不同骨质条件下种植体直径和长度的生物力学优化分析和选择

论文摘要

种植义齿因具有传统活动义齿、固定义齿无法比拟的优势,在近十几年中得到了长足的发展,越来越受到患者的青睐。虽然种植修复具有高达90%以上的远期成功率,但临床上仍不时有种植修复失败的病例报道,包括种植体的折断、松动,甚至于最后的脱落等,颌骨局部负荷过大引起的种植体周围骨吸收则是造成种植修复失败的主要原因之一。而种植修复的生物力学特性则在保障种植修复的远期成功率方面起着非常重要的作用。大量的研究结果表明,影响种植体生物力学传递的因素主要包括:种植体材料、种植体设计、修复体设计、颌骨的生物力学特性和咬合力的加载方式等。相对于其它影响因素而言,种植体直径、长度的优化选择和颌骨质量在影响种植修复的远期成功率方面起着更为重要的作用。在以往的关于种植体直径和长度的研究报道中,多为直径或长度的单因素、离散组合分析,其不能准确的反映种植体直径和长度同时、连续变化对颌骨应力和种植体稳定性的影响,同时目前尚未见种植体直径和长度在不同颌骨质量时相互关系的报道。本课题拟借助Pro/E和Ansys Workbench机械工程优化分析方法,对不同骨质条件下种植体的直径和长度进行系统的生物力学优化分析,为临床选择种植体提供生物力学理论参考。实验一:应用Pro/E参数化建模软件,绘制种植体、皮质骨、松质骨、冠修复体的三维实体模型,应用Pro/E的自适应装配功能,建立可随种植体宏观结构参数自适应改变的种植体骨块三维实体模型。应用Pro/E与Ansys Workbench软件的无缝双向参数传递功能,将实体模型导入Ansys Workbench软件中划分单元,建立可随种植体宏观结构参数自适应改变的种植体骨块三维有限元模型,力学加载后进行模型准确性的检测。该模型的建立为后期真正意义上的种植体优化选择提供了技术平台。实验二:I类骨质下,设定种植体直径（D）和长度（L）为设计变量（Design Variable,DV）,D变化范围为3.0-5.0mm,L变化范围为6.0-16.0mm,设定颌骨平均主应力（Equivalent应力,EQV应力）峰值和种植体-基台复合体位移峰值为目标函数（Objective Function,OBJ）,观察DV变化对OBJ的影响。同时进行OBJ对DV的敏感度分析。结果发现,随着D和L的增加,垂直向（Axial,AX）加载下,皮、松质骨的EQV应力峰值分别降低54.5%和70.2%;颊舌向（Buccolingual,BL）加载下,皮、松质骨的EQV应力峰值分别降低了73.5%和75.1%;AX和BL加载下,种植体-基台复合体位移峰值分别降低了51.4%和73.8%。在各种加载下,当D大于3.8mm同时L大于9.0mm时,单DV的响应曲线切斜率位于-1和0之间。通过OBJ对DV的敏感度分析发现, D比L对OBJ的影响更明显。结果提示I类骨质下,种植体直径比长度更易影响颌骨的应力大小和种植体的稳定性;在临床上选择种植体时,种植体直径应不小于3.8mm,种植体长度应不小于9.0mm。实验三:II类骨质下,DV、OBJ的设定及观察指标同实验二。结果发现,随着D和L的增加,AX加载下,皮、松质骨的EQV应力峰值分别降低67.9%和75.0%;BL加载下,皮、松质骨的EQV应力峰值分别降低了64.9%和65.4%;AX和BL加载下,种植体-基台复合体位移峰值分别降低了53.7%和73.7%。在各种加载下,当D大于3.85mm同时L大于9.0mm时,单DV的响应曲线切斜率位于-1和0之间。通过OBJ对DV的敏感度分析发现,D比L对OBJ的影响更明显。结果提示,II类骨质下,种植体直径比长度更易影响颌骨的应力大小和种植体的稳定性;在临床上选择种植体时,种植体直径应不小于3.85mm,种植体长度应不小于9.0mm。实验四:III类骨质下,DV、OBJ的设定及观察指标同实验二。结果发现,随着D和L的增加,AX加载下,皮、松质骨的EQV应力峰值分别降低65.3%和76.8%; BL加载下,皮、松质骨的EQV应力峰值分别降低了76.1%和78.0%;AX和BL加载下,种植体-基台复合体位移峰值分别降低了60.6%和77.0%。在各种加载下,当D大于3.95mm同时L大于10.5mm时,单DV的响应曲线切斜率位于-1和0之间。通过OBJ对DV的敏感度分析发现,D和L分别有利于BL和AX加载下的应力分布,并改善种植体的稳定性。结果提示,III类骨质下,种植体的直径和长度在保障种植体的远期成功率时都起着重要的作用;在临床上选择种植体时,种植体直径应不小于3.95mm,种植体长度应不小于10.5mm。实验五:IV类骨质下,DV、OBJ的设定及观察指标同实验二。结果发现,随着D和L的增加,AX加载下,皮、松质骨的EQV应力峰值分别降低63.9%和87.9%;BL加载下,皮、松质骨的EQV应力峰值分别降低了76.2%和92.7%;AX和BL加载下,种植体-基台复合体位移峰值分别降低了63.6%和74.7%。在各种加载下,当D大于4.0mm同时L大于11.0mm时,单DV的响应曲线切斜率位于-1和0之间。通过OBJ对DV的敏感度分析发现,D和L分别有利于BL和AX加载下的应力分布,并改善种植体的稳定性。结果提示,IV类骨质下,种植体的直径和长度在保障种植体的远期成功率时都起着重要的作用;在临床上选择种植体时,种植体直径应不小于4.0mm,种植体长度应不小于11.0mm。综上所述,从I类到IV类骨质,相同直径和长度的种植体传递至颌骨的应力和种植体的位移随之增加。从I类到IV类骨质,种植体直径变化造成的颌骨的应力和种植体的位移变化幅度逐渐减小;种植体长度变化造成的颌骨的应力和种植体的位移变化幅度逐渐增加。不同骨质情况下,种植体直径和长度的优化选择范围为:I类骨质,种植体直径大于3.80mm,长度大于9.0mm;II类骨质,种植体直径大于3.85mm,长度大于9.0mm;III类骨质,种植体直径大于3.95mm,长度大于10.5mm;IV类骨质,种植体直径大于4.00mm,长度大于11.0mm。

