三维有限元分析不同生物力作用的上颌第一前磨牙三维有限元分析不同生物力作用的上颌第一前磨牙

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.24.012

中国组织工程研究 ›› 2013, Vol. 17 ›› Issue (24): 4451-4456.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.24.012

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三维有限元分析不同生物力作用的上颌第一前磨牙三维有限元分析不同生物力作用的上颌第一前磨牙

孙红丽，杨建军，徐国皓，谷方

青岛大学医学院，山东省青岛市 266021

收稿日期:2012-09-16 修回日期:2012-10-13 出版日期:2013-06-11 发布日期:2013-06-11
通讯作者: 谷方，教授，硕士生导师，青岛大学医学院，山东省青岛市 266021 gufang61@163.com
作者简介:孙红丽★，女，1984年生，山东省威海市人，汉族，青岛大学医学院在读硕士，主要从事种植与修复、颌面外科研究。 bugoubb@163.com
基金资助:
国家自然科学基金面上项目(81171408)，课题名称：可识别PET/CT原始图像数据自动界定肺肿瘤三维浸润边界。山东省高等学校科技计划(JI0LF25)，课题名称：基于PET/CT影响的肺癌放疗靶区四维数字模型的重建

Three-dimensional finite element analysis of the maxillary first premolar loaded with different biological forces

Sun Hong-li, Yang Jian-jun, Xu Guo-hao, Gu Fang

Medical College of Qingdao University, Qingdao 266021, Shandong Province, China

Received:2012-09-16 Revised:2012-10-13 Online:2013-06-11 Published:2013-06-11
Contact: Gu Fang, Professor, Master’s supervisor, Medical College of Qingdao University, Qingdao 266021, Shandong Province, China gufang61@163.com
About author:Sun Hong-li★, Studying for master’s degree, Medical College of Qingdao University, Qingdao 266021, Shandong Province, China bugoubb@163.com
Supported by:
General Project of National Natural Science Foundation of China, No. 81171408*; Science and Technology Planning Project of Universities of Shandong Province, No. JI0LF25*

摘要/Abstract

摘要：

背景：应用有限元分析法对微种植钉支抗的生物力学研究较少见，而有限元模型的准确性与否是决定了有限元分析结果的重要因素。
目的：建立上颌第一前磨牙的三维有限元模型，并分析不同角度生物力作用于上颌第一前磨牙的移动特点。
方法：利用牙科CT扫描上颌第一前磨牙获得数据，通过Mimics软件实现CT图像与三维模型的转换，根据DICOM数据建模法建立三维有限元模型，模拟在不同角度微种植钉支抗施力下进行生物力学实验，分析上颌第一前磨牙的位移情况。
结果与结论：应用此方法获得上颌第一前磨牙的三维有限元模型的方法简便、精确，能最大程度的真实模拟生物力学实验，上颌第一前磨牙在微种植钉支抗作用下，产生远中倾斜移动、远中舌向旋转和压低运动的复合运动趋势。

关键词: 组织构建, 口腔组织构建, 上颌第一前磨牙, 三维有限元, 移动, DICOM数据建模法, 牙科CT, 有限元模型, 生物力学, 微种植钉支抗, 角度, 应力, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: The research on the micro-implant anchorage with finite element analysis method is rare, while accuracy or not of the finite element model is the main factor to determine the finite element analysis results.
OBJECTIVE: To establish the three-dimensional finite element model of maxillary first premolar and to analyze the moving characteristics of maxillary first premolar under biological forces from different angles.
METHODS: The data of the maxillary first premolar was obtained by dental CT scanning, and the conversion between CT image and three-dimensional model could be achieved by Mimics software. The three-dimensional finite element model was established by using the DICOM data modeling method, in order to simulate the biomechanical experiment of loading forces on the micro-implant anchorage from different angles, and then the moving characteristics of maxillary first premolar was analyzed.
RESULTS AND CONCLUSION: The application of this method to obtain three-dimensional finite element model of maxillary first premolar was simple and accurate, and could simulate the mechanics experiment in the greatest degree. Maxillary first premolar produces compound motor trend of distal and inclined moving, distal and lingual rotating and down movement in action of micro-implant anchorage.

