1、不同材料套筒冠的理论受载分析3林映荷,满毅,梁星,屈依丽,陆轩四川大学华西口腔医学院(成都610041)【摘要】目的研究使用套筒冠义齿修复游离缺失时,用四种不同材料制作套筒冠金属部分的套筒冠义齿在受载情况下缺牙区牙槽嵴的表面应力和位移。方法采用螺旋CT扫描、自编程序和AN SYS软件建立起精确的下颌骨三维有限元模型,在其上进行加载,分析无牙区牙槽嵴的受力和位移情况。结果不同材料制作其金属部分的套筒冠义齿在受力情况下无牙区牙槽嵴的位移和应力无统计学差异。结论从力学的角度发现,使用不同规格的金属制作套筒冠的金属部分均是可行的。【关键词】三维有限元套筒冠可摘局部义齿应力位移【中图分类号】R783.1
2、,R783.3Three-di mensional Fin ite Element Stress D istribution and D isplacement Analysis of Alveolar Ridge Retained byCon ical TelescopeL I N Ying2he,MAN Yi,L I ANG Xing,QU Yi2li,LU Xuan.W est China S chool of S tom atology,S ichuan U niversity,Chengdu 610041,China【Abstract】ObjectiveTo study the st
3、ress distribution and displacement of edentulous alveolar ridge of re2movable partial denturewhich is retained by using conical telescope.M ethodsA n ideal three di mensional finite el2ement modelwas constructed by using SCT i mage reconstruction technique,self2programm ing and AN SYS soft2ware.The
4、static load was applied.The stress and displacement characteristicsof these different types ofmaterialswhich form the metal part of the conical telescope were compared and analyzed.ResultsGenerally,the four ma2terials produced almost the same stress and displacement at the site of the edentulous alv
5、eolar ridge.ConclusionFrom the viewpoint of dynam ics,the application of differentmaterials in making themetalpart of conical telescopeis feasible.【Key words】Three2di mensional finite element analysisConical telescopeRemovable partial den2tureStressD isplacement连续多个后牙的游离缺失是口腔修复临床最常见的牙列缺失类型之一,常规只能制作可
6、摘局部义齿。此类可摘局部义齿修复因缺牙区无远中牙支持,在咀嚼时易引起义齿下沉、翘动等常造成基牙创伤和缺牙区软组织损伤,且由于卡环的存在影响了美观,故采用圆锥型套筒冠可摘义齿修复远中游离缺失较好的解决了此修复难点,可达到良好效果。本研究的目的是用三维有限元法,分析不同材料的圆锥型套筒冠义齿的受载情况,了解其位移和应力分布特点,为临床设计提供一定的理论依据。1材料和方法1.1标本的选择选择牙列完整,咬合关系正常,无明显牙周疾病及牙槽骨吸收,无后牙牙体缺损及明显磨耗,且身体健康的成年男性一例。1.2拍摄CT片被测对象取仰卧位,颏部抬高。嘱其咬住预先制3四川省科技厅应用基础研究基金(批准号D301SY
7、051269)资助作的两毫米塑料薄片,使被测者微张口,避免上下牙列接触。采用Siemens Sensation 16型CT扫描仪,条件为120 KV,100 mA,确定被测者的咬合平面,使扫描截面尽可能与牙长轴垂直,以普通头部扫描方式进行横断超薄扫描,层厚0.75 mm,以dental重建方式进行重建,重建厚度为0.3 mm,最终获得161幅二维扫描断层图像。1.3截面图像的处理利用D icomview er软件将扫描图像转化为BM P格式,用计算机C+语言自编程序对图像进行处理,提取边界像素坐标并存入。下颌第一、第二磨牙的冠部保留为修复后的义齿的形态,牙周膜设计为0.2 mm厚,在下颌第一、
