CN103499644A - 评估牙种植体稳定性的扭转振动共振频率测量法及新型变幅杆 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种评估牙种植体稳定性的扭转振动共振频率测量法及新型变幅杆，评估牙种植体稳定性的扭转振动共振频率测量法包括:安装新型变幅杆、变幅杆－牙种植体系统的扭转振动模态激励、共振信号采集、共振频率分析。其可探测牙种植体的稳定性，临床连续检测牙种植体的骨愈合，指导牙种植体临床修复时机的选择。本发明采用的新型变幅杆由防旋转水平双翼部件和中央螺栓组成，该新型变幅杆有利于激励牙种植体的扭转振动，由此检测扭转振动模态下的牙种植体共振频率，提高对牙种植体骨界面区骨质刚性的敏感性，避免非相关因素的混杂影响，探测牙种植体的稳定性，为连续检测和研究牙种植体的骨愈合提供一种科学、有效的检测手段。

Description

评估牙种植体稳定性的扭转振动共振频率测量法及新型变幅杆

技术领域

本发明涉及一种口腔医学领域的评估牙种植体稳定性的测量方法，特别是涉及一种评估牙种植体稳定性的扭转振动共振频率测量法及新型变幅杆。

背景技术

进入二十一世纪，由于技术的完善以及种植理论的丰富与发展，牙种植已成为一项成熟的缺牙修复临床技术。它不仅仅能够满足对缺牙功能的恢复，而且更能实现自然牙齿的美学重现。作为种植成功的一个基本要素，牙种植体与周围骨组织之间的骨结合长期以来一直是学术界关注的焦点和研究的热点。牙种植体唯有与周围牙槽骨实现骨结合，才能起到支撑、固定修复体的作用，才能正常行使功能。不同牙种植体设计、不同牙种植体表面改性影响着种植体骨结合的进程以及骨结合率，人们对骨愈合速度和骨结合率的追求反映在最终目的上是缩短治疗周期，提高牙种植体与骨组织的结合强度，增加它的稳定性和支撑能力。因此，针对牙种植体骨界面的生物力学评价就成为骨结合研究的一项重要内容，目前一个主要研究目标是寻找一种无损伤、准确反映牙种植体愈合进程中骨界面的力学特性即稳定性且可连续观察的研究手段也即适用于临床研究牙种植体骨结合的评价方法，从而客观评价牙种植体的骨结合水平。共振频率分析作为研究结构物体与结构力学特性的一种成熟手段，有可能为实现上述目标提供一种有效的技术方法。该设想自上个世纪九十年代由Meredith和Huang正式提出，但是随后大量的基础和临床研究证实他们建立的牙种植体共振频率分析方法不能准确、客观地反映出牙种植体的骨愈合进程和界面结合特性，导致单次测量结果缺乏具体的临床指导意义。造成上述问题的根源是他们在研究牙种植体共振频率时片面地选取了弯曲振动模态作为研究对象。虽然此弯曲振动模态具有容易被促发和被仪器识别捕捉等优点，但是却不能直接反映牙种植体骨界面力学特性，而扭转振动才是揭示牙种植体骨界面结构特性的理想模态。

纵观牙种植体骨结合的研究手段，除组织学方法以外，生物力学研究是一项重要内容，尤其在临床研究方面显得更为重要。围绕牙种植体骨结合强度和牙种植体稳定性，先后出现了众多研究方法。

牙种植体推出试验、旋出试验是目前牙种植体骨结合常用的力学研究手段，它们给出的是牙种植体骨界面最大破坏强度，是一种破坏性检测方法，不能针对牙种植体随时间进行纵向连续观察，更不适用于临床研究；牙种植体叩诊是临床判断牙种植体稳定性、骨结合与否的一种定性检查方法，缺乏客观定量标准；根据阻尼原理开发出的Periotest动度测量仪，弥补了牙种植体单纯叩诊的主观、定性的缺点，将牙种植体的动度输出为Periotest值（PTVs），通常测量值在－5到＋5之间，然而该方法重复性差，操作手法对结果影响很大，而且研究证实测量数值不能准确反映牙种植体骨界面的生物力学性能。

