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戎屐宗
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1 1906 第三军医大学学报,2018,40(20) htp://aammt.tmmu.edu.cn DOI: /j 下颌第一磨牙在不同咬合接触受力下的有限元分析刘益兵, 黄楠楠, 张珠, 胡娜重庆, 重庆医科大学附属口腔医院, 口腔疾病与生物医学重庆市重点实验室, 重庆市高校市级口腔生物医学工程重点实验室 [ 摘要 ] 目的通过有限元法, 建立 Ⅰ 类磨牙关系不同的咬合接触类型的下颌第一磨牙, 分析咬合接触类型对牙体牙周组织受力及牙位移的影响方法选取下颌第一磨牙为中性磨牙关系的患者, 通过 CBCT 扫描, 获得 DICOM 数据, 建立有限元模型, 分别构造出不同咬合接触类型的各个工况, 通过垂直加载 300N 载荷作用力, 获取在不同工况下下颌第一磨牙牙体应力应变及位移极值, 分析不同咬合接触类型对牙体及牙周组织的影响结果仅有 C 区 ( 下颌第一磨牙舌尖颊斜面 ) 受力时应力峰值最大, 仅有 A B 区 (A 区 : 下颌第一磨牙颊尖颊斜面 ;B 区 : 下颌第一磨牙颊尖舌斜面 ) 受力时次之, 应力峰值大小随着受力区的增多呈减小趋势应力集中的部位除 1 4 工况外, 其余大多集中在牙体牙合面的中央窝侧壁牙体受到应力位置不同, 牙体位移也不同, 其中, 仅 C 区接触时牙体移动值达最高, 仅 A 区接触时其次, 后依次为 BC AB B 区接触, 而牙体移动值最小的是 AC 和 ABC 区接触结论仅有 C 或 A 区接触时对牙齿稳定性不利, 应尽量避免, 在咬合调整时, 多点接触式咬合可有利分散咬合应力 [ 关键词 ] 下颌第一磨牙 ; 中性磨牙关系 ; 有限元分析 ; 咬合接触 [ 中图法分类号 ] R318.01;R319;R78 [ 文献标志码 ] A Finiteelementanalysisofmandibularfirstmolarunderdiferentconditionsof occlusalcontact LIUYibing,HUANGNannan,ZHANGZhuyu,HUNa ChongqingKeyLaboratoryofOralBiomedicalEngineering ofhighereducation,chongqingkeylaboratoryfororaldiseasesandbiomedicalsciences,stomatologicalhospitalof ChongqingMedicalUniversity,Chongqing,400015,China [Abstract] Objective Toestablishafiniteelementmodelofthemandibularfirstmolarandanalyze theefectsofdiferentconditionsofocclusalcontactonstresdistributioninthetoothandperiodontaltisue andontoothdisplacement.methods TheDICOM dataofconebeam computedtomography(cbct)were obtainedfromapatientwithneutralocclusionofthemandibularfirstmolartoestablishthefiniteelementmodel ofthemandibularfirstmolarandtheperiodontaltisue.threeocclusalcontactareasweredefinedonthe occlusalsurfaceofthefirstmolar,namelythebuccalslopeatthebuccalcusp(a),lingualslopeatthebuccal cusp(b),andbuccalslopeatthelingualcusp(c).theextremevaluesofstres,strainanddisplacementof themandibularfirstmolarweredeterminedunderaverticalloadingof300n,andtheimpactofdiferent conditionsofocclusalcontactonthedentalandperiodontaltisueswasanalyzed.results Forceloadingat theocclusalcontactareacresultedinthegreatestpeakstres,folowedbysimultaneousloadingataandb, andthenbyloadingatalthe3contacts.thestreswasconcentratedmostlyonthelateralwalsofthecentral fosaoftheoccusalsurface.thevariationofstresdistributioninthetoothwithstrainloadingcaused displacementsofthetooth,whichwasthegreatestwithforceloadingatc,folowedsequentialybyloadingat [ 基金项目 ] 重庆市卫生计生委医学科研项目 (2015MSXM048) [ 通信作者 ] 胡娜, @qq.com [ 优先出版 ] htp://kns.cnki.net/kcms/detail/ r html

[Keywords] mandibularfirstmolar;molarrelationship;finiteelementanalysis;occlusalcontact SupportedbytheMedicalResearchProjectofChongqingHealthandFamilyPlanningCommitee(2015MSXM048).

