包含真實螺紋種植體的頜骨骨塊三維有限元模型的建立

[摘要]目的：尋求一種快捷的包含不同種類真實螺紋種植體的頜骨骨塊三維有限元模型的建立方法。方法：利用Pro/E三維制圖軟件繪制種植體和頜骨骨塊三維模型，利用Pro/B的自適應(yīng)裝配功能建立可自適應(yīng)改變的種植體骨塊三維模型，利用AnsysWorkbench有限元分析專用軟件與Pro/E的無縫接口功能，進行單元劃分，建立三維有限元模型。結(jié)果：建立了包含不同種類螺紋種植體的頜骨骨塊三維有限元模型。結(jié)論：利用Pro/E軟件的三維建模和自適應(yīng)裝配功能，建立了可自適應(yīng)改變的種植體骨塊三維有限元模型。與以往建模方法相比，該方法提高了建模的精度和效率，為復(fù)雜的種植體骨塊建模提供了全新的思路。

[關(guān)鍵詞]種植體；三維有限元；自適應(yīng)

[中圖分類號]R782.12 [文獻標(biāo)識碼]A [文章編號]1008－6455(2007)03－0397－03

建立包含真實種植體的頜骨骨塊三維有限元模型，是研究種植體一骨界面生物力學(xué)特點的基礎(chǔ)。由于種植體品牌的多樣性，以往在建立有限元模型時，往往將種植體簡化為無螺紋的圓柱狀，這必然影響到對不同種類種植體一骨界面力學(xué)分析的真實結(jié)果。另外，從生物力學(xué)角度優(yōu)化選擇種植體，對種植體骨塊的三維有限元模型建立也提出了更高的要求。本研究針對Pro/E的自適應(yīng)建模功能及其與Ansys Workbench有限元分析軟件的雙向無縫參數(shù)傳遞功能進行探討，尋求一種可靠、高效的自適應(yīng)建模方法，從而為后期的種植體生物力學(xué)優(yōu)化選擇提供模型支持。

1 材料和方法

1．1 實驗設(shè)備：硬件：普通PC機(CPU2.66G，內(nèi)存1.5G，顯存256M)。軟件：Pro/E三維機械制圖專用軟件(Pro/E wildfire.Parametric TechnologyCorporation，USA)，Ansys Workbench有限元專用軟件(SAS IP，Inc，USA)。

1．2 三維有限元模型的建立

1．2．1 種植體和頜骨骨塊三維實體模型的建立：應(yīng)用Pro/E軟件，以Straumann(InstituteStraumann，Waldenburg，Switzerland)種植體為例，首先應(yīng)用Pro/E的二維繪圖功能(Sketch)繪制種植體的二維縱剖面圖，隨后以剖面中心軸為對稱軸進行360讀的旋轉(zhuǎn)(Revolve)，生成無螺紋的實體模型，再應(yīng)用螺紋繪制功能(Helical sweep)根據(jù)不同種植體的螺紋進行相應(yīng)的繪制，最后應(yīng)用軟件的渲染功能，建立與真實種植體具有相同視覺效果的三維實體模型。根據(jù)不同品牌種植體參數(shù)，可快速建立相應(yīng)的種植體三維模型。在此同時模擬高5mm的基臺，基臺和種植體簡化為一個整體，在基臺上模擬2mm厚的瓷修復(fù)體。

應(yīng)用Pro/E的拉伸命令(Protrusion)，以第一前磨牙的橫斷切面作為基底面，將其進行近遠中的拉伸形成三維的下頜骨骨塊。牙槽嵴頂?shù)钠べ|(zhì)骨厚度變化由1.5～2.5mm。松質(zhì)骨的近遠中未被皮質(zhì)骨包繞。骨塊的幾何參數(shù)。最后應(yīng)用Pro/E的自適應(yīng)裝配功能(Assemble)建立基于種植體參數(shù)的自適應(yīng)變化頜骨骨塊三維實體模型。

1．2．2 材料屬性：本研究中的所有材料假設(shè)為均質(zhì)、各向同性的線彈性材料。材料參數(shù)均來自于文獻報道。

1．2．3 接觸面設(shè)定：假設(shè)種植體與頜骨發(fā)生全部的骨結(jié)合。種植體與頜骨為固定接觸，修復(fù)體和種植體之間亦假設(shè)為固定接觸。

