弯曲根管运用不同根管器械预备后根管应力分布及牙根强度的三维

弯曲根管运用不同根管器械预备后根管应力分布及牙根强度的三维 中图分类号:R89;R36;R39 硕 士 学 位 论 文弯曲根管运用不同根管器械预备 后根管应力分布及牙根强 度的三维有限元研究 、所 口腔 医 学 院 院(系) 研究生姓名 李宁 学科、专业 口腔临床医学 导 师 姓 名 刘兴容 教 授 2013 年 5 月弯曲根管运用不同根管器械预备后根管应力分布及牙根强 度的三维有限元分 析 中文摘要 一. 实验目的 为临床在不同情况下根管器械的正确选择提供直接而 有效的 指导。 二(实验 1.选择无牙体缺损、明显磨耗、无明显根管弯曲的成 人下颌中切牙，用 Micro-CT 扫描技术获得数据，以将获得的扫描图像输入Mimics 10.01 软件进行几何重建，保存成 STL 格式几何文件，将其导入 Geomagic Studio 10 软件进行精修和曲面化后保存为 IGES. 2(弯曲角度(20?、40?)和弯曲半径 (2mm、5mm)的牙齿。 3.软件对35号K 锉0.02、ProTaper0.09、Profile0.06中切牙 有限元模型的牙齿模型，并模拟充填。 三( 实验结果: 1. 通过Micro-CT技术结 合Mimics 10.01软件和Geomagic Studio 10软件建立的三维模型模型在表面及内部? 峁辜 玫啬,饬耸?物的形态特征。 2. 通过Pro/Engineer Wildfire 4.0软件建立了不 同弯曲角度和 弯曲半径的的四组弯曲的牙齿模型分别为:20? 2mm、 20? 5mm、 40? 2mm 、40? 5mm。 3.通过Pro/Engineer Wildfire 4.0软件模拟三种不同器械预备根 管 预备后根充的四组弯曲根管分别为:20?2mm K锉002锥度、20? 2mm ProTaper0.09 锥度、 20?2mm Profile0.06锥度 、20?5mm K 锉002锥度、20? 5mm ProTaper0.09锥 度、20? 5mm Profile0.06 40? 40? 锥度、 40?2mm K锉002锥度、 2mm ProTaper0.09 40? 5mm K锉002锥度、40? 5mm ProTaper0.09 锥度、40? 锥度、 2mm Profile0.06锥度 5mm Profile0.06锥度。 4(通过ANSYS12.0软件对建立好的牙齿模型网格划分:K 锉35号预备充填后的牙齿具有30536个单元，根管系统有4254个单元，共有34790个 节点四面体单元;Profile0.0625号预备充填后的牙齿有31140个单元，根管系统有4950 个单元，共有37090个节点四面体单元;ProTaperF3预备充填后的牙齿有31520个单 元，根管系统有5158个单元，共有36678个节点四面体单元。 5(从整个牙齿来看， 根管上1/3应力最大，根尖1/3除即根管弯曲部次之，根中1/3最小.分段来说，根管口 ProTaper预备后充填后的牙齿应力最大，达到16.53Mpa，Profile次之，K锉最小;根 中1/3三种器械预备的应力只差异不大;根尖1/3K锉预备充填后的牙齿应力只最大， 达到12.72Mpa，Profile次之，ProTaper最小，且弯曲角度与应力值成正比，弯曲半 径与应力值越大成反比。 四.结论实验表明，三种根管预备器械在预备中度弯曲根 管时没有明显差异，预备重度弯曲根管时，ProTaper 优于 Profile 和 K 锉。弯曲 角度与应力值成正比，弯曲半径与应力值成反比。预备重度弯曲根管时候，根管口 ProTaper 预备后充填后的牙齿应力最大，达到 16.53Mpa，Profile 次之，K 锉最小; 由于三种器械中 ProTaper 锥度最大，垂直加载会使应力值增加，34研究表明根管 预备后锥度小于或者等于;根中 1/3 三种器械预备的应力只差异不大;根尖 1/3K 锉预备充填后的牙齿应力只最大。 。 关键词:三维有限元;Micro-CT 根管治疗; 下颌中切牙; 应力分析 Bstractbjective: The purpose of this study is to explore root distributionof pipe stress on the dental roots with different instruments fordifferent curved root canal. This is the correct choice for clinicalinstruments under different conditions of root .Methods: 1 Select the complete dentition occlusion no toothdefect and obvious wear and no obvious root canal curvature inadult mandibular incisor teeth to obtain the