一定质量的物体和由物体组成的结构本身存在着固有频率，它由物体的硬度（stiffness）以及结构之间的界面刚性（interfacial stiffness）所决定，当外界激励频率与物体或结构界面自身的固有频率重叠时将发生共振，共振频率分析是了解物体和结构界面刚性的成熟技术。在上个世纪九十年代它已被成功应用于人长骨的硬度研究，并且作为评价骨折愈合和骨质疏松方法的可行性也得到了初步证明。牙种植体与骨组织之间的直接结合是保证其成功的基础，牙种植体在植入初期，由于受到手术的创伤，周围骨组织将出现吸收，随着骨愈合的进行，界面骨的硬度以及骨结合刚性逐渐增大，实验表明牙种植体骨界面的结合刚性反映骨愈合的成熟程度。基于上述原理，Meredith等将共振频率分析技术引入牙种植体稳定性研究中，推出首台Osstell牙种植体共振频率分析仪，它的工作原理（参见示意图）将“L”形变幅杆采用螺丝固定于牙种植体上，变幅杆内外侧各安装一个微型压电陶瓷换能器，一个用于发射5－15KHz的连续正弦波，激励变幅杆－牙种植体振动，另一个是接收换能器，接收变幅杆的振幅和频率，通过分析仪记录频率与振幅的曲线图，并计算得出共振频率，它测量的是牙种植体低阶弯曲振动模态下的共振频率。

在由牙种植体、周围颌骨以及换能器等构成的系统中，牙种植体的共振频率由多因素决定，概括起来可包括牙种植体的硬度、质量、振动力臂、牙种植体周围骨的密度与结构、牙种植体骨界面的剪切刚性等等，振动形式呈现为弯曲振动、垂直振动、水平振动、扭转振动等多种模态，因此牙种植体的共振频率并非只有一个，而是由相应多个组成，表现出多阶性。不同的振动模态下，共振频率的影响因素有所不同，反映牙种植体－颌骨结构系统中的力学特性亦有所侧重。目前关于牙种植体的共振频率研究是以牙种植体的弯曲振动模态为基础，此模态下的共振频率主要由牙种植体周围骨组织的结构与质量、牙种植体伸出骨面以上高度等因素所决定，重点反映的是牙种植体的稳定性。由于受到众多因素的影响，当前基于弯曲振动模态的牙种植体共振频率分析方法不能客观、准确地反映出牙种植体骨界面的力学特性以及骨结合水平，单次测量结果缺乏具体的临床指导意义，而且换能器的连接位置与排列方向对测量结果有很大影响，致使它的临床及科研应用价值受到质疑。

由此可见，上述现有的牙种植体的稳定性测量方法仍存在有诸多的缺陷，而亟待加以改进。有鉴于上述现有的牙种植体的稳定性测量方法存在的缺陷，本发明人基于丰富的实务经验及专业知识，积极加以研究创新，经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出本发明。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有的评估牙种植体稳定性的测量方法存在的缺陷，而提供一种新的评估牙种植体稳定性的扭转振动共振频率测量法，所要解决的技术问题是使其可以克服Periotest方法的重复性和客观性差的缺陷、克服Ostell共振频率测量方法的与牙种植体骨结合相关性差的缺陷，以提高测量结果的可重复性以及与牙种植体骨结合进程的相关性，非常适于实用。

本发明的另一目的在于，克服现有的变幅杆存在的缺陷，而提供一种新型结构的新型变幅杆，所要解决的技术问题是使其测量扭转振动模态下的共振频率，利用该模态下共振频率与牙种植体周围骨界面骨质刚性之间的相关性，提高测量结果对牙种植体稳定性判定的客观性，避免其它非骨结合相关因素的混杂影响，增加其对牙种植体骨愈合的敏感性，从而更加适于实用。