2 htp://aammt.tmmu.edu.cn 第三军医大学学报,2018,40(20) 1907 A,BC,AB,andB,andwasthesmalestwithloadingatACandABC.Conclusion OcclusalcontactatA orcexclusivelycanbedetrimentaltomaintainingthetoothcontactstabilityandshouldbeavoided,and occlusaladjustmenttoalowmultipleocclusalcontactshelpstodispersetheocclusalstres. [Keywords] mandibularfirstmolar;molarrelationship;finiteelementanalysis;occlusalcontact SupportedbytheMedicalResearchProjectofChongqingHealthandFamilyPlanningCommitee(2015MSXM048).Corespondingauthor:HUNa, 随着口腔医学的发展以及对牙合学的关注日渐深入, 诸多口腔疾病, 如牙隐裂楔状缺损牙齿磨损龋齿颞下颌关节紊乱等被认为与咬合密切相关 [1-4] 以往对这些牙体疾病及颞下颌关节病的认识多集中于口腔致病菌机械摩擦力进食习惯等因素, 而随着对咬合的关注逐渐加强, 越来越多的口腔医师意识到咬合紊乱导致牙体的应力分布不均也是牙体疾病或颞下颌关节病的重要诱因之一咬合不平衡不仅会影响到口颌系统, 甚至会有损全身健康, 研究显示健康而稳定的咬合关系可以有效改善颈椎病患者的症状, 并提高其睡眠质量 [5] 正常成人口腔中有 28~32 颗恒牙, 上下颌两两相对组成一组行使咀嚼功能, 其中最为关键的是上下颌第一磨牙的关系, 常称它为牙合关键, 因为它是错牙合畸形的最重要的分类依据, 同时第一磨牙牙体缺损缺失最为常见 [6], 所以对第一磨牙的研究也是口腔医师选择的重点随着生物力学迅速发展, 如 Mimics Solidworks ANSYS 等诸多软件的研发及广泛的应用, 使得有限元法成为生物力学研究的重要手段 [7-9] 本文拟以下颌第一磨牙为基础, 构建不同的咬合接触类型并施加垂直载荷的有限元模型, 以此来探究在不同的咬合下, 牙齿组织的承受力和位移, 为预防和治疗牙体疾病调牙合提供临床指导依据型 ( 图 1), 利用 solidworks 软件依次组装牙齿牙周膜和牙槽骨, 保存为 IGES 格式, 再导入 ANSYS 软件, 将牙体牙周膜及牙槽骨通过四面体网格划线因本文主要分析的是多样的咬合触碰情况下牙齿及周边组织承力的研究, 所以对牙体牙槽骨及牙周膜以不一样密度的小网格区分, 规定基础网格大小依次为 mm( 图 2) 图 1 磨牙的三维模型 1 材料与方法 1.1 下颌第一磨牙三维有限元模型的建立选取右侧第一磨牙磨牙关系为中性无明显牙体缺损无明显咬合异常的患者 ( 受试者对试验知情同意, 志愿参加 ), 拍摄 CBCT(120kV 电压,275mA 电流, 设置参数 :0.50mm 扫描距离, 层厚 0.20mm), 总计得到 784 张断层摄影图片, 以 DICOM 数据形式导入 MIMICS, 复制其导出的所有蒙版, 然后按图层依次去除下颌第一磨牙, 反复校验后再把其中两种蒙版进行布尔减法操作, 即可得到下颌第一磨牙所对应的颌骨形状将数字以点云模式输入 Geomagic 电脑软件, 调整牙尖斜度约为 45, 光顺牙齿表面, 建立第一磨牙模图 2 有限元模型网格划分 1.2 下颌第一磨牙牙合面的网格划分将下颌第一磨牙的咬合生成面用 ANSYS 分析软件划分成若干个区域, 其中 A B C 区为咬合面, 每一面又分别有近中中间远中三类, 所以总计九个区, 可用 1 ~9 标注, 每个区域均有一定量的网格, 共计单元,23821 节点, 见图 3