8、第二前磨牙设计为聚合度6 套筒冠,基托按照常规范围进行设计。1.4三维有限元模型的建立通过计算机AN SYS软件中的自由网格划分对模型进行划分网格(图1)。模型共有节点190 026个,组成1 042 240个单元,均为四面体单元。1.5材料的力学参数见表1。四 川 大 学 学 报(医 学 版)J Sichuan Un iv(M ed Sci Edi)2004;35(6):860862 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/表1有关材料的力学参数Table 1
9、M echanical data of relatedmaterialM aterialElastic modulus(Mpa)P ratioN ickel2chrome alloy12.11050.33Cobalt2chrome alloy22.351050.33Titanium21.1161050.31Gold alloy39.81040.301.6实验条件假设模型材料和组织假设为连续的、均质的和各向同性的线弹性材料。1.7加载条件加载总量为480 N(正常人的最大力)4,加载方向为垂直向。加载方式为集中载荷,分为三个节点加于下颌第一磨牙面的功能尖窝。1.8软件用AN SYS大型通用有限元
10、分析系统软件。2结果2.1位移受载时粘膜总体向远中、颌骨方向移动,在其颌骨向、近远中向、颊舌向三向位移中以颌骨方向为主,为其他两向位移的5倍以上,所以本研究在位移分析中以此方向位移进行分析;在粘膜主应力中,三个主应力S1、S2、S3均为负值,材料力学中,拉伸为正,压缩为负,表明粘膜中各点在各方向均受到压力,取S3(最大压应力)为主应力分析对象。取下颌第一磨牙对应牙槽嵴粘膜、下颌第二磨牙对应牙槽嵴粘膜和磨牙后垫对应牙槽嵴粘膜每个部位的近中、中央、远中、颊侧和舌侧各一点共15点的位移和最大压应力进行统计学分析。颌骨向位移的统计学分析结果,见表2。表2颌骨向位移的统计学分析结果(mm)Table 2
11、Statistical results of displacement(mm)xsN ickel2chrome alloy0.4984136.21712E202Cobalt2chrome alloy0.499686.20625E202Titanium0.498416.21672E202Gold alloy0.5046136.21566E202由方差分析,四种材料之间统计学分析结果F=0.558,P=0.626,四种材料之间没有统计学差异。因此没有必要做q检验进行进一步的两两比较。最大压应力的统计学分析结果,见表3。表3最大压应力的统计学分析结果(Pa)Table 3Statistial res
12、ults of principal S3(Pa)xsN ickel2chrome alloy538196.666767482.06446Cobalt2chrome alloy539913.333366986.7494Titanium538186.666767482.06446Gold alloy545986.666765301.66938由方差分析,四种材料之间统计学分析结果F=0.927,P=0.437,四种材料之间没有统计学差异。因此没有必要做q检验进行进一步的两两比较。2.2图形受力后的变形与非变形图形(见图2,实体部分为变形后情况,所指虚线部分为变形前情况)。图1三维有限元模型图2受载
13、时的变形与非变形图Fig 1Three-di mensional f inite modelFig 2Deformed and undeformedmodel3讨论3.1本模型的特点本模型模拟了临床的常规设计,较以前的三维有限元模型有了很大的改进。三维有限元分析最主要的步骤之一是模型的建立,也就是如何将二维的168J Sichuan U niv(M ed Sci Edi)Vol.35 No.6 2004 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/图片转化为三维有限
14、元模型,而后期的三维模型的处理则大同小异,以前不同学者的模型建立一般采用以下几种方法:以IGES格式,从Pro?E传输已完成实体建模的牙列实体模型至三维有限元模型5。CT断层图像(横断面)中各结构轮廓描记于透明坐标纸上,并保证在输入计算机内的各截面在同一坐标系6,然后导入三维有限元分析软件。用三维坐标测量仪测量所需要建模实体部分的空间坐标点,用U G三维绘图软件建立三维实物模型,导入有限元分析软件7。二维图片经过A dobe Pho2toshop软件编辑修改及边界强化后,调入计算机辅助设计软件A utoCAD编程确认,提取边界像素坐标调入有限元分析软件8。与以上的方法相比,本模型的建立有以下的
