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1、基金项目:陕西省科技攻关课题编号:2002K102G8(04) 作者单位:710032西安,第四军医大学秦都口腔医院种植科马 攀 (E 2mail : mapanxw )、 李德华 ;总装备部司令部黄 寺门诊部口腔科(彭勤建、 匡薇、 史真、 林升、 吴晓霞、 李双发、 李万年) 通讯作者:李德华, 710032西安,第四军医大学秦都口腔医院种 植科 临床论著 Pro/ E的自适应功能在建立螺纹型 牙种植体骨块仿真数据库的应用 马攀 李德华 彭勤建 匡薇 史真 林升 吴晓霞 李双发 李万年 【摘要】 目的 探讨利用Pro/ E软件自适应功能建立螺纹种植体体部、 基桩、 中央螺丝、 皮质 骨、
2、松质骨和牙冠的实体模型数据库方法,以方便对不同参数组合的分析研究。方法 使用Pro/ E 软件建立包含各组件牙种植体的下颌骨骨块三维实体模型,选取某一参数模型导入Ansys Work2 bench 9. 0有限元分析软件中,进行力学验证分析。结果 建立了一种包含了各组件牙种植体的下颌 骨骨块三维实体模型,各组件参数可灵活调整,力学分析结果与文献报道一致。结论 利用Pro/ E 软件自适应功能建立含有牙种植体的下颌骨骨块实体模型数据库,提高了模型的灵活性、 准确性,自 适应功能保障各组件完全配合,可以为不同种植体参数组合的比较研究提供平台。 【关键词】 牙种植体; 三维有限元; Pro/ E自适
3、应 Self2adaptation function of Pro/ ENGINEER softw are in constructing 32D model data of screw implant MA Pan 3 , L I De2hua , PEN GQin2jian , KUA N G Wei , S HI Zhen , L IN Sheng , WU Xiao2xia , L I Shuang2f a , L I Wan2nian. 3 Department ofOral Implantology , Qindu StomatologicalHospital , Fourth M
4、ilitary Medical University , Xian710032,China 【Abstract】 Objective To creat 32D models of dental implants for finite element analysis based on self2adaptation of Pro/ ENGINEER software. Methods Using Pro/ ENGINEER software , 32D models of screw implants were created , which included different assemb
5、lies. 32D model of thread dent2 al implant was assembled to 32D model of mandible bone segment , and imported to Ansys Workbench 9. 0. Then the 32D model was meshed. Thus the 32D FE models were established. Results We con2 structed a 32D model that included an implant body , abutment , a central scr
6、ew , cortical bone , cancel2 lous bone , and crown. Every assemblies could be adjusted flexibly. The result of mechanics was com2 pletely identical to the data being reported. Conclusion 32D FE models of screw implant based on self2 adaptation of pro/ engineer are created. The method enhances the ac
7、curancy , flexibility and velocity in constructing a model. This model can offer a platform for analyzing the stress/ strain of different im2 plant. 【Key words】 Screw implant ; 3D FE model ; Pro/ E self2adaptation 目前,牙种植技术在齿科美容中得到广泛应用, 在口腔种植的生物力学领域的研究中,有限元分析 法已经成为一种较成熟的方法,可最大限度减少人 为因素的影响,增加可控因素。有限元法
8、的关键是 模型的建立。但以往建立的模型,很难进行参数修 改,即如果要调整模型参数,就要建立新的模型,从 而降低了模型的延续使用性。本实验通过Pro/ En2 gineer (Pro/ E) Wildfire 2. 0软件的自适应功能,建 立了一种包含了螺纹种植体体部、 基桩、 中央螺丝、 皮质骨、 松质骨和牙冠的实体模型数据库,可对模型 参数进行修改,生成多种不同参数组合的模型,可以 满足对不同螺纹种植体组件力学分析的需要。 材料和方法 一、 材料 计算机CPU :2. 0 ;内存:1G;CAD/ CAM软件: Pro/ E Wildfire 2. 0 ;CAE有限元分析软件:Ansys Wo
9、rkbench 9. 0。 二、 方法 1.绘制种植体三维图形:使用Pro/ E中螺旋扫 描命令,生成V型渐变螺纹的种植体体部和中央螺 丝,使用Pro/ E中拉伸旋转命令,生成种植体基桩, 外形尺寸参考Brnemark种植系统参数(图 1) 。 数 据存储为.prt形式。 2.绘制下颌骨骨块及牙冠图形:根据圣维南原 82 中华医学美学美容杂志2006年2月第12卷第1期 Chin J Med Aesth & Cosmet , February 2006 , Vol. 12 , No.1 理对其做必要的简化,具体骨块尺寸:36 mm (近远 中)26 mm(高度)16 mm(颊舌向) 1 ,立方