3 1908 第三军医大学学报,2018,40(20) htp://aammt.tmmu.edu.cn 见图 5,1 ~9 依次为 9 个区 ( 图 3), 施力部位不区分近远中, 仅区分 A B C 力值加载通过有限元软件计算后, 对牙体受力后的应力应变及牙位移情况进行计算分析图 3 模型中咬合面的分区示意图 1.3 各牙体组织的属性参数模型中各牙体组织视为均质连续线性的各向同性的材料, 各牙体组织的力学参数见表 1 表 1 各牙体组织的力学参数材料弹性模量 (MPa) 泊松比牙牙周膜骨皮质骨松质垂直载荷加载方式及观察指标选择中性磨牙关系患者的下颌第一磨牙作为研究对象, 改变施力部位模拟不同咬合接触类型的受力情况,A: 下颌第一磨牙, 颊尖颊斜面处 ;B: 下颌第一磨牙, 颊尖舌斜面处 ;C: 下颌第一磨牙舌尖颊斜面处 ( 图 4) 因为咬合具有多样化动作丰富杂乱的特点, 所以本研究拟探究牙尖交错位时患者做紧咬牙动作时下颌第一磨牙的受力特点, 根据咬合力度的不同, 给下颌第一磨牙的咬合面释放约 300N 的垂直载荷, 施加力度图 4 三点式咬合接触 2 结果 2.1 垂直载荷加载后牙体应力应变的变化依据图 6~8 结果显示, 只有 1 个区域受力时的应力峰值较高, 且仅有 C 区受力时有最高值, 而排在后面的依次为 A 区 B 区接触受力有两区同时受力时应力峰值基本接近, 其应力峰值均小于仅有 1 个区受力当 ABC3 个区均受力时, 应力峰值最小应力集中的部位除 1 4 工况外, 其余大多集中在牙体牙合面的中央窝侧壁 2.2 垂直载荷加载后牙齿位移变化从应力作用在不同区域时牙位移情况可见, 仅有 C 区接触的工况时牙齿位移极值最大, 仅有 A 区接触的工况时位移极值次之,BC AB B 工况时位移极值再次之, 而 AC 和 ABC 工况时牙齿位移量极值较小, 各种工况下牙体应变变化基本同应力变化见图 9 图中数据为力值 /N 图 5 不同咬合接触工况的各分区垂直载荷力分布

仅 B 区接触 ;C: 仅 C 区接触 ;D:AB 区同时接触 ;E:AC 区同时接触

A: 最大牙应力 ;B: 最小牙应力 ;1~7: 分别为 A B C AB AC BC

4 htp://aammt.tmmu.edu.cn 第三军医大学学报,2018,40(20) 1909 A: 仅 A 区接触 ;B: 仅 B 区接触 ;C: 仅 C 区接触 ;D:AB 区同时接触 ;E:AC 区同时接触 ;F:BC 区同时接触 ;G:ABC 区同时接触图 6 不同接触情况牙体应力分布 A: 最大牙应力 ;B: 最小牙应力 ;1~7: 分别为 A B C AB AC BC ABC7 种工况图 7 牙体应力分布大小 A: 最大牙应变 ;B: 最小牙应变 ;1~7: 分别为 A B C AB AC BC ABC7 种工况图 8 牙体应变分布大小 A: 最大牙位移 ;B: 最小牙位移 ;1~7: 分别为 A B C AB AC BC ABC7 种工况图 9 牙体位移变化情况

5 1910 第三军医大学学报,2018,40(20) htp://aammt.tmmu.edu.cn 3 讨论龋病牙颈部牙槽骨吸收楔状缺损牙合面磨损等常见的口腔问题, 在病因学方面的研究以往大多集中在生物 ( 细菌 ) 机械作用 ( 夜磨牙横向刷牙 ) 饮食习惯及遗传因素等 [10-12], 近年来, 牙科专家们对于牙合学有了更进一步地探索由于咬合接触变异性较大, 目前对于咬合接触稳定性或者标准咬合接触类型的评价标准仍然多种多样, 但直接检测的方法较少, 大部分都是采用从侧面定性或定量地研究 [13-15] 力对物体的影响大部分体现在应力应变和物体的移动上, 随着有限元研究的深入, 我们可以通过构建有限元模型的方法了解力在牙体上的作用及对牙体的影响 [16-17] 上下颌牙处于牙尖交错位并紧咬这个状态下是最稳定重复性最高的咬合 [6], 下颌第一磨牙是全口牙列中承担咬合力最大的牙, 尤其在牙尖交错位时产生 [18] 的咬合力最大徐樱华等学者得出结论, 中国人的 [19] 最大咀嚼力为 30kg, 最小为 3kg 陈新民等在实验过程中也证实了我国人民下颌第一磨牙的咬合力峰 [20] 值为 300N MASUMOTO 等的研究中也提出过最大咬合力值因而本次测验将承载力大小定为了 