three-dimensionaldynamic pictures and Mimics 10.01 software can recognize thecrown root to section Micro-CT scanning technology the imageinput obtained by the Mimics 10.01 software geometryreconstruction after repeated batch import and controlling the grayvalue including STL format file geometry of enamel and dentinpulp and other parts import it to Geomagic Studio 10 reverseengineering software for model refinement and hand laid surface issaved in IGS format。2 The establishment of different degree of root canal curvature ofthe teeth of the 3D finite element model using Pro/Engineer Wildfire4 software establish of root canal curvature bending angle curved root canal classification mainly axis along the canal to 20 ? 60 ?and the bending radius 2mm 5mm tooth model.3Establish of root canal taper for the software to 35 K file 0.02ProTaper0.09 Profile4 Analysis of different models of loadingconditions on the stress distribution in the same load center byusing ANSYS software to understand the stress trend.ResultS1 Through the Micro-CT technology combined withthree-dimensional model software Mimics 10.01 and GeomagicStudio 10 software has good similarity with the real tooth specimenmodel simulation of the morphological characteristics of the surfaceand internal structure of objects in an excellent.2 Through Pro/Engineer Wildfire 4 software to set up differentbending angle and bending radius of four curved root tuberespectively: 20 ?2mm 20 ?5mm 60 ?2mm 60 ?5mm.3 Through Pro/Engineer Wildfire 4 software to simulate threedifferent instruments in root canal preparation prepared root canalfilling of four curved root canals were: 20 ?2mm K file 002 Protaper20 ?2mm 20 ?2mm Protaper0.09 Protaper Profile0.06 20 ?5mmK file 002 Protaper 20 ?5mm 20 ?5mm Profile0.06 Protaper0.09Pro taper 60 ? 2mm K file 002 Protaper 60 ? 2mm 60 ? 2mmProtaper0.09 Protaper Profile0.06 60 ? 