CN111951970A - 一种牙本质体材料生物组织力学性能标定方法及系统与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于计算机图像处理及力学分析领域，具体涉及一种牙本质体材料生物组织力学性能标定方法及系统与装置，通过测试其在三个正交方向上的材料力学特性，依据各项异性材料胡克定律，建立牙本质材料的本构模型。由于牙齿形状复杂，难以获得规则的测试样块，本项目拟通过测试牙齿根部在不同方向载荷情况下的变形数据，结合数值仿真，通过参数拟合逆向推导牙本质材料的材料力学参数。解决了目前牙本质材料的力学特性难以获得的问题。

Description

一种牙本质体材料生物组织力学性能标定方法及系统与装置
技术领域
本发明属于计算机图像处理及力学分析领域，具体涉及一种牙本质体材料生物组织力学性能标定方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
牙本质构成了牙齿的主体，其作为一种多组织各向异性骨质复合材料，位于牙体中牙釉质和牙骨质的内层，如图1所示。力学性能参数对材料的成形性能影响显著，准确的牙本质材料力学参数是口腔生物力学性能研究的基础，也是关于牙齿抗温度骤变性、抗冲击性等研究必不可少的力学参数。由于牙齿较小，形状多不规则，结构与功能非常复杂；此外，牙本质是由磷灰石晶体等无机物、有机物、水多种物质构成的复合材料，具有各向异性特性。因此，目前对于牙本质的力学参数测试较为困难。
发明人发现，目前为止，关于牙本质组织力学性能测试技术和建模方法还没有统一的标准，且评价与测试方法较少。在当前资料报道或研究中，多将牙本质材料视各向同性材料，或只研究其在1-2个方向上的力学性能，并不能真实反应与模拟出牙本质材料的力学性能，对于牙本质整体力学性能评价可靠性较低。
发明内容
针对现有牙本质材料力学性能评价方法存在的不足，本发明提供了一种基于实验与仿真相结合的牙本质体材料生物组织力学性能标定方法。本发明解决了牙本质材料的力学特性难以获得的问题。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种牙本质体材料生物组织力学性能标定方法，包括：
测试牙本质在三个正交方向上的材料力学特性；
建立牙本质材料的力学本构模型；
测试牙齿根部在不同载荷情况下的变形数据，结合数值仿真，对参数拟合逆向推导牙本质材料的材料力学参数。
由于牙本质是一种各向异性、非均质复合材料，牙本质组织和修复材料的力学性质决定着修复手术的成败。本发明中，通过测试其在三个正交方向上的材料力学特性，依据各项异性材料胡克定律，建立牙本质材料的本构模型。由于牙齿形状复杂，难以获得规则的测试样块，本项目拟通过测试牙齿根部在不同方向载荷情况下的变形数据，结合数值仿真，通过参数拟合逆向推导牙本质材料的材料力学参数。
本发明的第二个方面，提供了一种牙本质体材料生物组织力学性能标定系统，包括：
用于测试牙本质在三个正交方向上的材料力学特性的模块；
用于建立牙本质材料的力学本构模型的模块；
用于测试牙齿根部在不同载荷情况下的变形数据的模块；
用于结合数值仿真，对参数拟合逆向推导牙本质材料的材料力学参数的模块。
为了实现牙本质体材料生物组织力学性能的标定，本发明还提供了相应的标定系统，采用试验手段掌握牙本质材料特性并构建出统一的材料力学模型，为有限元仿真分析和后续锉削加工建模提供了基础。
本发明的第三个方面，提供了一种牙本质体材料生物组织力学性能标定装置，包括：弹簧滑块装置、测力仪与数控机床装置，所述数控机床上设置有弹簧滑块装置、测力仪，所述弹簧滑块装置、测力仪对应设置。
采用上述装置，在牙齿根部施加一定的载荷，并在显微测试系统下测量牙齿变形，获得牙齿变形实验数据。
本发明的有益效果在于：
本发明的方法通过实验与仿真相结合的方式，获得了牙本质材料各向异性的材料力学参数。
(1)从生物力学角度上讲，材料的本构模型确定了，其在外载荷作用下的力学响应也就确定了。采用试验手段掌握牙本质材料特性并构建出统一的材料力学模型，为有限元仿真分析和后续锉削加工建模提供了基础。
(2)本发明提出通过牙体的变形数据，试验测量和有限元仿真的牙体变形数据迭代比对，逆推材料的力学特性方法。该方法操作简单，成本较低，数据易于获取。
(3)为进一步的牙齿根管预备过程的锉削力建模和仿真提供理论支持。
(4)本发明能够全面的评价牙本质的材料力学性能，研究牙本质在受力的作用后的变形趋势，获得牙本质材料的应变变形。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是牙齿结构示意图；
图2是本发明的流程图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种基于实验与仿真相结合的牙本质体材料生物组织力学性能标定方法。包括：
1)测试牙本质在三个正交方向上的材料力学特性，包括：3个抗压弹性模量，3个剪切模量，3个泊松比；
2)依据正交各项异性材料的胡克定律，建立牙本质材料的力学本构模型；
3)通过测试牙齿根部(主要材料为牙本质)在不同载荷情况下的变形数据，结合数值仿真，通过参数拟合逆向推导牙本质材料的材料力学参数。
进一步的1.1)选取人类牙齿(年龄在20-60岁之间)作为实验测试样本，打磨掉牙齿根部表层釉质，暴露出牙本质材料，通过如图2所示弹簧滑块装置、测力仪与数控机床装置，在牙齿根部施加一定的载荷，并在显微测试系统下测量牙齿变形，获得牙齿变形实验数据。
