口腔正畸微植体支抗技术的生物力学研究

论文摘要

口腔正畸治疗是正畸医生利用特定矫治装置，对患者的牙齿、颌骨等组织器官施加特定大小和方向的力，以达到在生理范围内定向移动牙齿、和／或影响颌骨生长之目的，从而矫正患者的牙颌面畸形的一种治疗方法。在正畸治疗中，正确地理解矫治力的传递，以及相应的牙、牙周膜、颌骨等组织受力后的生物力学效应是正畸医师合理设计矫治力系统、进行有效正畸治疗的前提和基础，也是治疗成败的关键。正畸医师除了利用各种专门装置对患者的牙齿、颌骨等组织器官施加矫治力以达到治疗目的外，还要确定一些组织器官或装置来承受由此产生的反作用力，这些组织器官或装置被叫作“支抗（Anchorage）”。其中微螺钉种植体支抗（以下简称“微植体支抗”，Micro-Implant Anchorage，MIA）系统是将生物相容性良好的纯钛材料制成形状不同的螺钉，再根据需要植入颌骨的不同部位，通过微植体与颌骨组织良好的结合，以承受正畸治疗的反作用力的一种新型支抗系统。该系统以它植入的微螺钉体积细小、临床操作简便、患者口腔异物感小、支抗作用强（被称为“绝对支抗”）、植入位置灵活等优势而对传统的正畸治疗产生了革命性的影响，也因此受到了正畸医师的广泛关注。尽管在使用微植体支抗时，正畸医师都进行了审慎的计划与仔细的操作，但临床上始终存在一定数量的微植体支抗松动率，且随着承载力量的加大，其松动率有增大的趋势。这一现象与微植体周围组织应力分布密切相关，而应力分布又与微植体构型设计、骨组织界面结合形式等因素密切相关。此外，应用微植体时的“微植体—矫治器—牙—牙槽骨—颌骨”矫治力系统，与使用传统支抗方式的“口外装置—矫治器—牙—牙槽骨—颌骨”矫治力系统相比较，其力系统也发生了很大的改变。然而上述问题与改变的生物力学机制目前还仅限于初步研究，所得出的结论也存在差异。由于牙颌面结构复杂，在其功能活动时本身的生物力学影响因素就很多，加之各种矫治器的引入与应用，对正畸矫治力系的生物力学研究始终是非常困难的一件事。近年来，随计算机科学发展起来的有限元数值分析方法，在口腔生物力学研究领域发挥了巨大的作用。但是，目前针对“微植体—矫治器—牙—牙槽骨—颌骨”矫治力系统的装配式有限元模型尚未见报道，以往研究也存在模型构建缓慢、几何相似性差、模型组合性能较弱等局限因素，这些存在的问题促成了本文研究工作的开展。本文第一部分即利用经CT、Mimics及ABAQUES三维建模思路构建出全新的、包含“微植体—骨界面”的三维有限元牙颌模型。在第二部分中通过假设不同的“微植体—骨界面”结合状态，对“微植体—骨界面”的应力分布情况进行了数值分析，验证了该模型可以作为一个有效地进行口腔正畸生物力学相关研究的有限元研究平台。第三部分对该模型进行了必要的扩展，首次将正畸常规治疗体系——直丝弓矫治器“组装”到了包含“微植体—骨界面”的三维有限元牙颌模型上，并对其进行了初步的验证。第四部分则利用整合后的模型对“微植体—直丝弓—牙—牙槽骨—颌骨”内收上前牙的矫治力系进行了系统的数值计算与仿真研究。第一部分：包含“微植体—骨界面”的三维有限元牙颌模型的快速、准确构建目的：探索基于Mimics医学图像处理系统的CT法建模新思路，快速、准确建立几何相似性优良、含微植体和部分牙齿的上颌骨三维有限元模型。方法：以一牙列完整的成人干颅骨为标本，通过螺旋CT扫描后将图像传输至Mimics系统，提取感兴趣的部分进行三维重建，再运用ABAQUES对三维模型进行网格划分后建模。结果：获得几何相似性优良、可任意分割、拆卸的三维有限元模型；探索出一条基于Mimics的生物力学建模新方法。结论：应用高精度螺旋CT扫描、Mimics和ABAQUES相结合的方法，快速建立包含“微植体—骨界面的三维有限元牙颌模型”是切实有效和可行的。Mimics系统有助于快速建模及提高模型的几何相似性。第二部分：微植体支抗—骨界面的生物力学研究及微植体颈部优化设计探讨目的：模拟分析正畸力载荷作用下不同的“微植体—骨界面”结合形式其应力分布情况。