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

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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。
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