包含直径和长度连续变化种植体骨块三维有限元模型的建立-中国组织工程与临床康复2007年1期目次

包含直径和长度连续变化种植体骨块三维有限元模型的建立★

臧晓霞1，孔亮2，刘宝林2，宋俐3，杨水成3，魏锋涛3

Establishment of three dimensional finite element
models of continuous implant with diameter and length variation★

Abstract

AIM： To construct continuous implant diameter and length variation three dimensions (3D) finite element models by computer aided design (CAD) software and bidirectional parameter transmit of 3D finite element analysis software.

METHODS： The experiment was performed at the Institute of Mechanism and Precision Instrument, Xi’an University of Technology from March to August 2005. ①CAD software (Pro/E Widefire 2.0, Parametric Technology Corporation, USA), Ansys Workbench 10.0 finite element analysis software (SAS IP, Inc, USA) were applied. ②A posterior mandible segment with an implant and a superstructure were modeled on a personal computer with CAD software. A cross-section of a mandible in the first premolar region was used as a basis for a solid model, and then the cross-sectional image was extruded to create a three-dimensional mandible segment. The thickness of cortical bone in the crest region varied from 1.9 mm to 3.1mm, and the mesial and distal section planes were not covered by cortical bone. A cylindrical implant and a 5 mm high solid abutment were modeled and were simplified to one unit. A porcelain superstructure with 2 mm occlusal thickness was applied over the titanium abutmen. The diameter of implant (D) and length of implant (L) were set as the input variables. D ranged from 2.5 to 5.0 mm, and L ranged from 6.0 to 16.0 mm. The 3D models were geometric similar with mandible section with implant. The models were meshed and analyzed in Ansys workbench10.0 software automatically.

RESULT: Under lateral load, when D was 3.5 mm and L was 13.0 mm, the highest Von Mises stress was observed buccally and lingually near the implant neck in cortical bone.

CONCLUSION：Continuous implant diameter and length changing 3D finite element models can be rebuilt by bidirectional parameter transmit of Ansys workbench software and CAD software.

1Department of Stomatology, Air Force General Hospital of Chinese PLA, Beijing 100036, China; 2Department of Maxillofacial Surgery, College of Stomatology, Fourth Military Medical University of Chinese PLA, Xi’an 710032, Shaanxi Province, China; 3Institute of Mechanism and Precision Instrument, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, Shaanxi Province, China

Zang Xiao-xia★, Master, Attending physician, Department of Stomatology, Air Force General Hospital of Chinese PLA, Beijing 100036, China
liu_qing@fmmu.edu.cn

Received:2006-05-17 Accepted:2006-07-24

摘要
目的：利用计算机辅助设计软件与三维有限元分析软件的参数双向传递功能，建立包含直径和长度连续变化的种植体骨块三维有限元模型。
方法：实验于2005－03/08在西安理工大学机械与精密仪器工程学院完成。①CAD(Computer Aided Design)计算机辅助设计软件(Pro/E Widefire 2.0，Parametric Technology Corporation，USA)。Ansys Workbench 10.0有限元分析软件(SAS IP，Inc，USA)。②应用CAD软件在计算机上建立包含修复体上部结构和种植体的下颌后牙区骨块。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为1.9～3.1 mm，松质骨的近远中未被皮质骨包绕。模拟一圆柱形种植体，同时模拟高5 mm的基台，基台和种植体简化为一个整体，在基台上模拟2 mm厚的瓷修复体。设定种植体直径（D）和种植体长度（L）为变量，D变化范围为2.5～5.0 mm，L变化范围为 6.0～16.0 mm。建成后三维有限元模型与实体组织具有良好的几何相似性，利用Ansys Workbench 10.0软件中的Mesh命令，直接对模型进行智能网格划分，进行有限元分析。
结果：在直径为3.5 mm、长度为13.0 mm时的颌骨Von Mises 应力分布云图上，Von Mises峰值位于种植体颈部密质骨区。
结论：应用Ansys Workbench软件与CAD软件的参数双向传递的功能，使得种植修复中种植体直径和长度均连续变化的三维有限元模型建立得以实现。
关键词：牙种植体；模型，解剖学；有限元分析

臧晓霞，孔亮，刘宝林，宋俐，杨水成，魏锋涛.包含直径和长度连续变化种植体骨块三维有限元模型的建立[J].中国组织工程研究与临床康复，2007，11(1):115-117 [www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/07-1/1k-115(ps)pdf]

1解放军空军总医院口腔科，北京市 100036；2解放军第四军医大学口腔医学院颌面外科，陕西省西安市 710032；3西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西省西安市 710048

臧晓霞★，女，1972年生，江苏省无锡市人，汉族，2001年解放军第四军医大学毕业，硕士，主治医师，主要从事口腔基础与临床方面的研究。
liu_qing@fmmu.edu.cn

中图分类号:R319.1 文献标识码:A
文章编号:1673-8225
(2007)01-00115-03

收稿日期：2006-05-17
修回日期：2006-07-24
（06-50-2-1134/ZS·Q）

课题背景：相对于其他生物力学分析方法而言，有限元分析法在模拟复杂的临床情况时具有更多的优势。根据有限元方法的模型简化原则，一般建议研究人员更重视定性资料而非定量资料。由于以往软硬件技术的局限，建立的种植体模型多为长度整数级变化（如 8 mm，10 mm等），给临床选择造成一定难度。本实验应用Pro/E的自适应功能，建立颌骨可随种植体自动变化的实体模型，利用Pro/E与Ansysy Workbench的双向参数传递功能，在Workbench环境中设定直径和长度的变化范围，使两者之间既可以相关分析又能得到连续性的结果。

创新要点：与以往离散的有限元分析资料相比，本实验进行了两个连续变化观察指标的建模，因而为后续结果提供了关于种植体设计参数相关性更为准确、直观化的定性资料。另外，实验结果提示两个观察指标对颌骨的EQV 应力峰值是相互关联的，两个变量对颌骨的EQV 应力峰值的影响不能单独进行分析。由于以往研究多只进行单变量的影响分析，因而这是本实验的一个重要发现，为相关科室的力学分析建模提供了一种全新思路。

同行评价：采用有限元分析技术对牙终种植体周围骨的力学行为进行分析和预测是牙种植体研究开发和临床应用的重要内容，早在20世纪70年代就有大量报道，但由于计算条件和建模方法较为简陋，使得结果与实际情况差异较大。随着计算机技术和医学影像技术的飞跃发展，近年来研究更趋精确，目前一般的有限元建模均采用CT或螺旋CT图像，基本可以再现患者的实际情况。