yīng)變也均增加。其中頰舌側(cè)松質(zhì)骨的應(yīng)變值大于皮質(zhì)骨。 4.牙槽骨頰舌側(cè)皮質(zhì)骨密度變化主要集中在頸緣區(qū)域，在前三個(gè)月頰舌側(cè)皮質(zhì)骨密度都比較穩(wěn)定。60N載荷下牙槽骨頰舌側(cè)皮質(zhì)骨第4個(gè)月到第24個(gè)月密度呈現(xiàn)緩慢升高。當(dāng)載荷為70N-150N時(shí)，牙槽骨頰舌側(cè)皮質(zhì)骨頸緣的密度經(jīng)過前三個(gè)月的平穩(wěn)期后，出現(xiàn)密度增加的階段，然后隨著載荷的進(jìn)一步增加，密度值呈現(xiàn)下降的趨勢。結(jié)論 1.將基于應(yīng)變能密度的骨改建理論與有限元分析相結(jié)合，分析不同咬合力作用下前牙牙槽骨改建過程中密度及形態(tài)變化情況，，研究結(jié)果表明該方法技術(shù)路線可行，模擬分析結(jié)果與臨床情況相近，為牙周組織改建的研究提供了一種新的方法。 2.當(dāng)天然牙齒受到過大的載荷時(shí)，在頰舌側(cè)分別形成壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，相對(duì)應(yīng)部位的應(yīng)變能均較高，從而均可引起牙槽骨密度的降低。 3.牙槽骨頰舌側(cè)皮質(zhì)骨密度變化主要集中在頸緣區(qū)域；當(dāng)咬合力為60N和70N時(shí)，24個(gè)月內(nèi)上頜前牙牙槽骨的密度趨于穩(wěn)定狀態(tài)，牙槽骨組織形態(tài)沒有變化。當(dāng)載荷大于80N時(shí)，在牙槽骨頰舌側(cè)的頸緣區(qū)域，牙槽骨密度隨載荷和時(shí)間的增加，呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，皮質(zhì)骨也出現(xiàn)明顯吸收。 4.當(dāng)牙槽骨承受較大的外載荷時(shí)，牙槽骨頰舌側(cè)均出現(xiàn)骨吸收和附著高度的降低。載荷越大牙槽骨出現(xiàn)吸收的時(shí)間越早，牙槽骨高度降低的也越多。
【圖文】：

上頜中切牙,三維模型