5mm K file 002 Protaper60 ?5mm 60 ?5mm Profile0.06 ProTaper0.09 Protaper4 Teeth model mesh by ANSYS12.0 software to establish a good:K file No. 35 reserve after filling teeth have 30536 units the rootcanal system has 4254 units a total of 34790 nodes tetrahedronelement a 31140 Profile0.0625 unit for filling teeth after root canalsystems there are 4950 units a total of 37090 nodes tetrahedronelement a 31520 unit ProTaperF3 prepare the teeth after rootcanal filling the system has 5158 units a total of 36678 nodestetrahedron element.5 From the entire tooth root canal on 1/3 stress is maximumapical 1/3 except that part of the curved root canal root of 1/3minimum. Section root canal preparation and filling Protaper teethafter the maximum stress 16.53Mpa Profile K file in the root ofminimum three 1/3 instrumentation shall be only difference is smallthe apical 1/3K file after filling tooth stress maximum 12.72MpaProfile Protaper minimum and the bending angle is large thebending radius is small value of greater stress.ConclusionExperiments show that the three kinds of root canal preparationwas not obvious difference in preparation of curved root canalspreparation of curved root canal ProTaper is superior to Profile andK fileKey words: three-dimensional finite element root canaltherapy infradentale Stress analysis 前言一( 研究背景及意义 目前已在牙冠和 牙根之间的轴向倾斜的突然弯曲的结果，有研究显示根管弯曲度超过 30?的根管预 备容易导致并发症。目前多数研究只是单纯探讨根管器械对弯曲根管的预备效果， 而根管本身解剖形态对预备效果的影响还鲜见报导，本研究将首次探讨根管弯曲度 对根管预备效果的影响。采取离体牙或临床方法来研究，难以保证模型的可重复性， 实验室的常规模型研究又难以真实模拟实际情况。已在根管研究中日益受到重视。 但建立不同根管弯曲度的牙体三维有限元模型不同于以往的单一模型，使得模拟分 析更加接近实际情况，使研究弯曲根管运用不同根管器械预备后根管应力分布的分 析研究成为可能。二( 根管预备器械 其中镍钛器械具有效率高，成形效果好等优 点，得到临床上的广泛重视，但大锥度镍钛器械常对根管侧壁切削过多，从而降低牙根抗折强度，所以预备弯曲根管时选择合适的器械显得更加重要。手用不锈钢 K 锉为临床上广泛使用的一种根管预备锉，其横截面由横截面为三角形或者方形的，成螺旋状螺旋密度为 1.52.5 圈/mm每毫米1.52.5。操作时可以旋转和提拉动作，但是旋转不要超过 180 度。器械有 21mm 和 25mm，28mm 31mm所有的刃部长度均为 16mm器械标编号为 10-140 号，临床常用 10-35 号。ProFile 锉属于大锥度机用镍钛器械器械有三个锥度，主要用于根尖的预备。手用 ProTaper 锉是一种新型非 ISO 器械由三根成形锉SxS1S2主要用于根管口及其根管中上段的初步预备和三根修形锉F1F2F3组成，主要用于根管 的 最 后清 理成形 。 它 是唯 一在根 管 器 械上 实现多 锥 度 变化 的械ProTaper 是一种镍钛根管预备器械，尖端为引导性，可循根管方向引导器械前进，避免过分切割管壁，能较好的保持弯曲根管根管的原始形态，减少根管偏移及台阶的发生5。ProTaper 的螺纹是连续变化的可防止牙本质碎屑堵塞根管。锉的横截面为凸三角形切削力较强 冠向法预备能更好的保持弯曲根管的初始形态 ProTaper 跟传统的手动扩锉相比有许多优势。如果按照正规的操作和合理的预备方法，ProTaper 镍钛锉预备弯曲根管还是相对来说比较安全的。三( 三维几何建模软件 Mimics 能够输入多种数据格式，诸如 PHILIPS、GE、Hitachi、Picrer、SIEMENS、TOSHIBA、Elscint、SMS 等，其中最常用的为DICOM 格式;也能提供 CAD、FEA 和 RP 等需要的 STL 或 VRML格式，并可以在计算机上进行数据的转换处理。可以用于医学诊断和医学手术的模拟等。 