Key words: tissue construction, oral tissue construction, maxillary first premolar, three-dimensional finite element, moving, DICOM data modeling method, dental CT, finite element model, biomechanics, micro-implant anchorage, angle, stress, National Natural Science Foundation of China

中图分类号:

R318

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Sun Hong-li, Yang Jian-jun, Xu Guo-hao, Gu Fang. Three-dimensional finite element analysis of the maxillary first premolar loaded with different biological forces[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(24): 4451-4456.

图/表（结果） 2

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引言

材料方法

设计：建模与仿真，应力与有限元分析。

时间及地点：于2012年3月在青岛市口腔医院CT室对上颌第一前磨牙进行CT扫描，以DICOM3.0进行存储，刻录存盘。于2012年3至5月在青岛大学医学院附属医院中心实验室进行三维重建及力学模拟实验。

材料：选择完整无龋、磨耗少离体右侧上颌第一前磨牙(全长21.57 mm，冠长8.93 mm，根长12.64 mm，冠宽8.05 mm，颈宽4.89 mm，冠厚9.42 mm，颈厚8.18 mm)，去除周围牙槽骨、牙周膜，保持牙齿结构完整，用聚乙醚印模材料将其直立包埋固定。

方法：

CT扫描：用NewTom VG(超小焦点立式口腔锥型束CT，美中意国际贸易有限公司，青岛市口腔医院CT室提供)对离体牙进行扫描。扫描时保持牙体长轴与扫描平面垂直。CT扫描条件：旋转阳极电压110 kV，电流4.79 mA，层厚0.15 mm，层间隔0.15 mm，共获253张图像，以DICOM3.0进行存储，刻录存盘。

三维模型的建立：将DICOM3.0文件导入MIMICS10.0l(比利时Materialise公司)医学图像处理软件中，根据不同组织具有不同的灰阶区间^[8]，通过阈值化操作(Thresholding)使根管系统、牙体组织区分，应用(Calculate 3D)建立初步三维实体模型，见图1，将模型图像导入migics9.9和 Ansys进行面网格和体网格的转化，再次导入Mimics中赋材质形成三维立体模型，见图2。

有限元模型的制作：将所生成的三维模型图导入ANSYS 13.0(美国ANSGS公司)软件进行自由网格划分。选用高精度的实体单元20 NODE SOLID 92对模型进行精密划分，牙齿的单元空间长度选取为0.8 mm。总共划分得节点为72 870个，50 340个单元，见图3。

材料的力学参数和约束条件：假设实验中涉及的上颌第一前磨牙、牙周膜、牙槽骨各组织为连续、均质、各向同性线弹性体。假定固定约束边界为牙齿的颊侧、舌侧、近中侧牙槽骨。

相关牙体、牙周组织的力学参数^[9-11]：

Related tooth and periodontal tissue mechanical parameters^[9-11]:

模拟力学加载实验：在牙冠颊侧中轴线上距切缘 4.5 mm处(相当于托槽黏结部位)加与水平方向成25°，35°，45° 1.8 N的力。建立坐标轴方向：X轴正方向代表合向，Y轴正方向代表水平近中向，Z轴正方向代表颊向。

