上颌前牙内收力系的三维有限元研究

论文摘要

上颌前牙的位置对于颜面美观以及口颌系统的功能具有极其重要的影响,上颌前牙的内收是临床正畸治疗的一个关键阶段。在不同的临床矫治体系中采用不同的上颌前牙内收力系。目前,上颌前牙的内收力系主要分为连续弓丝内收力系和片段弓内收力系。不同矫治体系中上颌前牙内收力系的生物力学机制是不同的,而在同一矫治体系中,载荷条件的变化也会产生前牙移动方式的变化。因此,对于临床正畸医师而言,了解各种上颌前牙内收力系的生物力学机制是至关重要的。以往关于上颌前牙内收力系的研究主要采用全息干涉法、光弹法以及磁力感应系统进行相关研究。上述方法极力对影响上颌前牙内收力系的相关因素进行简化,因此,在得出一定有意义结果的同时模型的仿真程度还有待提高。三维有限元法（FEM）是一种常用的理论应力分析方法,被广泛应用于正畸牙移动的研究。以往建立的三维有限元模型以单个牙为主,而研究上颌前牙内收力系的较为复杂的三维有限元模型目前尚未见报导。1目的:探索建立上颌前牙内收力系的三维有限元模型的建模方法,建立高仿真的包含有上颌骨、牙槽骨、上牙列的三维有限元模型。在该模型基础上建立上颌弓丝、托槽以及微植体的三维有限元模型。用上述模型对滑动机制的上颌前牙内收力系以及片断弓内收力系的生物力学机制进行相关分析,为正畸临床矫治提供生物力学依据。此外,上颌前牙内收时阻抗中心以及旋转中心的位置也是本研究的一个重点。方法:用64排螺旋CT对一具解剖结构完整含上牙列的干颅进行断层扫描。二维CT图像输入到MIMICS软件选择上颌骨、上牙槽骨、上牙列的数字信息,将不需要的信息予以去除。对经处理的二维断层图形进行三维重建得到包括上牙列的上颌骨的三维几何图像。然后将上述几何模型输入到三维有限元软件ABAQUS进行牙齿位置的调整。最后,对模型进行网格划分,赋材质建立含上牙列的上颌骨三维有限元模型。根据Opa-K直丝弓矫治器的要求,在ABAQUS前处理程序中制作直丝弓矫治器的弓丝和托槽以及牵引钩。使得弓形满足方程Y=2.115×10-5X4+1.248×10-2X2-1.289.然后制作微种植体并植入到上颌第一磨牙和第二双尖牙之间,进行相应的网格划分、赋值,建立微植体滑动法内收上前牙的三维有限元模型。分别计算当微植体植入高度距离弓丝为4mm、8mm,牵引钩高度分别为1mm,4mm,7mm,10mm时在2N牵引力的作用下上颌前牙发生的初始位移。研究用片断弓矫治技术对上颌前牙进行内收时,水平力作用下上颌前牙的阻抗中心的位置以及力的作用点与旋转中心的关系。计算结果与用全息干涉法以及光弹法计算的结果进行比较。结果:建立了包含上牙列的上颌骨三维有限元模型。该模型建立便捷、快速、几何相似性好,具有模块化特点。从基于微种植体的直丝弓滑动法内收上颌前牙的三维有限元模型分析可知,微植体低位植入有利于上前牙发生冠舌向倾斜移动,而微植体高位植入有利于上前牙发生冠唇向移动。牵引钩长度的增加使得上前牙更容易发生冠唇向旋转。而较高的牵引钩对主弓丝产生的扭矩对上前牙产生额外的冠唇向转矩。上颌前牙内收时的阻抗中心位于距离牙槽嵴顶5.1mm处,当水平牵引力低于该高度时,上前牙发生顺时针方向旋转;当水平牵引力高于该高度时,上前牙发生逆时针方向旋转;当水平牵引力通过这一高度时,上前牙产生整体移动。结论:通过应用MIMICS和ABAQUS软件使得建立较复杂的包含上牙列的上颌骨三维有限元模型的过程更为简单、快速,同时模型的几何相似性得到很大程度的提高。揭示了基于微种植体支抗技术的直丝弓滑动法内收上前牙的生物力学机制,为微植体支抗技术在直丝弓滑动法内收上前牙在正畸临床工作中的正确应用提供了必要的生物力学依据。上颌前牙内收时组牙的阻抗中心的研究结果与用全息干涉法和光弹法研究的结果存在一定程度的差别。对实验结果的分析和应用应建立在对三维有限元建模过程的了解以及明确模型假设条件的基础上。

论文目录

• 英汉缩略语名词对照
• 中文摘要
• 英文摘要
• 前言
• 第一章 上颌骨-组牙三维有限元模型的建立
• 前言
• 材料与方法
• 结果
• 讨论
• 参考文献
• 第二章 种植体高度及牵引钩高度对直丝弓矫治器内收上颌前牙的影响
• 前言
• 材料与方法
• 结果
• 讨论
• 参考文献
• 第三章 上颌前牙段内收时阻抗中心及旋转中心的三维有限元研究
• 前言
• 材料与方法
• 结果
• 讨论
• 参考文献
• 全文小结
• 综述一 上颌前牙内收力系的研究进展
• 综述二 微种植体支抗的基础研究进展
• 致谢
• 研究生期间发表论文一览表及学术交流情况