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不同骨質(zhì)條件下種植體直徑和長(zhǎng)度的生物力學(xué)優(yōu)化分析和選擇

發(fā)布時(shí)間：2020-05-29 03:58

【摘要】： 種植義齒因具有傳統(tǒng)活動(dòng)義齒、固定義齒無法比擬的優(yōu)勢(shì),在近十幾年中得到了長(zhǎng)足的發(fā)展,越來越受到患者的青睞。雖然種植修復(fù)具有高達(dá)90%以上的遠(yuǎn)期成功率,但臨床上仍不時(shí)有種植修復(fù)失敗的病例報(bào)道,包括種植體的折斷、松動(dòng),甚至于最后的脫落等,頜骨局部負(fù)荷過大引起的種植體周圍骨吸收則是造成種植修復(fù)失敗的主要原因之一。而種植修復(fù)的生物力學(xué)特性則在保障種植修復(fù)的遠(yuǎn)期成功率方面起著非常重要的作用。大量的研究結(jié)果表明,影響種植體生物力學(xué)傳遞的因素主要包括:種植體材料、種植體設(shè)計(jì)、修復(fù)體設(shè)計(jì)、頜骨的生物力學(xué)特性和咬合力的加載方式等。相對(duì)于其它影響因素而言,種植體直徑、長(zhǎng)度的優(yōu)化選擇和頜骨質(zhì)量在影響種植修復(fù)的遠(yuǎn)期成功率方面起著更為重要的作用。在以往的關(guān)于種植體直徑和長(zhǎng)度的研究報(bào)道中,多為直徑或長(zhǎng)度的單因素、離散組合分析,其不能準(zhǔn)確的反映種植體直徑和長(zhǎng)度同時(shí)、連續(xù)變化對(duì)頜骨應(yīng)力和種植體穩(wěn)定性的影響,同時(shí)目前尚未見種植體直徑和長(zhǎng)度在不同頜骨質(zhì)量時(shí)相互關(guān)系的報(bào)道。本課題擬借助Pro/E和Ansys Workbench機(jī)械工程優(yōu)化分析方法,對(duì)不同骨質(zhì)條件下種植體的直徑和長(zhǎng)度進(jìn)行系統(tǒng)的生物力學(xué)優(yōu)化分析,為臨床選擇種植體提供生物力學(xué)理論參考。實(shí)驗(yàn)一:應(yīng)用Pro/E參數(shù)化建模軟件,繪制種植體、皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、冠修復(fù)體的三維實(shí)體模型,應(yīng)用Pro/E的自適應(yīng)裝配功能,建立可隨種植體宏觀結(jié)構(gòu)參數(shù)自適應(yīng)改變的種植體骨塊三維實(shí)體模型。應(yīng)用Pro/E與Ansys Workbench軟件的無縫雙向參數(shù)傳遞功能,將實(shí)體模型導(dǎo)入Ansys Workbench軟件中劃分單元,建立可隨種植體宏觀結(jié)構(gòu)參數(shù)自適應(yīng)改變的種植體骨塊三維有限元模型,力學(xué)加載后進(jìn)行模型準(zhǔn)確性的檢測(cè)。該模型的建立為后期真正意義上的種植體優(yōu)化選擇提供了技術(shù)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)二:I類骨質(zhì)下,設(shè)定種植體直徑(D)和長(zhǎng)度(L)為設(shè)計(jì)變量(Design Variable,DV),D變化范圍為3.0-5.0mm,L變化范圍為6.0-16.0mm,設(shè)定頜骨平均主應(yīng)力(Equivalent應(yīng)力,EQV應(yīng)力)峰值和種植體-基臺(tái)復(fù)合體位移峰值為目標(biāo)函數(shù)(Objective Function,OBJ),觀察DV變化對(duì)OBJ的影響。同時(shí)進(jìn)行OBJ對(duì)DV的敏感度分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著D和L的增加,垂直向(Axial,AX)加載下,皮、松質(zhì)骨的EQV應(yīng)力峰值分別降低54.5%和70.2%;頰舌向(Buccolingual,BL)加載下,皮、松質(zhì)骨的EQV應(yīng)力峰值分別降低了73.5%和75.1%;AX和BL加載下,種植體-基臺(tái)復(fù)合體位移峰值分別降低了51.4%和73.8%。在各種加載下,當(dāng)D大于3.8mm同時(shí)L大于9.0mm時(shí),單DV的響應(yīng)曲線切斜率位于-1和0之間。通過OBJ對(duì)DV的敏感度分析發(fā)現(xiàn), D比L對(duì)OBJ的影響更明顯。