牙种植体及其上部结构三维有限元模型的建立

牙种植体及其上部结构三维有限元模型的建立
戴东晓;李伟;于静;赵暖;翟秀英;侯晓薇
【摘要】目的探讨建立牙种植体及其上部结构、下颌骨骨块的三维有限元模型的方法.方法使用Pro/ENGINEER wildfire( Pro/E )2.0软件建立包含牙种植体及其上部结构、下颌骨骨块三维实体模型,导入Ansyswork-bench 10.0有限元分析软件,进行单元划分及初始应力的验证分析,建立三维有限元模型.结果本研究建立了含有上部结构的牙种植体及下颌骨骨块三维有限元模型,牙种植体及其上部结构的大小、形态及尺寸与实体情况完全一致,应力分析与以往报道的三维有限元模型的研究结果亦相一致.结论应用pro/E 2.0软件的自适应功能可建立牙种植体及其上部结构的三维有限元模型,为后期力学分析提供准确、灵活、快速的平
台.%Objective To explore the use of adaptive function of Pro/E software to establish the three-dimensional finite element model for dental implants, and its upper structure and jaw bones. Methods Pro/E software was used to establish the three-dimensional solid model including the dental implants and the upper structure, the mandible bone, then into ansyswork-benchl0. 0 finite element analysis software, make the unit division, verify the initial stress analysis, and finally to establish the finite element model. Results This study established the three-dimensional finite element model which was made up of dental implants, its upper structure and jaw bones. The size and shape of dental implants and its upper structure were totally consistent with the entity situation. The result of stress analysis was also consistent with the previously reported findings of three-dimensional finite element model. Conclusion Application of
adaptive function of pro/E software can create the implant and the three-dimensional finite element model, of its superstructure thus providing an accurate, flexible and fast platform for its post-mechanical analysis.
【期刊名称】《临床误诊误治》
【年(卷),期】2012(025)004
【总页数】3页(P79-81)
【关键词】牙种植体;三维有限元;牙模型;软件设计
【作者】戴东晓;李伟;于静;赵暖;翟秀英;侯晓薇
【作者单位】050051石家庄,石家庄市第二医院口腔科;050051石家庄,石家庄市第二医院心胸外科;050051石家庄,石家庄市第二医院口腔科;050051石家庄,石家庄市第二医院口腔科;050051石家庄,石家庄市第二医院口腔科;050051石家庄,河北医科大学第三医院口腔科
【正文语种】中文
【中图分类】R782
有限元计算分析方法是生物力学研究的首选方法，建立准确快速的模型是有限元分析的基础。

本研究基于Pro/ENGINEER wildfire(Pro/E)2.0软件的自适应功能，参照FRIALIT-ⅡCom.Germany种植体，通过建立包含牙种植体及其上部结构、下颌骨骨块的三维实体模型，为种植修复三维有限元建模提供新思路。

1 材料和方法
1.1 实验设备 PC计算机：IntelPentium 4，
2.4 GHz处理器，1 GB内存，250 G
硬盘，WindowsXP操作系统;软件：Pro/E 2.0(PTCInc，USA)，Ansyswork-bench(Ansys)10.0(ANSYSInc，USA)。

选择我院口腔科科研用标准上下颌牙体模型一副(上海齿科器材厂)，为完美牙合关系，牙体形态、大小符合中国成年人正常标准，右下第二前磨牙牙尖斜度约35°，见图1。

半径规由日本富士公司生产。

种植体模型：选择一种典型圆柱形台阶种植体(FRIALIT-ⅡCom.Germany)，共3个台阶，第1台阶直径和高度分别为4.0 mm、3.5 mm，第2 台阶分别为3.0 mm、3.0 mm，第3 台阶分别为2.0 mm、2.5 mm。

上部结构的圆台上直径为3.0 mm，下直径为3.6 mm，高为4.0 mm。

1.2 三维有限元模型的建立
1.2.1 模型建立方法：用游标卡尺、角度测量器、半径规等仪器测量标准牙颌模型
右下第二前磨牙牙合面、颊面、舌面、近远中面各尖、嵴、轴角及边缘的长度、角度、弧度等，将数值输入Pro/E 2.0精确建模软件中，建立标准牙冠的3D模型，见图2。