本发明拟从牙种植体的扭转振动模态入手，依据切向激励促发扭转振动模态的原理，采用三维有限元方法研究激励扭转振动模态理想的变幅杆设计，参照Meredith的弯曲共振频率测量技术原理，建立牙种植体扭转振动模态共振频率分析方法；通过三维有限元、体外模型实验和动物实验研究揭示扭转振动共振频率与牙种植体骨结合之间的相关关系。本发明将为临床研究牙种植体骨结合提供一种有效的评价新方法。其不仅可为研究牙种植体骨结合、开展牙种植体性能优化提供一项重要评价指标，具有重要的科学研究价值，而且也将成为判断牙种植体成功与否、决定牙种植体修复时机的一项临床评价手段，具有重要的临床应用价值。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种评估牙种植体稳定性的扭转振动共振频率测量法，其包括以下步骤：

步骤1：安装新型变幅杆

在牙种植体上安装共振测量用水平、对称、立式双翼结构的新型变幅杆，采用新型变幅杆的中央螺栓将新型变幅杆紧密固定于牙种植体之上，是采用3－10Ncm的扭力紧固新型变幅杆的中央螺栓，将二者紧密相连，构成牙种植体－变幅杆系统；

步骤2：扭转振动模态激励

在该牙种植体－变幅杆系统中采用接触或非接触式方法来激励新型变幅杆的双侧水平翼的单侧或双侧，给牙种植体施加以切线方向上的激励，使扭转振动成为牙种植体－变幅杆系统的主要振动模态；

步骤3：共振信号采集

采用电磁信号接收器记录新型变幅杆的振动频率和振幅；

步骤4：共振频率分析

利用计算机采集处理数据，并描绘振幅-频率曲线图，根据扭转振动模态即主振峰计算扭转共振频率。

前述的评估牙种植体稳定性的扭转振动共振频率测量法，其中所述的紧固新型变幅杆的中央螺栓的最佳的扭力是4－6Ncm。

前述的评估牙种植体稳定性的扭转振动共振频率测量法，其中所述的在牙种植体－变幅杆系统中采用接触或非接触激励方法为敲击激励或电磁激励新型变幅杆的双侧水平翼的单侧或双侧，其中，采用电磁信号作为激励源时，频率范围在0－20000赫兹。

前述的评估牙种植体稳定性的扭转振动共振频率测量法，其中所述的激励新型变幅杆的双侧水平翼的单侧或双侧的作用点是在新型变幅杆的双侧水平翼的远心端，方向垂直于新型变幅杆的双侧水平翼，与牙种植体轴向呈切线方向。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种为实施评估牙种植体稳定性的扭转振动共振频率测量法而专门设计的新型变幅杆，包括防旋转水平双翼部件和中央螺栓。其中，防旋转水平双翼部件由双侧水平翼、中央立柱和防旋转构件组成水平、对称、立式双翼的一体成形结构。其中所述的双侧水平翼具有两个水平翼。该两个水平翼分别从中央立柱的上部两侧沿着平行于牙种植体的颈部端面方向水平展开，且是对称于该中央立柱的中轴线，且该双侧水平翼的两个水平翼垂直于牙种植体颈部上端面呈立式。该中央立柱内设有通孔。在该中央立柱下部设有防旋转构件,该防旋转构件与待测量牙种植体的颈部上端的内部结构相匹配，实现二者间紧密嵌合，完全啮合限位。其中所述的中央螺栓穿过中央立柱的通孔且与牙种植体的内螺纹紧密连接，将新型变幅杆紧密固定于牙种植体之上，形成新型变幅杆与牙种植体为一体的牙种植体－变幅杆系统，使在激励振动时，该新型变幅杆与牙种植体为一体的牙种植体－变幅杆系统以整体结构形式产生振动。