主要观察指标：观察上颌第一前磨牙在不同角度力作用下各坐标轴正负方向的位移值。

讨论

临床上常见各种原因牙缺失后未及时修复治疗导致对颌牙伸长及邻牙倾斜，使得种植修复困难^[12]。以往常采用修复截冠、正畸治疗等方法提供足够的种植修复空间，但常常因为损伤正常健康牙齿或治疗时间过长，导致结果不满意。近年来，由于微种植钉具有价格低、植入相对简单及痛苦较少等优点^[13]，越来越多的口腔医生选用微种植钉支抗来获得足够的修复空间^[14-16]。而利用有限元分析法研究微种植钉支抗的生物力学可以为临床利用微种植钉支抗压低局部伸长牙齿及直立倾斜牙提供基础实验依据。但由于牙体体积小，形态不规则，不同部分受力存在差异等原因使得传统建模方法受到各种问题的困扰^[17]。DICOM标准是美国放射学会和美国电子制造商协会联合制定的医学影响存档和传输的国际标准^[18-20]，经过CT扫描后的数据可依照DICOM标准进行网上传输和存取。本研究采用DICOM数据建模法，通过牙科CT扫描获得的数据精确度高、具有较高的分辨率并且保证了标本的完整性^[21]，NewTom VG采用360°影像保证了最小的散射或伪影，图像可以清晰的分辨出牙釉质、牙本质、牙髓腔等结构,并且扫描层厚仅0.15 mm，保证了有限元模型的准确性与真实性。DICOM数据建模法与过去的建模方法相比具有很多优点^[22]：简化了CT建模环节，数据更加精确，模型无损伤、可重复利用、适用性广、简单快捷。

实验应用了一套高度整合而且易用的3D图像生成及编辑处理软件MIMICS(Materiaise's interactive medical image control system)，它能输入各种扫描的数据(CT、MRI)，建立3D模型进行编辑，然后输出通用的CAD(计算机辅助设计)、FEA(有限元分析)，RP(快速成型)格式，可以在个人计算机可视界面下进行CT图像与三维模型的转换处理，其操作简单易普及，提高了建模的效率和准确性。三维有限元分析是利用数学近似的方法对几何和载荷工况进行模拟，其应用于口腔学领域已有数十年的历史，并且体现了其独特的优越性，最初的有限元分析仅能处理一些简单的力学分析，随着现代计算机的飞速发展及有限元分析软件的升级和改进，有限元分析现在可以处理更加复杂的力学运算。同时三维模型建立的方法也日益成熟和完善，比如更加精确的牙科CT扫描，建模软件的发展等。因此，建立在三维模型基础上的有限元分析应用越来越广泛^[23-25]，其具有独特的优点^[26]：在计算机中可以对任何材料、形态牙体组织进行应力分析，对三维模型可反复进行力学实验，具有良好的生物相容性、力学相似性，操作简便、效率高，因此有限元分析具有极大的发展前景。未来有限元分析将利用计算机技术和生物力学技术进一步提高模型的精确性，进一步探索生物力的阈值及生物相容性问题，将三维有限元分析与其他的方法结合起来更好的研究其他方面，从而进一步指导临床。但是，有限元分析法划分的单元网格大小、质量、形状、数目、假设条件与真实条件的差异及边界条件等均影响有限元分析结果。因此，实验采用ANSYS 13.0软件进行自由网格划分，选用高精度的实体单元20 NODE SOLID 92对模型进行精密划分，保证了有限元分析的精确性。与相关文献相似，实验假设涉及的上颌第一前磨牙、牙周膜、牙槽骨各组织为连续、均质、各向同性线弹性体与实际具有一定的差异，但是运用弹性理论对生物力学机制进行研究也是对生物体的最接近模拟。

微种植钉在力的作用下能否稳定，是其行使功能的关键。目前微种植钉已成功应用于临床，但是其稳定性是制约其发展的至关重要因素，影响其稳定性的可能因素很多，包括微种植钉的外形、植入角度、加载力的大小和角度及周围的口腔环境等。为了避免损伤牙根，提高微种植钉的稳定性和强度，微种植钉植入部位以上颌第二前磨牙与第一磨牙间距离牙槽嵴顶11-13 mm为宜^[27]，故实验中上颌第一前磨牙的模拟初始加载力的方向为25°。Fritz等^[28]、Motoyoshi等^[29]均通过实验证明微种植钉可以承载200 g的正畸力，故本实验采用1.8 N正畸力。有限元法可以模拟模型任何部位的应力及位移^[30]，可以在同一模型上改变加力角度，对牙齿的位移进行比较，实验的加力点近似为临床牙冠中心(牙冠正中1/3)，加力角度为微种植钉与临床牙冠唇侧中心连线与水平远中向夹角，大小符合临床正畸力要求^[31]。