应用Pro/E 2.0软件在计算机上建立圆柱形台阶种植体及其上部结构的
3D模型，并在上部结构的表层均匀涂布30 μm的黏接剂层，见图3。

在计算机上建立下颌骨骨块的3D模型，骨块简化内部为松质骨，外部包绕1.3 mm厚的皮质骨矩形方块[1]，松质骨的近远中未被皮质骨包绕，见图4。

由圣维南原理可知，
此简化结果对实验区域的应力分布无影响[1]。

1.2.2 模型的传递和单元划分：将不同牙合面形态设计的牙冠、种植体、黏接剂层
及颌骨骨块的3D模型组装成一个整体，见图5，使用Pro/E 2.0软件的Ansys无缝接口，将实体模型直接导入Ansys 10.0有限元分析软件中，得到可用于分析的
3D模型。

用自动智能划分及手控制划分的方法全部采用10节点四面体单元对模
型进行网格划分。

在关键部位(牙冠、种植体及邻近的颌骨骨块)划分较密，其余部位进行自由划分，见图6。

1.2.3 实验假设和参数：假设种植体和颌骨间为骨性接合，接合面连续、均匀、一
致，修复体和种植体间亦假设为固定接触。

假设本研究中所用材料均为连续、均质、各向同性的弹性材料，材料参数等均来自于文献[2]。

所采用坐标系中种植体轴向
为y向，颊舌向为x向，根据右手定则确定的方向为z向。

本研究的重点区域是
种植体及其邻近的皮质骨和松质骨，故认为下颌骨的下缘及颊舌面在运动中不发生移位，因而对下颌骨下缘及颊舌面的节点可进行三向平移及旋转约束。

1.3 载荷条件根据正中咬牙合状态时上下牙的接触状况，认为在咀嚼中下颌后牙
的颊舌尖的功能面受力，故在实验中采用面力加载的方式，加载部位是牙合面舌尖的颊斜面和颊尖的舌斜面及颊斜面牙合的三分之一[3]，见图7。

根据中国人的平
均咀嚼力，确定加载数值为1.0 Mpa。

1.4 应力分析最大等效应力主要集中于颈部密质骨区，与以往报道的三维有限元
模型的研究结果相一致[2]。

图1 标准牙颌模型
图2 牙冠的3D模型
图3 种植体、上部结构及黏接剂涂层的3D模型
图4 下颌骨骨块的3D模型(半剖图)
图5 整体试验模型的3D图像
图6 整体模型网格划分
图7 计算中面力的加载(红色部分为受力面)
2 结果
本研究使用Pro/E 2.0软件的自适应功能建立了含有上部结构的牙种植体及下颌骨骨块的三维有限元模型。

牙种植体及其上部结构的形态、大小、尺寸与实体情况完全一致。

应力分析与以往报道的三维有限元模型的研究结果相一致[2]。

3 讨论
以往牙种植体三维有限元建模多采用磨片法、三维测量法、CT图像处理法、
DICOM数据直接建模法等[4-8]，上述方法均需采集实物信息，并通过多次信息
转化，最后转化为数字信息输入计算机，但信息处理过程中往往会出现数据丢失。

本研究建立的牙种植体及其上部结构形态优化模型，利用Pro/E 2.0专业结构设计软件直接绘制出模型，此软件的自适应功能保证对牙种植体参数编辑修改后，生成的牙种植体与骨块准确齿合，从而保障所建立模型与实体的最大一致性。

Pro/E 2.0软件与Ansys 10.0无缝接口功能，可将Pro/E 2.0软件中装配的实体直接导
入有限元分析软件中进行分析，从而避免了数据丢失。

传统的不同上部结构的牙种植体建模时需单独建立其上部结构，然后根据每个种植体再进行颌骨的建模，最后重新进行装配，工作量大，效率也较低。

本研究应用Pro/E 2.0软件中装配的自适应功能，仅建立1个牙种植体及上部结构、1个骨块，当需要建立包含多个牙种植体的颌骨骨块三维组装模型时，仅需各部分参数进行适当修改，颌骨骨块三维模型和装配模型利用自适应功能可自动改变，在Ansys 10.0中仅需使用Update功能，即可将修改的完整模型准确无误的传递到有限元
分析软件，从而显著提高建模效率。

利用Pro/E 2.0软件参数制的特点，可以快速、方便地对牙种植体及其上部结构的长度、直径、弧度、角度等参数进行修改[9]，
为后期复杂的种植修复分析，提供更为快捷的途径。

本研究利用Pro/E 2.0软件绘制台阶状牙种植体及其上部结构的三维实体模型，利用Ansys 10.0有限元软件最终建立牙种植体的三维有限元模型。

实验证实所建模型可靠，且该方法有利于牙种植体及其上部结构的外形力学优化设计的研究[10-13]。

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