兒童上頜復(fù)合體快速擴(kuò)弓的三維有限元分析.pdf

1、目的:上頜快速擴(kuò)弓(Rapid maxillary expansion,RME)是一種有效矯治上頜骨橫向發(fā)育不足、上牙弓狹窄、后牙反(牙合)和解除上頜牙列擁擠的方法。RME矯治力作用于上頜牙列、牙槽骨或上頜其他組織,在短時(shí)間內(nèi)對(duì)上頜組織施加較大的矯形力使上頜骨骨縫擴(kuò)開,從而使上頜寬度得到擴(kuò)展。上頜寬度的增加主要包括上頜骨基骨擴(kuò)大和上頜牙列寬度的擴(kuò)大兩部分。以往研究表明矯治器在快速擴(kuò)大上頜牙弓的同時(shí)經(jīng)常發(fā)生鼻腔寬度增大、支抗牙齒傾料、伸長(zhǎng)

2、等作用。臨床矯治中經(jīng)常見到有患者反映在快速擴(kuò)弓過程中出現(xiàn)鼻額部疼痛、眶距增寬等癥狀。如何全面認(rèn)識(shí)Hyrax矯治器力學(xué)分布特點(diǎn),減少不良作用,值得正畸研究者認(rèn)真思考。
　　 RME作用力涉及上頜復(fù)合體及鄰近組織,力學(xué)機(jī)制非常復(fù)雜。有限元法(finite element method,FEM)是一種將待分析的連續(xù)求解域離散為若干個(gè)有限大小的單元體的集合,以求解連續(xù)體力學(xué)問題的高效數(shù)值計(jì)算方法。Brekelmans和Rybicki在1

3、972年首次將三維有限元(Three-dimensionalfinite element method,3-D FEM)研究實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)用于在醫(yī)學(xué)生物力學(xué)領(lǐng)域,現(xiàn)在該方法已廣泛應(yīng)用于口腔生物力學(xué)研究領(lǐng)域。在快速擴(kuò)弓生物力學(xué)研究方法中,該方法以獨(dú)特的力學(xué)分析模擬特性被國(guó)內(nèi)外正畸研究者廣泛采用。然而由于上頜復(fù)合體結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜以及研究條件的限制,以往建立的模型對(duì)于各解剖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化較多、模型精確度不高、幾何相似性較差。RME力學(xué)分析方面研究者多采用

4、模擬擴(kuò)大上牙弓的方法分析各解剖結(jié)構(gòu)受力情況,未見到將矯治器與上頜復(fù)合體作為不同的力學(xué)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模和力學(xué)分析,因而以往建立的有限元模型生物力學(xué)特性較差。目前,關(guān)于如何快速建立上頜復(fù)合體有限元模型的建模方法尚未統(tǒng)一,如何建立精確的顱面骨骨縫、牙周膜模型以及實(shí)體網(wǎng)格劃分的標(biāo)準(zhǔn)也尚未達(dá)成共識(shí)。
　　 本研究通過Mimics10.0、Geomagic Studio9.0及Ansys10.0軟件探討建立幾何相似度高、具有生物學(xué)特性的

5、兒童上頜復(fù)合體三維有限元模型的方法,為利用ANSYS軟件模擬快速擴(kuò)弓作用下上頜復(fù)合體各軟硬組織應(yīng)力分布狀況及各標(biāo)志點(diǎn)三維方向位置的改變提供精確的模型平臺(tái),為解釋快速擴(kuò)弓過程提供生物力學(xué)方面的理論依據(jù),指導(dǎo)正畸臨床醫(yī)師對(duì)快速擴(kuò)弓矯治器進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作,獲得滿意的臨床擴(kuò)弓效果。
　　 方法:
　　 1選取一例8.5歲,女性,身體健康兒童作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象,行口腔錐體束CT(cone-beam computed tomograph

6、y,CBCT)掃描,掃描層厚0.3mm,最終得到636幅二維CBCT掃描斷層圖像。拍攝數(shù)據(jù)以DICOM(DigitalImaging and Communications in Medicine,DICOM)格式存儲(chǔ)。在個(gè)人計(jì)算機(jī)(Personal Compute,PC)上將所得DICOM數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入MIMICS10.0軟件,對(duì)原始圖像進(jìn)行蒙皮、分割、光滑等步驟生成上頜復(fù)合體三維有限元模型。經(jīng)Geomagic Studio9.0剪輯處理

7、,經(jīng)過點(diǎn)階段、多邊形階段、成形階段的處理最終生成能被ANSYS等有限元軟件所識(shí)別的IGES文件。
　　 2用3DSS-MINI-Ⅱ三維掃描儀對(duì)選取相同年齡段形態(tài)完好、表面無(wú)齲壞、牙根形態(tài)無(wú)異常的離體中切牙、尖牙、第一前磨牙、第一磨牙、第二乳磨牙行光柵掃描,所得點(diǎn)云數(shù)據(jù)用Geomagic Studio9.0軟件修整光滑后以IGES格式存盤。在PC機(jī)上用Geomagic Studio9.0軟件進(jìn)行上頜復(fù)合體—上頜牙列3D模型的空間裝