一般有以下三个步骤:建立局的基准特征、在组件中创建参数，用于定位各个元件及驱动已经参数化的元件、装配参数化的元件并与组件的参数建立链接。Pro/E、Solidworks、Autocad、UG 等，模拟牙齿、牙髓、根管系统、牙周膜和牙槽骨成为更加接近真实解剖关系的三维实体模型〔26〕。四(有限元分析法1. 有限元分析法的简介 它可以强调分析的结构，形状，载荷和材料的机械性能，应力和位移量的值的任何部分可用的模型，利用计算机快速，准确地解决。有限元分析(FEA)是一个逐渐为生物结构力学行为研究的形态学和biomechanists 流行的工具。它允许的评价应力，应变和变形的结构与材料特性和边界条件(载荷和固定约束)，模仿一个特定的功能或行为的情况下 运动， 。 (摄食， 等)常见通用有限元软件包括 MSC.Nastran、Ansys、Abaqus、Femap/NX、Nastran、Hypermesh、COMSOLMultiphysics、FEPG 等2. 有限元分析软件 Ansys 加载是用边界条件数据描述结构的实际情况来分析结构和外界间的相互作用，可以在实体模型或 FEA 模型垂直或者侧向上加载。直接展开实体模型的加载，能够促使几何模型方面的加载更加独立，忽而展开对网格及部分网格的修改划分时，也不会就荷载方面产生影响，便于加载的操作控制，尤其是对于图形范畴内的直接拾取更加有效，可以制动的转化到实体荷载节点及单元之上。然后对前面的分析结果以图形形式显示和输出。3.有限元分析法在口腔中的应用 口腔的应力分析已在过去的几十年是十分热点的话，传统的实验应力分析方法包括机械应力分析、光弹性法、电气应变计等等。有限元法是一种数值计算工具，它常被用来分析非常复杂和不规则结构的模型，它已经在口腔生物力学学科像正畸和种植外科广泛的其所得结果亦不能全面反映根管弯曲程度对根管预备后根部应力变化及其牙根强度的影响。有限元分析方法对应力分布的研究有无创伤、对各种几何形态、材料性质及各种加载方式和多种支持条件都 可以快速的进行分析并得到结果，且保证了模型的完全相似性。能给出任意部位的应力情况且通过计算机绘制直观的应力分布图像等优点，将为建立更为精确的数字模型提供可能，为研究分析根管预备及充填过程后的力学分析问题提供了更好的途径。所以也不适合研究较为精细的实验使用加载是用边界条件数据描述结构的实际情况来分析结构和外界间的相互作用，可以在实体模型或 FEA 模型垂直或者侧向上加载。直接展开实体模型的加载，能够促使几何模型方面的加载更加独立，忽而展开对网格及部分网格的修改划分时，也不会就荷载方面产生影响，便于加载的操作控制，尤其是对于图形范畴内的直接拾取更加有效，可以制动的转化到实体荷载节点及单元之上。然后对前面的分析结果以图形形式显示和输出。Geomagic Studio 可将扫描所得的点云数据创建出一个 NURBS 曲面，可以作为 CAD、CAE 和 CAM工具提供完美补充 Geomagic Studio 是 Geomagic 公司产品的一款逆向工程软件，是具有点云处和三维曲面构建功能的软件。;第二步是点和多边形编辑，由点云数据创建多边形网格、精修多边形模型，修复和光滑边界，支持文件输出格式包括 STL、OBJ、VRML1、VRML2、DXF、PLY 和 3DS;第三部是曲面建模，经过分析曲面、自动划分曲面区域、通过手工绘制构建曲面片、最后构建曲面栅格及曲面拟合的模型，最后得到 NURBS 曲面的模型，支持输出格式包括 IGES、STEP、VDA、NEU 和 SAT。参数转换器是 Geomagic Studio 软件 与3D CAD 软件之间的智能连接， 它将曲面、实体或草图信息从Geomagic Studio 软件传递到 CAD 软件中，并自动创建特征和模型，使得两者完美地结合起来。实验一 利用Micro-CT 技术结合逆向工程软件建立下颌 前牙三维模型本实验采用 Micro-CT 扫描牙列完整、咬合关系正常、无牙体缺损及明显磨耗，且无明显根管弯曲的成人1. 材料下颌中切牙齿清理干净置 0.9的生理盐水中。1.2 设备及软件应用2.方法2.2 模型构建将 Micro-CT 扫描获得的断层影像 DICOM 格式以导入 Mimics 10.0软件中，图 1 图 2 精修过后得到的三角网格曲面，经过分析曲面、划分曲面区域、构建曲面片、构建曲面栅格及曲面拟合等步骤(图 3、4).图 3 在图 4 在3 结果:利用 Micro-CT 和 Mimics、Geomagic studio 为不同根管弯曲 度下，不同的器械预备根管后对根部牙体组织生物力学的分析研究 打下了基础。 4 讨论:Geomagic Studio 可将扫描所得的点云数据创建出一个NURBS 曲面，可以作为 CAD、CAE 和 CAM 工具提供完美补充。本实验近远中向弯曲的牙齿为 15.7、近远中向唇舌侧弯曲的牙齿为15.7。弯曲根管的测量方法较多，临床上最长用的测量法为双参数测定法，是通过两个参数来测量根管弯曲度，另一个是弯曲半径。重度弯曲牙齿为 8.5。本实验通过 Pro/Engineer Wildfire 4.0 软件把牙齿设置成唇舌向弯曲、弯曲角度为 20?和 40?