论文目录

• 缩略语表
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 文献回顾
• 1.颌骨的质量
• 2. 种植体的直径和长度
• 3. 种植体优化分析选择的方法
• 正文
• 实验一 自适应装配包含螺纹种植体的下颌骨骨块三维有限元模型的建立
• 1 材料和方法
• 1.1 实验设备
• 1.2 三维有限元模型的建立
• 1.3 材料属性
• 1.4 接触面设定
• 1.5 约束、加载和单元划分
• 1.6 收敛性检验
• 2 结果
• 3 讨论
• 3.1 模型的简化
• 3.2 Pro/E 和Ansys Workbench 软件应用的优势
• 4 结论
• 实验二 种植体直径和长度在I 类骨质中的生物力学优化分析选择
• 1 材料和方法
• 1.1 三维有限元模型的建立
• 1.2 DV 设定
• 1.3 OBJ 设定
• 2 结果
• 3 讨论
• 3.1 DesignXplorer 优化选择模块
• 3.2 双DV 分析
• 3.3 单DV 分析
• 3.4 敏感度分析
• 4 结论
• 实验三 种植体直径和长度在II 类骨质中的生物力学优化分析选择
• 1 材料和方法
• 1.1 三维有限元模型的建立
• 1.2 DV 设定
• 1.3 OBJ 设定（评估指标）
• 2 结果
• 3 讨论
• 3.1 DesignXplorer 优化选择模块
• 3.2 双DV 分析
• 3.3 单DV 分析
• 3.4 敏感度分析
• 4 结论
• 实验四 种植体直径和长度在III 类骨质中的生物力学优化分析选择
• 1 材料和方法
• 1.1 三维有限元模型的建立
• 1.2 DV 设定
• 1.3 OBJ 设定（评估指标）
• 2 结果
• 3 讨论
• 3.1 DesignXplorer 优化选择模块
• 3.2 双DV 分析
• 3.3 单DV 分析
• 3.4 敏感度分析
• 4 结论
• 实验五 种植体直径和长度IV 类骨质中的生物力学优化分析选择
• 1 材料和方法
• 1.1 三维有限元模型的建立
• 1.2 DV 设定
• 1.3 OBJ 设定（评估指标）
• 2 结果
• 3 讨论
• 3.1 DesignXplorer 优化选择模块
• 3.2 双DV 分析
• 3.3 单DV 分析
• 3.4 敏感度分析
• 4 结论
• 小结
• 参考文献
• 个人简历和研究成果
• 个人简历
• 论文发表情况
• 致谢