前述的新型变幅杆，其中所述防旋转构件呈锥面或凹面，该防旋转锥面上或凹面上为六方形或八角形或三叶形的防旋转结构，其形状与待测量牙种植体的颈部上端的内部结构相匹配。

前述的新型变幅杆，其特征在于：所述的双侧水平翼从一侧水平翼的外侧端到另一侧水平翼外侧端的沿水平方向总长度在10mm－30mm之间，该双侧水平翼的厚度在0.5mm－3mm之间，该双侧水平翼的高度在3mm－10mm之间。其中，所述的双侧水平翼的最佳总长度在15mm－20mm之间，该双侧水平翼的最佳厚度在1.3mm－1.6mm之间，该双侧水平翼的最佳高度在3mm－6mm之间。

前述的新型变幅杆，其采用的材料包括铝合金、纯钛金属、钛合金和医用不锈钢，其中最佳材料为铝合金。

本发明与现有技术相比，其至少具有下列优点：

1、牙种植体切线方向上施力是激励其扭转振动的一个有效手段，本发明中的新型水平立式双翼变幅杆的结构设计为牙种植体切线激励创造有利条件，通过有效激励可将牙种植体扭转振动模态转变为主要振动模态，便于信号采集。

2、与现有技术采用牙种植体弯曲共振频率为技术原理相比，本发明测量扭转共振频率更能直接反映牙种植体骨界面的介质和结合刚性，排除其它非骨结合相关因素的影响，提高对牙种植体骨结合以及稳定性评价的敏感性。

3、牙种植体骨愈合表现在力学特性上呈现为骨组织力学刚性的不断增加，本发明在监测牙种植体稳定性的同时也能够更加敏感地反映牙种植体的骨愈合程度，借以指导牙种植体的修复时机，同时也为研究牙种植体骨结合提供一种新的研究手段。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。

附图说明

图1A是本发明的新型变幅杆主视示意图；

图1B是本发明的新型变幅杆俯视示意图；

图1C是本发明的新型变幅杆外观立体示意图;

图2是本发明新型变幅杆的分解立体示意图；

图3是本发明新型变幅杆与牙种植体的装配示意图；

图4是本发明新型变幅杆与牙种植体的扭转振动示意图；

其中：

1：防旋转水平双翼部件

11：双侧水平翼                            12：中央立柱

13：防旋转构件

2：中央螺栓                               3：牙种植体

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的评估牙种植体稳定性的扭转振动共振频率测量法及新型变幅杆，是基于物体固有的多级共振频率属性，设计新型变幅杆的结构，实现在切线方向上对牙种植体－变幅杆系统施加激励，使牙种植体－变幅杆系统发生振动，并将系统扭转振动激励成主要振动模态，通过信号采集、分析，测量牙种植体的扭转共振频率。直接敲击或采用电磁信号作用于变幅杆水平翼远端均可实现对牙种植体－变幅杆系统的切线激励，单侧或双侧同步激励可达到相同的扭转振动激励效果。其具体实施方法、步骤详细说明如下。

实施例1

请参阅图4所示，本发明较佳实施例的评估牙种植体稳定性的扭转振动共振频率测量法，其主要包括以下步骤：

步骤1：安装新型变幅杆

在牙种植体3上安装共振测量用水平、对称、立式双翼结构的新型变幅杆，采用新型变幅杆的中央螺栓2将新型变幅杆紧密固定于牙种植体3之上，是采用3－10Ncm的扭力紧固新型变幅杆的中央螺栓2，将二者紧密相连，构成牙种植体－变幅杆系统。其中所述的紧固新型变幅杆的中央螺栓2的较佳的扭力4-6Ncm。本实施例采用的扭力是5Ncm。

步骤2：扭转振动模态激励

在该牙种植体－变幅杆系统中采用接触或非接触式方法来激励新型变幅杆的双侧水平翼11的单侧或双侧，给牙种植体3施加以切线方向上的激励，使扭转振动成为牙种植体－变幅杆系统的主要振动模态。

本实施例中采用接触方式即敲击方式。其中所述的激励新型变幅杆的双侧水平翼11的单侧或双侧的作用点是在新型变幅杆的双侧水平翼11的远心端，方向垂直于新型变幅杆的双侧水平翼11，与待测量牙种植体3轴向呈切线方向。