1．2．4 約束和單元劃分：在骨的近遠中面進行固定約束。將模型用10節(jié)點四面體和20節(jié)點六面體劃分，在種植體一骨界面周圍進行細劃，隨后進行有限元求解分析。應(yīng)用皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨中的Von Mises應(yīng)力 (Equivalent Stress.EQVStress)分布進行模型的準(zhǔn)確性檢驗。

1．2．5 收斂性檢驗：本研究中，應(yīng)用皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的EQV應(yīng)力峰值作為檢驗指標(biāo)。設(shè)定模型單元細化后，當(dāng)皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的EQV應(yīng)力峰值變化幅度小于3％時，則認為有限元分析的解為收斂的解。當(dāng)單元細化循環(huán)設(shè)為3，細化深度設(shè)為2時，所有的模型均可以得到自動收斂的解。此時模型的平均單元數(shù)為55000，節(jié)點數(shù)為130000。

2 結(jié)果

在計算機上快速的建立了不同品牌的種植體骨塊三維有限元模型。種植體模型在大體形態(tài)上與真實種植體形態(tài)一致，螺紋連續(xù)無中斷，尺寸上與實體尺寸相同。以Straumann種植體側(cè)向受力進行檢測，當(dāng)種植體直徑為3.3mm，長度為10.0mm時頜骨Yon Mises應(yīng)力分布云圖，VonMises峰值位于種植體頸部密質(zhì)骨區(qū)，與以往報道的三維有限元模型的研究結(jié)果相一致。

3 討論

3．1 模型建立的相似性：傳統(tǒng)種植體的三維有限元建模方法是將種植體植入到頜骨之中，然后用磨片法、CT法等將其斷成若干層斷層，再將斷層片描出輪廓圖，然后應(yīng)用編程語言進行輪廓圖的邊界識別，最后將二維圖像恢復(fù)為三維實體模型。傳統(tǒng)方法的最大缺點是在信息轉(zhuǎn)化過程中，往往會出現(xiàn)數(shù)據(jù)的損失等，一些細節(jié)形態(tài)如螺紋等很難準(zhǔn)確地表達，因而建立的模型幾何相似性較差。本研究利用Pro/E的強大三維制圖功能精確的繪制出各種種植體的真實尺寸，并通過與有限元軟件的無縫接口功能，將模型完整的導(dǎo)入到Ansys workbench有限元軟件，使得所建模型與種植體實際情況具有高度的相似性。另外通過Pro/E的自適應(yīng)裝配功能，可以快速的建立包含內(nèi)螺紋的頜骨骨塊三維模型，保障了頜骨與種植體的完全嚙合。

3．2 模型建立的高效性：傳統(tǒng)的不同種類種植體建模時須單獨建立不同種類種植體，然后根據(jù)每個種植體再進行頜骨的建模，最后重新進行裝配，工作量大，效率低。本研究應(yīng)用Pro/E裝配的自適應(yīng)功能，僅建立1個種植體和1個骨塊，當(dāng)需要建立包含不同種類種植體的頜骨骨塊三維組裝模型時，僅需在種植體縱剖面二維繪圖中進行適當(dāng)修改，頜骨骨塊三維模型和裝配模型利用自適應(yīng)功能可以自動改變，在Ansys workbench環(huán)境中僅需使用Update功能，即可將修改的完整模型準(zhǔn)確無誤的傳遞到有限元分析軟件，大大提高了建模效率。利用Pro/E參數(shù)制的特點，可以方便的對種植體參數(shù)如長度、直徑等以及頜骨的厚度、吸收程度等進行快速修改，為后期復(fù)雜的種植修復(fù)分析提供了更為快捷的途徑。

4 結(jié)論

本研究利用Pro/E軟件繪制了不同種類種植體三維實體模型，同時應(yīng)用Pro/E的自適應(yīng)建模功能和Ansys Workbench與Pro/E軟件的參數(shù)雙向傳遞功能，建立了可自適應(yīng)改變的種植體骨塊三維有限元模型。與以往建模方法相比，該方法提高了建模的精度和效率，為復(fù)雜的種植體骨塊建模提供了全新的思路。