1.1 设计 三维有限元分析。
1.2 时间及地点 实验于2022年1-10月在兰州大学口腔医院完成。
1.3 对象
1.3.1 样本选取 选取1名就诊于兰州大学口腔医院正畸科的成年男性患者,该患者牙列完整,因面型前突要求矫治。纳入标准:①恒牙列;②牙列完整;③无龋坏等牙体病变或修复体;④无牙周病。排除标准:①颌面部锥形束CT不清楚;②存在系统及精神性疾病。患者对数据资料采集及用途完全知情且签署知情同意书。该研究的实施符合兰州大学口腔医院的相关伦理要求(医院伦理批件号LZUKQ-2020-041)。
1.3.2 计算机设备及软件
计算机:①处理器11th Gen Intel(R) Core(TM) i5-1135G7 @ 2.40 GHz;②运行内存16.0 GB。
软件:①医学建模软件MIMICS 21.0(比利时Materialise公司);②逆向工程软件Geomagic Wrap 2017(美国3D Systems公司);③三维机械设计软件SolidWorks 2021(美国达索SolidWorks公司);④有限元分析软件ANSYS Workbench 18.1(美国ANSYS公司)。
1.4 方法
1.4.1 下颌骨及下颌牙列的三维模型建立 采用KaVo(美国 kaVo 3D eXamCBCT)的锥形束CT机拍摄志愿者颌面部,层厚0.25 mm,扫描时间14.7 s。将获得的锥形束CT数据以DICOM格式导入Mimics Medical 21.0医学影像控制系统软件中,分别定义三维方向后,根据牙体的阈值,提取出下颌骨及下颌牙列的三维模型。去除第一前磨牙以模拟拔牙,该实验主要研究前牙移动趋势,为简化计算,遂拔除第一前磨牙,将数据以STL格式导出,见图1。
1.4.2 牙周膜三维模型的建立 将STL格式数据导入Geomagic Wrap 2017 三维设计软件进行逆向重建。在Geomagic Studio 软件中,参考正常人的牙周膜厚度[7],将牙根向外扩展0.25 mm
建立牙周膜模型,将牙齿和牙周膜模型精修及细化,并逆向重建生成实体化模型,以STP格式导出,然后导入Solid Works 2021软件获得sldprt格式的下颌牙列、下颌骨和牙周膜三维模型,见图2。
1.4.3 托槽及弓丝模型的建立及装配 使用SolidWorks软件建立舌侧活动翼托槽的三维模型。托槽数据来源于福建活动翼医疗器械有限公司,主弓丝为0.63 mm×0.46 mm不锈钢方丝,其中0.63 mm为弓丝的牙合龈径,0.46 mm为弓丝的颊舌径。弓丝为个性化弓丝,与志愿者下颌牙弓形态相似,弓丝平面与牙合平面基本平行。辅弓为0.356 mm镍钛圆丝(北京圣马特公司)。将建立的牙齿、牙周膜、下颌骨和舌侧活动翼前牙托槽在SolidWorks软件进行装配并建立4种不同翼长度下的模型。首先将翼拉伸至2 mm时进行弓丝与托槽的装配,然后以此刻的弓丝为基准,垂直向不变,在矢状向上将弓丝分别向后平移0.5,1.0,1.5 mm,并调整翼的长度来进行装配,从而获得2.0,2.5,3.0,3.5 mm 4种不同活动翼长度内收下前牙的三维模型,将装配好的模型以XT格式导入ANSYS软件进行后续实验,见图3。
1.4.4 材料属性赋值 分别设定颌骨、牙齿单元材料参数及舌侧活动翼前牙托槽的有限元单元类型及材质。根据相关研究[8],将各材料、组织设定为各向同性、连续、均质的线性弹性体以简化运算,受力后均为小变形,各材料的弹性模量及泊松比设置见表1。
1.4.5 模型边界条件 将上述模型以XT格式导入到Ansys Workbench软件,将下颌骨髁突和下颌体下表面设置为固定边界条件,设定牙齿与牙周膜、牙周膜与牙槽骨共节点,牙齿与托槽为绑定接触,托槽与辅弓丝、托槽与翼、翼与主弓丝为不分离接触。主弓丝与第一磨牙托槽设置为绑定接触以模拟末端回弯。由于该实验研究的是初始位移,受摩擦力的影响较小,故将托槽与弓丝之间的摩擦力予以忽略。为计算各参考点位移,设定切牙切缘的中点、尖牙的牙尖以及切牙、尖牙的根尖点作为参考点。设定矢状方向上为Z轴,向前为正;垂直方向上为Y轴,向上为正;水平方向上为X轴,向左为正。
1.4.6 加载方式 实验共设4个工况,分别为工况A:翼拉伸2 mm长内收模型;工况B:翼拉伸2.5 mm长内收模型;工况C:翼拉伸3 mm长内收模型;工况D:翼拉升3.5 mm长内收模型(此时不同工况下的主弓丝位置在矢状向上是依次后退的)。首先在Ansys Workbench中,分别模拟将不同拉伸长度下的翼装配进入托槽底座中时所得的力和力矩,然后将所得结果加载到不同工况模型上,并在各自工况中于中切牙托槽底座和翼上施加0.50 N相互作用力以模拟结扎。
1.5 主要观察指标 ①各工况下牙列总体位移趋势;②各工况下前牙三维方向的位移趋势;③各工况下前牙最大最小位移差值的对比。