基于计算结果对微植体形态进行改进，并建模比较分析改良微植体的应力分布情况。方法：在按前述方法建立的“微植体—骨界面”的三维有限元牙颌模型中，依据“微植体—骨界面”的不同结合状态，分别确定微植体刚植入时的“初始稳定状态”、“完全骨整合”以及“纤维骨性固位”三种情况，对微植体施加相同的正畸力载荷并分别计算三种界面的应力分布状态。结果：在三种骨界面状态下微植体的应力分布主要集中在颈部，其中“完全骨整合”的“微植体—骨界面”应力水平最低。基于计算结果对微植体颈部构型进行优化设计，发现优化设计后的颈部应力水平显著降低。结论：在三种骨界面状态下微植体均可稳定地作为正畸支抗。对微植体颈部进行优化设计能有效降低应力水平。第三部分：直丝弓滑动法关闭拔牙间隙的三维有限元模型的建立目的：探索建立直丝弓滑动法关闭拔牙间隙的三维有限元模型的新思路，为直丝弓矫治器滑动法关闭拔牙间隙的机制提供生物力学依据。方法：在按前述方法建立的三维有限元牙颌模型中，根据东方人预成直丝弓矫治器的数据标准将牙齿组装至完全排齐、整平。运用ABAQUES前处理程序生成弓丝、托槽并通过布尔运算生成最后的三维有限元模型。结果：获得了仿真直丝弓矫治器滑动法关闭间隙的三维有限元数值模型。在模型上施以2N的力加载后，上前牙出现舌向初始位移，舌侧牙周膜出现压应力区。验证了模型的合理性。结论：建立了仿真直丝弓矫治器滑动法关闭间隙的、具备优良几何相似性的三维有限元数值模型。再次验证了本研究的有限元数值建模方法快速、准确、可行。第四部分：“微植体支抗—矫治器—牙—牙槽骨—颌骨”矫治力系统内收上前牙的三维有限元研究目的：从生物力学角度研究不同植入高度的微植体以及不同高度的牵引钩，在直丝弓矫治器滑动法关闭间隙时，对上前牙初始牙移动的影响。方法：建立“微植体支抗—直丝弓—牙—牙槽骨—颌骨”的三维有限元模型。研究用不同植入高度的微植体以及不同高度的牵引钩，在1.5N力的作用下使上前牙发生的初始移动趋势。结果：1、在使用植入高度较低的微植体时，上前牙的舌向初始牙移动比使用植入位置较高的微植体时更明显。而在使用植入高度较高的微植体时，上前牙的压低移动则更为明显。2、当牵引钩高度增加时，上前牙的初始移动趋势从舌向移动逐渐转变为了向唇侧移动。结论：本文建立的“微植体支抗—直丝弓—牙—牙槽骨—颌骨”三维有限元模型可以有效地模拟微植体对正畸矫治力系统的影响，对临床医师正确地设计、使用矫治力系统具有重要的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 口腔生物力学研究与有限元分析
• 1.3 微植体支抗研究进展简介及相关生物力学问题的提出
• 1.4 本文研究内容及创新点
• 第二章:微植体—骨界面三维有限元模型的建立
• 引言
• 2.1 微植体—骨界面三维有限元模型的建立
• 2.2 含微植体和第二双尖牙、第一磨牙的上颌骨三维有限元模型的材料属性
• 2.3 含微植体和第二双尖牙、第一磨牙的上颌骨三维有限元模型网格划分
• 2.4 含微植体和第二双尖牙、第一磨牙的上颌骨三维有限元模型荷载和约束
• 2.5 结果
• 2.6 讨论
• 2.7 小结
• 第三章 微植体支抗—骨界面的生物力学研究及微植体颈部构型的优化设计探讨
• 引言
• 3.1 材料与方法
• 3.2 结果
• 3.3 讨论
• 3.4 小结
• 第四章 直丝弓矫治器滑动法关闭间隙的三维有限元模型的建立
• 引言
• 4.1 材料和方法
• 4.2 结果
• 4.3 讨论
• 4.4 小结
• 第五章 微植体植入高度及牵引钩高度对关闭上颌拔牙间隙时切牙初始位移的三维有限元分析
• 引言
• 5.1 材料和方法
• 5.2 结果
• 5.3 讨论
• 5.4 小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 本研究的工作总结
• 6.2 本研究的创新点
• 6.3 本研究后继工作展望
• 参考文献
• 在读期间科研成果
• 致谢