颌骨_包含真实螺纹种植体的颌骨骨块三维有限元模型的建立

　　[摘要]目的：寻求一种快捷的包含不同种类真实螺纹种植体的颌骨骨块三维有限元模型的建立方法。方法：利用Pro/E三维制图软件绘制种植体和颌骨骨块三维模型，利用Pro/B的自适应装配功能建立可自适应改变的种植体骨块三维模型，利用AnsysWorkbench有限元分析专用软件与Pro/E的无缝接口功能，进行单元划分，建立三维有限元模型。结果：建立了包含不同种类螺纹种植体的颌骨骨块三维有限元模型。结论：利用Pro/E软件的三维建模和自适应装配功能，建立了可自适应改变的种植体骨块三维有限元模型。与以往建模方法相比，该方法提高了建模的精度和效率，为复杂的种植体骨块建模提供了全新的思路。
　　[关键词]种植体；三维有限元；自适应
　　[中图分类号]R782.12　[文献标识码]A　[文章编号]1008－6455(2007)03－0397－03
　　
　　建立包含真实种植体的颌骨骨块三维有限元模型，是研究种植体一骨界面生物力学特点的基础。由于种植体品牌的多样性，以往在建立有限元模型时，往往将种植体简化为无螺纹的圆柱状，这必然影响到对不同种类种植体一骨界面力学分析的真实结果。另外，从生物力学角度优化选择种植体，对种植体骨块的三维有限元模型建立也提出了更高的要求。本研究针对Pro/E的自适应建模功能及其与Ansys Workbench有限元分析软件的双向无缝参数传递功能进行探讨，寻求一种可靠、高效的自适应建模方法，从而为后期的种植体生物力学优化选择提供模型支持。
　　
　　1　材料和方法
　　
　　1．1　实验设备：硬件：普通PC机(CPU2.66G，内存1.5G，显存256M)。软件：Pro/E三维机械制图专用软件(Pro/E wildfire.Parametric TechnologyCorporation，USA)，Ansys Workbench有限元专用软件(SAS IP，Inc，USA)。
　　
　　1．2　三维有限元模型的建立
　　1．2．1　种植体和颌骨骨块三维实体模型的建立：应用Pro/E软件，以Straumann(InstituteStraumann，Waldenburg，Switzerland)种植体为例，首先应用Pro/E的二维绘图功能(Sketch)绘制种植体的二维纵剖面图，随后以剖面中心轴为对称轴进行360读的旋转(Revolve)，生成无螺纹的实体模型，再应用螺纹绘制功能(Helical sweep)根据不同种植体的螺纹进行相应的绘制，最后应用软件的渲染功能，建立与真实种植体具有相同视觉效果的三维实体模型。根据不同品牌种植体参数，可快速建立相应的种植体三维模型。在此同时模拟高5mm的基台，基台和种植体简化为一个整体，在基台上模拟2mm厚的瓷修复体。
　　应用Pro/E的拉伸命令(Protrusion)，以第一前磨牙的横断切面作为基底面，将其进行近远中的拉伸形成三维的下颌骨骨块。牙槽嵴顶的皮质骨厚度变化由1.5～2.5mm。松质骨的近远中未被皮质骨包绕。骨块的几何参数。最后应用Pro/E的自适应装配功能(Assemble)建立基于种植体参数的自适应变化颌骨骨块三维实体模型。
　　1．2．2　材料属性：本研究中的所有材料假设为均质、各向同性的线弹性材料。材料参数均来自于文献报道。
　　1．2．3　接触面设定：假设种植体与颌骨发生全部的骨结合。种植体与颌骨为固定接触，修复体和种植体之间亦假设为固定接触。
　　1．2．4　约束和单元划分：在骨的近远中面进行固定约束。将模型用10节点四面体和20节点六面体划分，在种植体一骨界面周围进行细划，随后进行有限元求解分析。应用皮质骨和松质骨中的Von Mises应力 (Equivalent Stress.EQVStress)分布进行模型的准确性检验。
　　1．2．5　收敛性检验：本研究中，应用皮质骨和松质骨的EQV应力峰值作为检验指标。设定模型单元细化后，当皮质骨和松质骨的EQV应力峰值变化幅度小于3％时，则认为有限元分析的解为收敛的解。当单元细化循环设为3，细化深度设为2时，所有的模型均可以得到自动收敛的解。此时模型的平均单元数为55000，节点数为130000。
　　
　　2　结果
　　
　　在计算机上快速的建立了不同品牌的种植体骨块三维有限元模型。种植体模型在大体形态上与真实种植体形态一致，螺纹连续无中断，尺寸上与实体尺寸相同。以Straumann种植体侧向受力进行检测，当种植体直径为3.3mm，长度为10.0mm时颌骨Yon Mises应力分布云图，VonMises峰值位于种植体颈部密质骨区，与以往报道的三维有限元模型的研究结果相一致。
　　
　　3　讨论
　　
　　3．1　模型建立的相似性：传统种植体的三维有限元建模方法是将种植体植入到颌骨之中，然后用磨片法、CT法等将其断成若干层断层，再将断层片描出轮廓图，然后应用编程语言进行轮廓图的边界识别，最后将二维图像恢复为三维实体模型。传统方法的最大缺点是在信息转化过程中，往往会出现数据的损失等，一些细节形态如螺纹等很难准确地表达，因而建立的模型几何相似性较差。本研究利用Pro/E的强大三维制图功能精确的绘制出各种种植体的真实尺寸，并通过与有限元软件的无缝接口功能，将模型完整的导入到Ansys workbench有限元软件，使得所建模型与种植体实际情况具有高度的相似性。另外通过Pro/E的自适应装配功能，可以快速的建立包含内螺纹的颌骨骨块三维模型，保障了颌骨与种植体的完全啮合。
　　
　　3．2　模型建立的高效性：传统的不同种类种植体建模时须单独建立不同种类种植体，然后根据每个种植体再进行颌骨的建模，最后重新进行装配，工作量大，效率低。本研究应用Pro/E装配的自适应功能，仅建立1个种植体和1个骨块，当需要建立包含不同种类种植体的颌骨骨块三维组装模型时，仅需在种植体纵剖面二维绘图中进行适当修改，颌骨骨块三维模型和装配模型利用自适应功能可以自动改变，在Ansys workbench环境中仅需使用Update功能，即可将修改的完整模型准确无误的传递到有限元分析软件，大大提高了建模效率。利用Pro/E参数制的特点，可以方便的对种植体参数如长度、直径等以及颌骨的厚度、吸收程度等进行快速修改，为后期复杂的种植修复分析提供了更为快捷的途径。
　　
　　4　结论
　　
　　本研究利用Pro/E软件绘制了不同种类种植体三维实体模型，同时应用Pro/E的自适应建模功能和Ansys Workbench与Pro/E软件的参数双向传递功能，建立了可自适应改变的种植体骨块三维有限元模型。与以往建模方法相比，该方法提高了建模的精度和效率，为复杂的种植体骨块建模提供了全新的思路。