15、先进性:本模型采用自编C+语言程序直接读取由CT转化为BM P格式的图片的边界,将其导入有限元分析程序,减少了模型在转化过程中的数据损失,使模型更为逼真,边界更为自然,接近实际情况;本模型根据在有限元软件中建模速度较慢的特点,将有限元软件中的数据导入A utoCAD软件中进行牙周膜、粘膜、基托等部分的建立,在保证模型准确的基础上节约了建模的时间;本模型重建的原始资料来自于CT扫描,在CT重建时的最薄厚度为0.3 mm,保证了三维有限元模型的精确性和可信度;在网格化时使用了自由网格划分,使AN SYS可以根据天然的牙体形态和幅度进行网格化,在形态不规则部分产生较多的四面体网格,因此模型共有100
16、多万单元,为以前同类模型的100多倍,完全可以满足分析所要求的精度并指导临床;随着计算机的不断进步,三维有限元模型的建立可以更加精确,模拟出实际的情况,但是AN SYS建模时首先应有一个整体感,必须权衡模型简化所带来的好处与精度的降低的代价,来确定是否能故意忽略一个结构的细节问题而不影响结果,本模型很好的做到了这一点,对于天然牙的面,因为其对本实验所分析的对象(牙槽嵴的位移和应力)影响很小,降低了对其精度的要求,而对于天然牙的牙根等建立了精确的模型,在本实验所用的计算机硬件的条件下,做出了最为精确的模型。3.2受载分析的临床应用价值在垂直向载荷下,下颌第一磨牙受到正常人天然牙所承受的最大载荷(
17、480 N)时,从位移量和最大压应力分析,四种材料都没有统计学差异。而且不同材料的位移和最大压应力实际差别很小,对于下颌第一磨牙,不同材料在其对应粘膜下相同节点的最大垂直向位移差别小于0.006 mm,占总垂直向位移量不到1.5%,对于下颌第二磨牙,不同材料在其对应粘膜下的相同节点最大垂直向位移差别小于0.00514 mm,对于磨牙后垫,不同材料在其对应粘膜下的相同节点最大垂直向位移差别不超过0100494 mm,后两个部位的垂直向位移差占垂直向位移总量的百分比更小。下颌第一磨牙对应粘膜处、下颌第二磨牙对应粘膜处、磨牙后垫对应粘膜的最大压应力及第四强度理论应力差别不超过1104Pa,不到总主应
18、力的2%。从以上结果不难发现不同材料制作的套筒冠金属固位部分在受载情况下无牙区牙槽嵴粘膜的位移和最大压应力差别很小。造成这种结果的原因主要有以下几点:套筒冠固位金属部分的厚度较薄,内层冠为0.3 mm,外层冠的内层金属一般也为013mm,两者弹性模量的改变对整个套筒冠的影响较小。不同金属之间的弹性模量相差不大,而且是粘膜的弹性模量3000倍以上。综上所述,不同金属制作的套筒冠固位部分在受载时,无牙区牙槽嵴粘膜的位移和最大压应力差别不大。从生物力学的角度,非贵金属可以替代贵金属进行套筒冠的制作。3.3意义对于套筒冠,因为其制作精密,过程复杂,对材料的要求较高,因此其费用也相对与其它的修复方式为高
19、,如果用非贵金属制作,又有对其力学相容性的担忧,本实验的结果证明了在不同的金属材料下,对于牙槽嵴处的力学相容性无明显的差别,从制作成本上为套筒冠的进一步推广提供了理论依据。参考文献1刘玉华,尹亚梅,宋世卿.桩核修复体组织面设什的有限元分析.中华口腔医学杂志,1996;31(3):56.2M rier HJA,Starmans FJM,Bosman F,et al.A comparison ofthree finite element models of an edentulous mandible providedw ith i mplants.O ral Rehabil,1993;20(2)
20、:147.3陈治清主编.口腔材料学.第2版.北京:人民卫生出版社.2001:170.4皮昕主编.口腔解剖生理学.第4版.北京:人民卫生出版社,2000:209.5张富强,魏斌,李玲.牙颌组织及修复体三维几何学、有限元模型的设计.上海口腔医学,2002;11(3):240.6郑元俐,张富强,陈笠等.采用牙CT技术建立完整下颌骨三维有限元模型.实用口腔医学杂志,2000;16(2):134.7李江,张理生,杨洪波等.牙槽嵴顶间线角与全口义齿排牙之间关系的三维有限元分析.白求恩医科大学学报,2001;27(5):516.8魏洪涛,张天夫,曾晨光等.牙颌三维有限元模型生成方法的探讨.白求恩医科大学学报,2000;26(2):150.(20031219收稿,20040709修回)编辑汤洁268四川大学学报(医学版)2004年第35卷第6期 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/