8、配,裝配完成后各模型文件分別以IGES格式存盤。
　　 3在PC機(jī)上將以上所得模型導(dǎo)入Ansys10.0軟件,設(shè)置好網(wǎng)格參數(shù),劃分各個(gè)3D模型實(shí)體實(shí)體(SOLID))單元,參照正常人體解剖數(shù)據(jù)及CT圖像進(jìn)行相關(guān)骨縫模擬,最終生成上頜復(fù)合體三維有限元模型。
　　 4對(duì)此模型切割、簡(jiǎn)化后將蝶骨翼突、顴頜縫進(jìn)行全方位約束,正中矢狀面加對(duì)稱全方位約束,在第一前磨牙、第一磨牙分別選取臨床冠中心和牙冠腭側(cè)近牙槽嵴頂處加載水平向的靜壓

9、力,進(jìn)行三維有限元分析,模擬臨床快速擴(kuò)弓過程單側(cè)牙弓寬度擴(kuò)大5mm時(shí)上頜復(fù)合體各部三維方向的改變及應(yīng)力分布。
　　 結(jié)果:
　　 1成功建立了兒童上頜復(fù)合體三維有限元模型。
　　 2在簡(jiǎn)化的上頜復(fù)合體模型中分別選擇第一前磨牙、第一磨牙臨床冠中心和牙冠腭側(cè)面近牙槽嵴頂處進(jìn)行生物力學(xué)分析,得到快速擴(kuò)弓情況下上頜復(fù)合體等效應(yīng)力分布圖及位移圖。
　　 3施力點(diǎn)位于第一前磨牙、第一磨牙臨床冠中心模擬快速擴(kuò)弓加載后,

10、上頜牙最大水平向位移(X方向)出現(xiàn)在第一磨牙近中頰尖處,位移值-6.57mm;最大矢狀向位移(Y方向)出現(xiàn)在第一前磨牙舌尖處,位移值3.11mm;垂直方向(Z方向),最大值出現(xiàn)在第一前磨牙舌尖處,位移為-2.2mm。上頜骨近腭中縫處自前向后最大水平向及矢狀向位移出現(xiàn)在上頜中切牙之間的牙槽嵴項(xiàng)處,位移-2.25mm、3.62mm,。垂直方向,最大值出現(xiàn)在ANS點(diǎn)處,位移為-5.40mm。
　　 4施力點(diǎn)位于第一前磨牙、第一磨牙腭側(cè)

11、近牙槽嵴處時(shí)模擬快速擴(kuò)弓加載后,上頜牙最大水平向位移(X方向)出現(xiàn)在第一磨牙近中頰尖處,位移值-6.80mm;最大矢狀向和垂直向位移(Y、Z方向)方向出現(xiàn)在第一前磨牙舌尖處,位移值3.41mm、-2.40mm;上頜骨近腭中縫處自前向后上頜骨最大水平向及矢狀向位移出現(xiàn)在上頜中切牙之間的牙槽嵴頂處,位移-2.57mm、4.15mm;垂直方向,最大值出現(xiàn)在ANS點(diǎn)處,位移為-6.1mm。
　　 5施力點(diǎn)位于第一前磨牙、第一磨牙臨床冠中

12、心模擬快速擴(kuò)弓加載后,第一磨牙牙周膜處最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在施力點(diǎn)腭側(cè)近牙槽嵴頂處,應(yīng)力值392Mpa;最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在施力點(diǎn)對(duì)側(cè)近牙槽嵴頂處,應(yīng)力值-373Mpa;最大側(cè)向位移值也出現(xiàn)在施力點(diǎn)腭側(cè)近牙槽嵴項(xiàng)處,X向位移值-3.16mm。
　　 6施力點(diǎn)位于第一前磨牙、第一磨牙腭側(cè)近牙槽嵴處時(shí),第一磨牙牙周膜處最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在施力點(diǎn)腭側(cè)近牙槽嵴頂處,應(yīng)力值474Mpa;最大等效應(yīng)力也出現(xiàn)在該部,應(yīng)力值為1370 Mpa;最大壓應(yīng)力出現(xiàn)

13、在施力部對(duì)側(cè)近牙槽嵴頂處,應(yīng)力值-601Mpa;側(cè)向位移最大值也出現(xiàn)在施力點(diǎn)腭側(cè)近牙槽嵴頂處,X向位移值-3.92mm。
　　 結(jié)論:建立了幾何相似性高、具有生物學(xué)特性的兒童上頜復(fù)合體三維有限元模型。分別選擇第一前磨牙、第一磨牙腭面臨床冠中心和牙冠腭側(cè)近牙槽嵴頂處兩個(gè)部位施加靜壓力進(jìn)行臨床快速擴(kuò)弓生物力學(xué)模擬,得到快速擴(kuò)弓單側(cè)牙弓寬度擴(kuò)大5mm時(shí)上頜復(fù)合體等效應(yīng)力分布圖和位移圖。有限元分析結(jié)果顯示,上頜牙弓擴(kuò)大相同寬度時(shí),加力部