300N 咬合接触类型对分散咬合力咀嚼运动中咬合引导轨迹的确定是至关重要的 [21], 研究咬合生物力学作用规律的方法关键是对不同咬合接触类型进行力学分析由于每个人的咬合力度不同, 口腔内真实的咬合运动比较难以诠释, 将非静态的咬合碰触进行解析格外困难, 因此大多数研究者都将研究定位在静态咬合接触同时, 模拟载荷加载咬合力的方向主要是侧向载荷和垂直载荷 [22], 牙尖交错位时中性磨牙关系的下颌第一磨牙受力情况为本研究重点, 在该位置下, 牙齿表面承受的咬合力一般为垂直的因此, 笔者采取对牙齿表面施加垂直载荷力 DICOM 所用数据均为已有的头颅口颌资料, 研究时每一层图片都已被认真审核, 因此下颌第一磨牙的咬合接触已能够确切可靠地被诠释出来根据本实验研究结果显示, 仅有 C 区 ( 舌尖颊斜面 ) 受力时应力极值最大, 这表示 C 区受力时会形成极大的应力, 紧随其后的是 A 区 B 区其次, 下颌第一磨牙在 ABC 处碰触时应力最小碰触面积越大, 牙齿的应力极值反而越低, 推测可能是因为接触面积的增大会导致受力扩散再者, 在牙合面的中央窝侧壁存 [15] 在应力集中, 这跟 WANG 等的研究结果一致周 [23] 晖等通过改变种植体上方牙冠的咬合接触类型和牙尖斜度来对种植体受力进行研究, 结果表明, 当冠修复牙尖倾斜度达到 20 ~25 时,AB 区域作为咬合受力区, 此时种植体周围应力扩散度较大, 与本研究结果不完全一致究其原因, 可能与种植体为柱形, 磨牙牙根大多是双根, 牙体形态不同对结论造成的影响有关该实验因探究的咬合接触类型为 B BC AB ABC 四类, 并未涉及 A C AC 这三类, 得到的结论也相对片面至于位移的变化, 在 ABC 三区接触时的位移量最小, 而后依次是 AC 两区和单独的 B 区, 单独的 A 区和 C 区接触时位移量很大, 由此可断定, 前三种咬合接触 [23] 时牙齿受力后较为稳固周晖等的讨论认为, 在只有 A C 两区域接触时, 咬合接触因咬合力方向在同一角度很容易出现滑动因此 AC 区域的咬合接触极端不稳定, 也与本实验结果不同但是, 大多数的研究均支持当只有一个区域的咬合碰触时, 特别是只有 C 区时, 应力会显著集中在牙齿上, 从而可能会导致牙折牙隐裂等牙体硬组织病 [24] 所以, 在临床调牙合时, 最好避免仅有下颌舌尖颊斜面接触的咬合类型, 而加入其他区域产生多点咬合接触面, 可以帮助减少牙体硬组织疾病的产生只有 A 区或 C 区的接触时, 非常不利于牙齿的稳固, 所以在牙体疾病治疗单颗烤瓷牙戴牙正畸咬合调整及牙周松牙调牙合治疗时应最好避开此情况在本研究中, 选取中性磨牙关系的下颌第一磨牙作为研究对象, 具有很高的典型性和代表性而在实际中, 非中性磨牙关系也很常见本研究探究的结论可能不会适用, 因为口腔内的境况并没有想象的简单, 牙齿位置牙齿磨损牙体硬组织缺损牙周软硬组织和修复体牙合面设计等其他因素均可改变牙齿咬合力所以, 为了能帮助牙齿疾病的治疗, 给牙齿修复牙周诊断和正畸治疗提供更完善的临床指导和帮助, 牙齿咬合受力还需在多样化的口腔环境下进行更深入的探索其次, 因为本研究着重对非动态时牙齿咬合的承力进行研究, 对动态的咬合境况并未说明, 故牙齿咬合的稳定性及牙合运循环时牙齿承力的状况仍然需要进一步研究参考文献 : [1] STONEJC,HANNAHA,NAGARN.Dentalocclusionand temporomandibulardisorders[j].evidbaseddent,2017, 18(3):86-87.DOI: /sj.ebd [2]RIBEIROAA,AZCARATEPERILM A,CADENASM B, etal.theoralbacterialmicrobiomeofocclusalsurfacesin childrenanditsasociationwithdietandcaries[j].plos ONE,2017,12(7):e DOI: /journal. pone