综上所述，实验成功建立了上颌第一前磨牙的三维有限元模型，模拟了不同角度加载力时上颌第一前磨牙产生远中倾斜移动、远中舌向旋转和压低运动的复合运动趋势，为临床利用微种植钉支抗压低局部伸长牙齿及直立倾斜牙提供了理论支持及实验依据。

三维有限元分析不同生物力作用的上颌第一前磨牙三维有限元分析不同生物力作用的上颌第一前磨牙

Three-dimensional finite element analysis of the maxillary first premolar loaded with different biological forces

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[1]	徐峰, 康辉, 魏坦军, 席金涛. 椎弓根螺钉不同固定方法治疗胸腰椎骨折的生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1313-1317.
[2]	姜勇, 罗翼, 丁永利, 周勇, 闵理, 唐凡, 张闻力, 段宏, 屠重棋. 骶骨精准切除影响骨盆稳定性的冯米斯应力特征及临床验证[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1318-1323.
[3]	陈心敏, 李文标, 熊凯凯, 熊晓燕, 郑利钦, 李木生, 郑永泽, 林梓凌. 钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗老年A3.3型股骨转子间骨折：最佳骨水泥量有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1404-1409.
[4]	周继辉, 李新志, 周游, 黄卫, 陈文瑶. 髌骨骨折修复内植物选择的多重问题[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1440-1445.
[5]	杨卫强, 丁童, 杨卫可, 蒋振刚. 组合式可变应力接骨板内固定干预山羊股骨骨折断端的骨组织细胞功能及骨密度变化[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 890-894.
[6]	宋成杰, 常恒瑞, 石明鑫, 孟宪中. 侧方入路腰椎融合治疗后的生物力学稳定性的研究与进展[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 923-928.
[7]	许玉林, 沈师, 卓乃强, 杨惠麟, 杨超, 李洋, 赵恒, 赵露. 髋臼后柱骨折3种不同钢板固定后站立及坐立位下的生物力学比较[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 826-830.
[8]	蔡群斌, 邹霞, 胡剑涛, 陈心敏, 郑利钦, 黄培镇, 林梓凌, 姜自伟. 有限元法分析尖顶距与股骨近端防旋髓内钉固定股骨转子间骨折稳定性的关系[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 831-836.
[9]	谢崇新, 张磊. 保留与不保留残端重建前交叉韧带术后膝关节退变的比较[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(5): 735-740.
[10]	刘波, 陈祥和, 杨康, 余慧琳, 陆鹏程. DNA甲基化在运动干预骨质疏松中的作用机制[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(5): 791-797.
[11]	张国梅, 祝军, 胡杨, 焦红卫. E-Max瓷嵌体三维有限元模型粘接界面应力分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(4): 537-541.
[12]	聂少波, 李建涛, 孙基恩, 赵喆, 赵燕鹏, 张里程, 唐佩福. 内侧支撑髓内钉置入支撑治疗严重骨质疏松性股骨转子间骨折的力学稳定性[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(3): 329-333.
[13]	谭家昌, 袁振超, 吴振杰, 刘斌, 赵劲民. 弹性钉结合尾帽和钢丝固定长斜形股骨干骨折的生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(3): 334-338.
[14]	陈路, 张建光, 邓长弓, 严才平, 张伟, 张袁. 锁定螺钉辅助髋臼杯不同固定方式的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(3): 356-361.
[15]	周继辉, 李新志, 周游, 黄卫, 陈文瑶. 创伤性胸锁关节脱位多种内置物治疗优劣的比较[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(3): 443-448.