10、体骨 块4个外表面(颊舌面及上下面)画出皮质骨厚度 1. 5 mm2(图 1) 。数据存储为.prt形式。 3.装配:利用Pro/ E软件的自适应功能进行加 减装配,得到的组装体包含6部分实体,即螺纹种植 体体部、 基桩、 中央螺丝、 皮质骨、 松质骨和牙冠,组 装体各组件完全配合。数据存储为. asm形式,种植 体组件见图2。 4.对螺纹角度、,螺距L ,种植体体部和中央 螺丝的直径、 长度、 基桩角度、 高度进行任意参数设 定,利用Pro/ E软件的装配自适应功能,均能得到 组装体各组件完全配合的不同模型(图 3) 。 5.力学相似性检验:为验证不同螺纹形态种植 体三维有限元模型的几何和力
11、学相似性,选取体部 为V型螺距= 0. 8 mm的螺纹种植体,使用Pro/ E 软件的ANSYS无缝接口,将实体模型直接导入 Ansys Workbench 9. 0有限元分析软件中,材料属 性见表1 ,下颌骨局部骨块近远中给予固定约束2。 种植体组件和骨组织假设为连续、 均质和各向同性 的线弹性材料,种植体与骨组织为100 %骨结合,其 他各组件间的接触关系也假设为100 %骨结合,即 模型中界面两种材料在载荷下的相对位移为0。对 模型划分单元,采用单元粗化和手工对种植体与骨 界面单元进行细化(图 4) 。单元数为73 395个,结 点数为117 528个。模拟牙冠中心点垂直加载220 N3
12、力的情况。 表1 材料力学参数 Tab 1 Elastic properties assumed for the represented materials 材料类型弹性模量(GPa)泊松比文献 密质骨140. 304 松质骨 30. 305 种植体体部1100. 356 基桩1100. 356 中央螺丝1100. 356 金合金冠1000. 307 图1 组件结构剖面及螺纹尺寸图(mm) 图2 种植体各组件 图3 不同螺距的转换剖面图 图4 有限元模型 网格的划分 图5 垂直加载的von2mises应力云图(mm) Fig 1 The shape and size of dental imp
13、lant and the structure of mandible embedded implant (mm) . Fig 2 Implant assemblies. Fig 3 Structures of mandibles embedded implants of different pitches. Fig 4 Grid mesh of finite of element. Fig 5 Von Mises stress distribution around the implant with vertical loading (mm) 92 中华医学美学美容杂志2006年2月第12卷第
14、1期 Chin J Med Aesth & Cosmet , February 2006 , Vol.12 , No. 1 The Standard is downloaded from Standard Sharing 6.应力分析:体部为V型螺距= 0. 8 mm的螺 纹种植体的垂直向牙冠中心点加载220 N力 (图5) ,最大等效应力集中于颈部密质骨区,与以往 报道的三维有限元模型的研究结果相一致8。 结果 本实验利用Pro/ E wildfire2. 0软件自适应功 能,建立一种包含了螺纹种植体体部、 基桩、 中央螺 丝、 皮质骨、 松质骨和牙冠的实体模型数据库,各组 件参数可灵活调
15、整,自适应功能保障各组件完全配 合,提高了模型的灵活性、 准确性,方便了对不同参 数组合的比较研究。 讨论 种植体力学的研究中,多是考虑种植体各组件 不同参数的组合对其性能的改变,以往种植体骨块 的建模,多采用磨片法、 三维测量法、CT图像处理 法、DICOM数据直接建模法等方法9。上述方法 均要采集实物信息,并进行多次信息转化,最后转化 为数字信息输入计算机,这样多为一套参数对应一 种模型,模型各组件很难再进行编辑修改或者对某 一组件进行参数调整,其他组件不能进行相应的改 变,各组件之间不能完全配合,只能是重新建模,工 作量大,而且在信息转化时易出现数据的丢失或掺 杂着与形态研究无关的信息。
16、Pro/ Engineer Wild2 fire2. 0软件是美国参数技术公司开发的新一代 CAD/ CAM软件,其自适应功能在保证模型准确的 基础上大大提高了建模的灵活性和速度。国外学者 用Pro/ E软件建立种植体模型已有报道10。各组 件存储为. prt格式,使用软件的自适应编辑功能, 可以对组装体各组件的参数进行调整,如改变种植 体体部和中央螺丝的直径、 长度、 螺纹角度、 螺距、 基 桩的聚合角度、 牙冠的厚度等,利用自适应再生功能 保障各组件完全配合,增加了模型的灵活性,延续了 使用性,方便了对不同参数组合的比较研究,也避免 了重复建模,提高了速度。同时,建模的准确性也大 大提高,
17、利用Pro/ E直接绘制各组件形态,能准确 表达组件特征,且不参杂无关信息,软件中螺旋扫描 命令,可自动实现螺纹起始处和终止处形态为缓慢 逐渐伸出,从而保障螺纹形态与真实实体的最大一 致性,Pro/ E软件与有限元分析软件Ansys Work2 bench 9. 0有无缝接口,在Pro/ E软件中装配的实 体可直接导入有限元分析软件中进行分析,避免了 分析模型的数据丢失。此外,以往建模多需要非口 腔专业人员的帮助和参与,对模型的理解往往有偏 差。最新的Pro/ E Wildfire2. 0软件界面便于操作, 易于掌握,经过一段时间学习,可独立完成,极大地 提高了口腔医师在建模过程中的参与性。
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