6 htp://aammt.tmmu.edu.cn 第三军医大学学报,2018,40(20) 封 3 [3] 易新竹. 牙合学 [M].2 版. 北京 : 人民卫生出版社,2008:10. YIXZ.Gnathology[M].2ndEd.Beijing:People smedi calpublishinghouse,2008:10. [4] MACDONALDJW,HANNAM AG.Relationshipbetween occlusalcontactsandjawclosingmuscleactivityduringtooth clenching:partⅡ [J].JProsthetDent,1984,52(6): DOI: / (84) [5]NAVROTCHIC,BADEAME.Theinfluenceofocclusalstabili zationappliancesoncervicaldystoniasymptoms[j].clujul Med,2017,90(4): DOI: /cjmed824. [6] 皮昕. 口腔解剖生理学 [M]. 北京 : 人民卫生出版社, 2007: PIX.Oralanatomyandphysiology[M].Beijing:People s MedicalPublishingHouse,2007: [7]BENAZZIS,KULLMERO,GROSSEIR,etal.Usingoc clusalwearinformationandfiniteelementanalysistoinvesti gatestresdistributionsinhumanmolars[j].janat,2011, 219(3): DOI: /j x. [8] 高国宁, 王国友, 宋继武, 等. 下颌第一磨牙牙合面磨耗近中根受力影响的三维有限元分析 [J]. 上海口腔医学, 2016,25(2): GAOGN,WANGGY,SONGJW,etal.Threedimension alfiniteelementanalysisoftheinfluenceofstresonocclusal surfaceofthemandibularfirstmolar[j].shanghaijstoma tol,2016,25(2): [9] ZHANGH,CUIJW,LUXL,etal.Finiteelementanalysis ontoothandperiodontalstresundersimulatedocclusalloads [J].JOralRehabil,2017,44(7): DOI: /joor [10]SHEIHAM A,JAMESW P.Dietanddentalcaries:thepiv otalroleoffreesugarsreemphasized[j].jdentres,2015, 94(10): DOI: / [11] COSTALONGAM,HERZBERGM C.Theoralmicrobiome andtheimmunobiologyofperiodontaldiseaseand caries [J].ImmunolLet,2014,162(2PtA):22-38.DOI: /j.imlet [12] KRZYS ' CIAK W,KOS ' CIELNIAK D,PAPIEZ M,etal. Efectofalactobacilussalivariusprobioticonadoublespe ciesstreptococusmutansandcandidaalbicanscariesbiofilm [J].Nutrients,2017,9(11):1242. [13] NISHIGAWAK,SUZUKIY,ISHIKAWAT,etal.Efectof occlusalcontactstabilityonthejawclosingpointduringtap pingmovements[j].jprosthodontres,2012,56(2): DOI: /j.jpor [14] IMAMURAY,SATOY,KITAGAWAN,etal.Influenceof occlusalloadingforceonocclusalcontactsinnaturaldenti