結(jié)果提示I類骨質(zhì)下,種植體直徑比長(zhǎng)度更易影響頜骨的應(yīng)力大小和種植體的穩(wěn)定性;在臨床上選擇種植體時(shí),種植體直徑應(yīng)不小于3.8mm,種植體長(zhǎng)度應(yīng)不小于9.0mm。實(shí)驗(yàn)三:II類骨質(zhì)下,DV、OBJ的設(shè)定及觀察指標(biāo)同實(shí)驗(yàn)二。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著D和L的增加,AX加載下,皮、松質(zhì)骨的EQV應(yīng)力峰值分別降低67.9%和75.0%;BL加載下,皮、松質(zhì)骨的EQV應(yīng)力峰值分別降低了64.9%和65.4%;AX和BL加載下,種植體-基臺(tái)復(fù)合體位移峰值分別降低了53.7%和73.7%。在各種加載下,當(dāng)D大于3.85mm同時(shí)L大于9.0mm時(shí),單DV的響應(yīng)曲線切斜率位于-1和0之間。通過OBJ對(duì)DV的敏感度分析發(fā)現(xiàn),D比L對(duì)OBJ的影響更明顯。結(jié)果提示,II類骨質(zhì)下,種植體直徑比長(zhǎng)度更易影響頜骨的應(yīng)力大小和種植體的穩(wěn)定性;在臨床上選擇種植體時(shí),種植體直徑應(yīng)不小于3.85mm,種植體長(zhǎng)度應(yīng)不小于9.0mm。實(shí)驗(yàn)四:III類骨質(zhì)下,DV、OBJ的設(shè)定及觀察指標(biāo)同實(shí)驗(yàn)二。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著D和L的增加,AX加載下,皮、松質(zhì)骨的EQV應(yīng)力峰值分別降低65.3%和76.8%; BL加載下,皮、松質(zhì)骨的EQV應(yīng)力峰值分別降低了76.1%和78.0%;AX和BL加載下,種植體-基臺(tái)復(fù)合體位移峰值分別降低了60.6%和77.0%。在各種加載下,當(dāng)D大于3.95mm同時(shí)L大于10.5mm時(shí),單DV的響應(yīng)曲線切斜率位于-1和0之間。通過OBJ對(duì)DV的敏感度分析發(fā)現(xiàn),D和L分別有利于BL和AX加載下的應(yīng)力分布,并改善種植體的穩(wěn)定性。結(jié)果提示,III類骨質(zhì)下,種植體的直徑和長(zhǎng)度在保障種植體的遠(yuǎn)期成功率時(shí)都起著重要的作用;在臨床上選擇種植體時(shí),種植體直徑應(yīng)不小于3.95mm,種植體長(zhǎng)度應(yīng)不小于10.5mm。實(shí)驗(yàn)五:IV類骨質(zhì)下,DV、OBJ的設(shè)定及觀察指標(biāo)同實(shí)驗(yàn)二。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著D和L的增加,AX加載下,皮、松質(zhì)骨的EQV應(yīng)力峰值分別降低63.9%和87.9%;BL加載下,皮、松質(zhì)骨的EQV應(yīng)力峰值分別降低了76.2%和92.7%;AX和BL加載下,種植體-基臺(tái)復(fù)合體位移峰值分別降低了63.6%和74.7%。在各種加載下,當(dāng)D大于4.0mm同時(shí)L大于11.0mm時(shí),單DV的響應(yīng)曲線切斜率位于-1和0之間。通過OBJ對(duì)DV的敏感度分析發(fā)現(xiàn),D和L分別有利于BL和AX加載下的應(yīng)力分布,并改善種植體的穩(wěn)定性。結(jié)果提示,IV類骨質(zhì)下,種植體的直徑和長(zhǎng)度在保障種植體的遠(yuǎn)期成功率時(shí)都起著重要的作用;在臨床上選擇種植體時(shí),種植體直徑應(yīng)不小于4.0mm,種植體長(zhǎng)度應(yīng)不小于11.0mm。綜上所述,從I類到IV類骨質(zhì),相同直徑和長(zhǎng)度的種植體傳遞至頜骨的應(yīng)力和種植體的位移隨之增加。從I類到IV類骨質(zhì),種植體直徑變化造成的頜骨的應(yīng)力和種植體的位移變化幅度逐漸減小;種植體長(zhǎng)度變化造成的頜骨的應(yīng)力和種植體的位移變化幅度逐漸增加。不同骨質(zhì)情況下,種植體直徑和長(zhǎng)度的優(yōu)化選擇范圍為:I類骨質(zhì),種植體直徑大于3.80mm,長(zhǎng)度大于9.0mm;II類骨質(zhì),種植體直徑大于3.85mm,長(zhǎng)度大于9.0mm;III類骨質(zhì),種植體直徑大于3.95mm,長(zhǎng)度大于10.5mm;IV類骨質(zhì),種植體直徑大于4.00mm,長(zhǎng)度大于11.0mm。
【圖文】：

云圖,響應(yīng)曲線,響應(yīng)面,多項(xiàng)性