步骤3：共振信号采集

采用电磁信号接收器记录新型变幅杆的振动频率和振幅；

步骤4：共振频率分析

利用计算机采集处理数据，并描绘振幅-频率曲线图，根据扭转振动模态即主振峰计算扭转共振频率。扭转共振频率值与牙种植体3的稳定性以及牙种植体3骨愈合程度呈正相关。

实施例2

其中所述的紧固新型变幅杆的中央螺栓2的扭力采用5 Ncm。其中在牙种植体－变幅杆系统中采用非接触激励方法为电磁激励变幅杆的双侧水平翼11的单侧或双侧，其中，采用电磁信号作为激励源时，频率范围在0－20000赫兹，本实施例采用微型压电陶瓷作为激励源以相同旋转方向同步作用于双侧水平翼11。其他步骤同实施例1。

实施例3

请参阅图1、图2、图3、图4所示，本发明较佳实施例的新型变幅杆，其主要包括：防旋转水平双翼部件1和中央螺栓2，其中，防旋转水平双翼部件1由双侧水平翼11、中央立柱12和防旋转构件13组成水平、对称、立式双翼的一体成形结构，其中所述的双侧水平翼11具有两个水平翼，该两个水平翼分别从中央立柱12的上部两侧沿着平行于牙种植体3的颈部端面方向水平展开，且是对称于该中央立柱12的中轴线，且该双侧水平翼11的两个水平翼垂直于牙种植体颈部上端面呈立式。该中央立柱12内设有通孔，在该中央立柱12下部设有防旋转构件13。该防旋转构件13与待测量牙种植体3的颈部上端的内部结构相匹配，实现二者间紧密嵌合，完全啮合限位。其中所述的中央螺栓2穿过中央立柱12的通孔且与牙种植体3的内螺纹紧密连接，将新型变幅杆紧密固定于牙种植体3之上，形成新型变幅杆与牙种植体3为一体的牙种植体－变幅杆系统，使在激励振动时，该新型变幅杆与牙种植体3为一体的牙种植体－变幅杆系统以整体结构形式产生振动。

所述防旋转构件12呈锥面或凹面，该防旋锥面上或凹面上为六方形或八角形或三叶形防旋转结构，其形状与待测量牙种植体3的颈部上端的内部结构相匹配，实现完全啮合限位。

本实施例的防旋转构件13为防旋转锥面，该防旋转锥面形状是根据与待测量牙种植体3的颈部上端的内部结构相匹配，以实现完全啮合限位。本实施例防旋转锥面上为六方形或八角形或三叶形防旋转结构。其中所述的中央螺栓2穿过防旋转构件13的通孔且与牙种植体3的内螺纹紧密连接，将新型变幅杆紧密固定于牙种植体3之上，形成新型变幅杆与牙种植体3为一体的牙种植体-变幅杆系统，使在激励振动时，该新型变幅杆与种植体3为一体的牙种植体-变幅杆系统以整体结构形式产生振动。

其中所述双侧水平翼11从一侧水平翼的外侧端到另一侧水平翼外侧端的沿水平方向总长度在10mm－30mm之间，该双侧水平翼11的厚度在0.5mm－3mm之间，该双侧水平翼11的高度在3mm－10mm之间，其中，所述的双侧水平翼11的最佳总长度在15mm－20mm之间，该双侧水平翼11的最佳厚度在1.3mm－1.6mm之间，该双侧水平翼11的最佳高度在3mm－6mm之间。本实施例中采用双侧水平翼11总长度为18mm，厚度1.5mm，高度4mm。

所采用的材料包括铝合金、纯钛金属、钛合金和医用不锈钢，其中最佳材料为铝合金。本实施例采用铝合金。

另外，本实施例中的防旋转构件13为防旋转凹面，在该防旋转凹面上为六方形或八角形或三叶形防旋转结构，其形状与待测量牙种植体3的颈部上端的内部结构相匹配，实现完全啮合限位。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种评估牙种植体稳定性的扭转振动共振频率测量法，其特征在于其包括以下步骤：

