基于逆向工程的上颌牙列三维建模及正畸过程的有限元分析

摘要

正畸牙齿移动是牙冠受力后引起牙周支持组织细胞反应的结果，牙周组织应力的大小和分布对牙齿的移动具有决定作用。通过对矫治力作用下牙齿及其支持组织的应力应变分析研究，对研究正畸牙齿的移动规律和更好地制定矫治方案有重要的指导意义。随着计算机的高速发展，有限元分析法成为口腔生物力学的有效研究手段。口腔正畸领域中采用有限元法研究牙齿受力时牙齿及牙周组织的应力分布在以往的研究中已有很多报道，但是目前这一领域的研究多局限于单个牙齿，缺少对牙列的整体把握，其约束条件的简化不能真实地模拟牙齿之间的相互作用，与临床治疗的实际情况有较大出入。 本文研究运用三维测量技术、逆向工程原理和有限元方法，针对牙颌组织的解剖学和生物力学特征，从牙列角度建立了上颌牙列各牙齿、牙槽骨的三维力学模型。在上颌牙列的基础上从左侧尖牙到右侧尖牙共六颗牙齿添加矫治器托槽和矫治弓丝，建立了上颌“牙列-牙槽骨-矫治器”模型。首次使用有限元软件模拟临床矫治弓丝纳入矫治器托槽沟槽这一过程，模拟弓丝形变后产生的反作用力加载于牙列的情况。对正畸初始阶段和结束阶段牙周组织进行了应力分析。研究结果表明： 1.牙齿受载下牙周组织总体应力分布规律为：牙槽骨界面应力大于牙周膜应力；牙齿移动过程中牙周组织的最大应力均出现在牙槽嵴顶区域。牙周膜和牙槽骨的应力分布均表现为牙槽嵴顶区域大于牙根中分部应力大于牙根尖部应力。 2.在倾斜移动与整体移动两种不同的矫治力系统作用下，牙周组织的应力值有较大差异，表现为倾斜移动的应力值高于整体移动应力值。 3.虽然牙周组织的最大应力均出现在牙槽嵴顶部，但出现的位置有所不同；就牙周膜而言，右侧尖牙、右侧中切牙、左侧中切牙、左侧尖牙的最大应力出现在牙槽嵴顶部唇舌侧。而右侧侧切牙和左侧侧切牙的最大应力则出现在近远中方向。对于同一颗牙齿，牙槽骨与牙周膜的最大应力值相邻出现，表明牙周膜有明显的缓冲作用。 研究表明：在口腔正畸生物力学研究领域中，采用逆向工程和有限元方法、参考骨重建理论，以数学模型方法模拟牙齿正畸受力状态，为将来实现真实牙齿正畸过程的模拟作了有意义的探索性起步。正畸牙移动过程的应力分析结果，对于帮助正畸医师了解正畸牙移动的生物力学机制，以及在正畸临床治疗如何使用矫治力系统有指导意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题背景

1.1.1课题来源

1.1.2课题研究意义

1.2正畸过程概述和正畸治疗的发展趋势

1.2.1正畸过程简介

1.2.2正畸治疗现状及发展趋势

1.3国内外研究现状

1.3.1国内研究现状概述

1.3.2国外研究现状

1.4总体方案的设计

1.4.1三维建模方法的选择

1.4.2力学分析手段的选择

1.5主要研究内容

第二章牙颌组织的解剖学特性和口腔正畸的生物力学原理

2.1牙周组织结构及生物学特征

2.1.1牙槽骨的生物学特征

2.1.2牙周膜的生物学特征

2.2口腔正畸的力学原理

2.2.1牙齿移动的方式

2.2.2阻抗中心与旋转中心

2.2.3 M/F值和牙齿移动的控制

2.3矫治力作用下牙周组织的生物学反应

2.3.1矫治力对牙周组织、细胞生物学行为的影响

2.3.2正畸过程中的牙齿移动

2.4最佳矫治力与矫治器系统

2.4.1正畸力大小与牙齿移动速率

2.4.2最适矫治力和应力

2.4.3矫治器系统

2.5本章小结

第三章基于逆向工程的上颌牙列三维模型的建立

3.1逆向工程概述

3.1.1数据测量

3.1.2数据预处理

3.1.3三维模型重构

3.1.4逆向工程软件

3.2磨牙数据处理

3.2.1所用材料

3.2.2测量方法

3.2.3建立磨牙三维CAD模型

3.3 CT图像提取牙列数据

3.3.1 CT成像基本原理和设备

3.3.2牙列数据提取

3.3.3牙列模型建立

3.4本章小结

第四章单颗磨牙有限元分析与牙齿移动位移计算

4.1单颗磨牙有限元分析

4.1.1磨牙、牙槽骨、牙周膜有限元模型的建立

4.1.2约束与加载

4.1.3计算结果

4.2牙齿移动位移计算

4.2.1实验方法

4.2.2实验设备

4.2.3实验步骤与数据计算

4.2.4试验计算结果

4.3本章小结

第五章正畸过程有限元分析

5.1正畸初始阶段有限元分析

5.1.1建立包括托槽、弓丝的上颌牙列模型

5.1.2弓丝矫治力计算

5.1.3矫治力作用结果

5.2正畸结束阶段有限元分析

5.2.1弓丝矫治力计算

5.2.2矫治力作用结果

5.3本章小结

第六章总结与展望

6.1主要结论

6.2不足与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文