tion[j].jprosthodontres,2015,59(2): DOI: /j.jpor [15]WANGM,MEHTAN.Aposiblebiomechanicalroleofoc clusalcuspfosacontactrelationships[j].joralrehabil, 2013,40(1):69-79.DOI: /j x. [16] DEJAK B,MLOTKOWSKIA,ROMANOWICZM.Finite elementanalysisofmechanismofcervicallesionformationin simulatedmolarsduringmasticationandparafunction[j]. JProsthetDent,2005,94(6): DOI: / j.prosdent [17] 曾艳, 王嘉德. 下颌第一恒磨牙三维有限元模型的建立及应力分析 [J]. 中华口腔医学杂志,2005,40(5): ZENGY,WANG JD.Establishmentofthethreedimen sionalfiniteelementmodelofthefirstpermanentmandibular molaranditsstresanalysis[j].chinjstomatol,2005,40 (5): [18] 徐樱华. 徐樱华实用牙合学 [M]. 北京 : 科学技术出版社, 2011:1-2. XUYH.PracticalGnathology[M].Beijing:Scienceand TechnologyPres,2011:1-2. [19] 陈新民, 赵云凤. 口腔生物力学 [M]. 北京 : 科学出版社,2010. CHENXM,ZHAOYF.Oralbiomechanics[M].Beijing: SciencePres,2010. [20] MASUMOTO N,YAMAGUCHIK,FUJIMOTO S.Daily chewinggum exerciseforstabilizingtheverticalocclusion [J].JOralRehabil,2009,36(12): DOI: /j x. [21] CHAIH.Oncrackgrowthinmolarteethfromcontactonthe inclinedocclusalsurface[j].jmechbehavbiomedmater, 2015,44:76-84.DOI: /j.jmbbm [22]FUG,DENGF,WANGL,etal.Thethreedimensionfi niteelementanalysisofstresinposteriortoothresidualroot restoredwithpostcorecrown[j].denttraumatol,2010,26 (1):64-69.DOI: /j x. [23] 周晖. 种植修复体上部结构在功能咬合状态下的三维有限元分析 [D]. 天津 : 天津医科大学,2003. ZHOUH.3dimensionalfiniteelementanalysisofsuper structureofanimplantunderfunctionalocclusions[d]. Tianjin:TianjinMedicalUniversity,2003. [24] 陈宇, 林正梅, 凌均蓕. 牙隐裂患者咬合特征及牙体磨耗特点的临床观察 [J]. 中华口腔医学杂志,2009,44 (9): CHENY,LINZM,LINGJQ.Clinicalobservationonthe characteristicsofocclusionandtoothabrasioninpatientswith crackedtooth[j].chinjstomatol,2009,44(9): ( 收稿 : ; 修回 : ) ( 编辑黄超 )

2011-论文选集-2.cdr

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