步骤1：安装新型变幅杆

在牙种植体上安装共振测量用水平、对称、立式双翼结构的新型变幅杆，采用新型变幅杆的中央螺栓将新型变幅杆紧密固定于牙种植体之上，是采用3－10Ncm的扭力紧固新型变幅杆的中央螺栓，将二者紧密相连，构成牙种植体－变幅杆系统；

步骤2：扭转振动模态激励

在该牙种植体－变幅杆系统中采用接触或非接触式方法来激励新型变幅杆的双侧水平翼的单侧或双侧，给牙种植体施加以切线方向上的激励，使扭转振动成为牙种植体－变幅杆系统的主要振动模态；

步骤3：共振信号采集

采用电磁信号接收器记录新型变幅杆的振动频率和振幅；

步骤4：共振频率分析

利用计算机采集处理数据，并描绘振幅-频率曲线图，根据扭转振动模态即主振峰计算扭转共振频率。

2.根据权利要求1所述的评估牙种植体稳定性的扭转振动共振频率测量法，其特征在于其中所述的紧固新型变幅杆的中央螺栓的最佳的扭力是4－6Ncm。

3.根据权利要求1或2中任一权利要求所述的评估牙种植体稳定性的扭转振动共振频率测量法，其特征在于其中所述的在牙种植体－变幅杆系统中采用接触或非接触激励方法为敲击激励或电磁激励新型变幅杆的双侧水平翼的单侧或双侧，其中，采用电磁信号作为激励源时，频率范围在0－20000赫兹。

4.根据权利要求3所述的评估牙种植体稳定性的扭转振动共振频率测量法，其特征在于其中所述的激励新型变幅杆的双侧水平翼的单侧或双侧的作用点是在新型变幅杆的双侧水平翼的远心端，方向垂直于新型变幅杆的双侧水平翼，与牙种植体轴向呈切线方向。

5.一种为实施权利要求1而专门设计的新型变幅杆，其特征在于：其包括防旋转水平双翼部件和中央螺栓，其中，防旋转水平双翼部件由双侧水平翼、中央立柱和防旋转构件组成水平、对称、立式双翼的一体成形结构，其中所述的双侧水平翼具有两个水平翼，该两个水平翼分别从中央立柱的上部两侧沿着平行于牙种植体的颈部端面方向水平展开，且是对称于该中央立柱的中轴线，且该双侧水平翼11的两个水平翼垂直于牙种植体颈部上端面呈立式，该中央立柱内设有通孔，在该中央立柱下部设有防旋转构件,该防旋转构件与待测量牙种植体的颈部上端的内部结构相匹配，实现二者间紧密嵌合，完全啮合限位；其中所述的中央螺栓穿过中央立柱的通孔且与牙种植体的内螺纹紧密连接，将新型变幅杆紧密固定于牙种植体之上，形成新型幅杆与牙种植体为一体的牙种植体－变幅杆系统，使在激励振动时，该新型变幅杆与牙种植体为一体的牙种植体－变幅杆系统以整体结构形式产生振动。

6.根据权利要求5所述的新型变幅杆，其特征在于：所述防旋转构件呈锥面或凹面，该防旋转锥面上或凹面上为六方形或八角形或三叶形的防旋转结构，其形状与待测量牙种植体的颈部上端的内部结构相匹配。

7.根据权利要求5-6中任意一项所述的新型变幅杆，其特征在于：所述的双侧水平翼11从一侧水平翼的外侧端到另一侧水平翼外侧端的沿水平方向总长度在10mm－30mm之间，该双侧水平翼11的厚度在0.5mm－3mm之间，该双侧水平翼11的高度在3mm－10mm之间，其中，所述的双侧水平翼11的最佳总长度在15mm－20mm之间，该双侧水平翼11的最佳厚度在1.3mm－1.6mm之间，该双侧水平翼11的最佳高度在3mm－6mm之间。

8.根据权利要求5所述的新型变幅杆，其特征在于：其采用的材料包括铝合金、纯钛金属、钛合金和医用不锈钢，其中最佳材料为铝合金。

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