、弯曲半径为 2mm和 5mm，弯曲部位为根尖三位之一，对临床实际操作有较好的指导意义。mimics 可将牙齿侧面断层扫描影像转化为矢状面断层影像，建立局的基准特征、在组件中创建参数，用于定位各个元件及驱动已经参数化的元件、装配参数化的元件并与组件的参数建立链接。Pro/E、Solidworks、Autocad、UG 等，模拟牙齿、牙髓、根管系统、牙周膜和牙槽骨成为更加接近真实解剖关系的三维实体模型〔26〕。 实验二Micro-CT 扫描牙列完整、咬合关系正常、无牙体缺损及明显磨耗，且无明显根管弯曲的成人牙，利用 Pro/Engineer Wildfire 4.0 软件及，然后模拟三种不同扩锉器械预备不同度弯曲根管后充填的下颌中切牙三维有限元模型。 1. 材料1.1 材料经 Micro-CT 扫描。1.2 实验器械ThinkPad 本电脑 2.实验方法2.1 用 mimics，测量牙根冠状面、矢状面最大直径、牙根内直径(冠状面及矢状面)、牙根长度及锥度角。弯曲根管的中心线空间任意曲线的结构特征，其曲线是由多个圆弧混合组合而成，参与混合的圆弧包括左视图、主观图、俯视图，使用 Pro/Engineer Wildfire 4.0 软件将三个曲面图设计出，然后根据曲面相交所形成的曲线得到弯曲根管的中心线坐标，建立弯曲角度为 20?40?和弯曲角度为 2mm 5mm、的四组牙齿。2.23.结果 1.5.1通过Pro/Engineer Wildfire 4.0软件建立了不同弯曲角度 和弯曲半径的的四组弯曲根管分别为:20? 2mm、 20? 5mm、 60? 2mm 、60? 5mm。 1.5.2通过Pro/Engineer Wildfire 4.0软件模拟三种不同器械预 备根管预备后根充的四组弯曲根管分别为:20?2mm K锉002锥度、 20?2mm ProTaper0.09锥度、 20?2mm Profile0.06锥度 、20?5mm K锉002锥度、20?5mm ProTaper0.09锥度、20?5mm Profile0.06 40? 40? 锥度、 40?2mm K锉002锥度、 2mm ProTaper0.09锥度、 2mm Profile0.06锥度40? 5mm K锉002锥度、40? 5mm ProTaper0.09 锥度、40? 5mm Profile0.06锥度。4.讨论 然后在软件中装配好牙体硬组织模型及与其配套的相应根管 系统模型。通过Pro/Engineer Wildfire 4.0软件建立了不同弯曲 角度和弯曲半径的的四组弯曲根管分别为:20? 2mm、 20? 5mm、 60? 2mm 、60? 5mm。通过Pro/Engineer Wildfire 4.0软件模拟 三种不同器械预备根管预备后根充的四组弯曲根管分别为:20? 2mm K 锉 002 锥 度 、 20? 2mm ProTaper0.09 锥 度 、 20? 2mm Profile0.06锥度 、20?5mm K锉002锥度、20?5mm ProTaper0.09 锥度、20?5mm 002锥度、40?2mm ProTaper0.09锥度、40? 2mm Profile0.06锥度、 40?2mm K锉 Profile0.06锥度40? 5mm K锉002 锥度、40? 5mm ProTaper0.09锥度、40? 5mm Profile0.06锥度。 本实近远中向弯曲的牙齿为15.7、近远中向唇舌侧弯曲的牙齿为 15.7。弯曲根管的测量方法较多，临床上最长用的测量法为双参 数测定法，是通过两个参数来测量根管弯曲度，另一个是弯曲半 径。重度弯曲牙齿为8.5。本实验通过Pro/Engineer Wildfire 4.0 软件把牙齿设置成唇舌向弯曲、弯曲角度为20?和40?、弯曲半 径为2mm和5mm，弯曲部位为根尖三位之一，对临床实际操作有较 好的指导意义。 实验三1. 材料和应用软件利用 Pro/Engineer Wildfire 4.0 软件，然后模拟三种不同扩锉器械扩锉弯曲根管后充填的三维有限元模型，ANSYS12.0 软件。2. 假定牙根均由牙本质构成牙槽骨包绕牙根，均匀厚度 3mm，止于釉牙骨质界下 1.5mm。并且在 ANSYS 软件中画出与牙齿的的三维有限 元 模 型 相 匹 配 的 牙 槽 骨 模 型 ， 保 存 为 IGES 文 件 ， 然 后 导 入Workbench，1.4 弹性模量 Mpa 泊松比牙釉质 84.1 0.30牙本质 18.6 0.31牙骨质 13.8 0.03牙周膜 7.03 0.45牙胶尖 69.0 0.45磷酸锌水门汀 22.40 0.35复合树脂 10.0 0.242.2 有限元模型的分析处理2.2.1 边界条件牙槽骨底部及唇颊侧面固定，近远中侧为界。观察根管内应力分布值。: 0.02 锥度 0.06 锥度 0.09 锥度20?2mm 6.31 7.54 11.2820?5mm 6.05 7.36 11.0340?2mm 6.52 7.68 14.3840?5mm 6.43 7.60 14.32: 0.02 锥度 0.06 锥度 0.09 锥度