进一步的1.2)通过手持扫描仪，获得人类牙齿的三维CAD模型，并以此有限元仿真模型，利用现有文献的骨质材料生物力学参数作为初始参数，构建材料本构方程，求解给定载荷下的牙根部应力应变值、横向应变值与纵向应变值。通过公式
Figure BDA0002622712170000051
与
Figure BDA0002622712170000052
计算弹性模量E与泊松比γ。
进一步的1.3)通过比较数值解与试验测试的数据，调整材料的力学参数，并进行迭代计算，直到数值解与试验解误差在可接受范围内(本发明参考多篇骨质材料仿真数据，将误差设为5％)，最终获得修正后的牙本质材料力学参数。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1：
1)选取典型牙齿20颗(年龄在20-60岁之间)作为测试样本，打磨掉牙齿根部表层釉质，暴露出牙本质材料，通过如图2所示弹簧滑块装置，通过测力仪与数控机床连接，在牙齿根部施加一定载荷，并在显微测试系统(JTVM2010)下测量牙齿变形，获得牙本质材料变形的实验数据。
2)利用文献(陈新民.牙本质的力学基础[J].国际口腔医学杂志,1989,016(001):20-24.郑庄,堵安庆,赵要武,等；牙本质小管平行和垂直方向上的牙本质力学性能研究[J].口腔疾病防治,2013(4))的骨质材料生物力学参数，包括在不同方向的泊松比、弹性模量、摩擦系数作为初始参数，基于胡克定律，构建牙本质材料应力应变方程：σ＝C·ε。
3)通过手持扫描仪(JIATENG,JTVMS2010,CHINA)，获得20颗牙齿三维CAD模型，建立牙本质“微型有限元分析”仿真模型，用三维四面体网格单元，计算获得牙本质的应力和应变，获得基于微结构的牙本质材料变形的力学仿真数据。
4)通过比较数值解与试验测试的数据，调整材料的力学参数，并进行迭代计算，直到数值解与试验解误差在可接受范围内(本发明将误差设为5％)，最终获得修正后的牙本质材料力学参数。
实施例2
一种基于实验与仿真相结合的牙本质体材料生物组织力学性能标定方法。包括：
1)测试牙本质在三个正交方向上的材料力学特性，包括：3个抗压弹性模量，3个剪切模量，3个泊松比；
2)依据正交各项异性材料的胡克定律，建立牙本质材料的力学本构模型；
3)通过测试牙齿根部(主要材料为牙本质)在不同载荷情况下的变形数据，结合数值仿真，通过参数拟合逆向推导牙本质材料的材料力学参数。
实施例3
一种基于实验与仿真相结合的牙本质体材料生物组织力学性能标定方法。包括：
1)测试牙本质在三个正交方向上的材料力学特性，包括：3个抗压弹性模量，3个剪切模量，3个泊松比；
2)依据正交各项异性材料的胡克定律，建立牙本质材料的力学本构模型；
3)通过测试牙齿根部(主要材料为牙本质)在不同载荷情况下的变形数据，结合数值仿真，通过参数拟合逆向推导牙本质材料的材料力学参数。
步骤1)中，选取人类牙齿(年龄在20-60岁之间)作为实验测试样本，打磨掉牙齿根部表层釉质，暴露出牙本质材料，通过如图2所示弹簧滑块装置、测力仪与数控机床装置，在牙齿根部施加一定的载荷，并在显微测试系统下测量牙齿变形，获得牙齿变形实验数据。
实施例4
一种基于实验与仿真相结合的牙本质体材料生物组织力学性能标定方法。包括：
1)测试牙本质在三个正交方向上的材料力学特性，包括：3个抗压弹性模量，3个剪切模量，3个泊松比；
2)依据正交各项异性材料的胡克定律，建立牙本质材料的力学本构模型；
3)通过测试牙齿根部(主要材料为牙本质)在不同载荷情况下的变形数据，结合数值仿真，通过参数拟合逆向推导牙本质材料的材料力学参数。
步骤1)中，通过手持扫描仪，获得人类牙齿的三维CAD模型，并以此有限元仿真模型，利用现有文献的骨质材料生物力学参数作为初始参数，构建材料本构方程，求解给定载荷下的牙根部应力应变值、横向应变值与纵向应变值。通过公式
Figure BDA0002622712170000071
与
Figure BDA0002622712170000072
计算弹性模量E与泊松比γ。
实施例5
一种基于实验与仿真相结合的牙本质体材料生物组织力学性能标定方法。包括：
1)测试牙本质在三个正交方向上的材料力学特性，包括：3个抗压弹性模量，3个剪切模量，3个泊松比；
2)依据正交各项异性材料的胡克定律，建立牙本质材料的力学本构模型；
3)通过测试牙齿根部(主要材料为牙本质)在不同载荷情况下的变形数据，结合数值仿真，通过参数拟合逆向推导牙本质材料的材料力学参数。
步骤1)中，通过比较数值解与试验测试的数据，调整材料的力学参数，并进行迭代计算，直到数值解与试验解误差在可接受范围内(本发明将误差设为5％)，最终获得修正后的牙本质材料力学参数。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种牙本质体材料生物组织力学性能标定方法，其特征在于，包括：
测试牙本质在三个正交方向上的材料力学特性；
建立牙本质材料的力学本构模型；
测试牙齿根部在不同载荷情况下的变形数据，结合数值仿真，对参数拟合逆向推导牙本质材料的材料力学参数。
2.如权利要求1所述的牙本质体材料生物组织力学性能标定方法，其特征在于，所述力学特性包括：抗压弹性模量、剪切模量、泊松比。
3.如权利要求1所述的牙本质体材料生物组织力学性能标定方法，其特征在于，所述力学本构模型依据正交各项异性材料的胡克定律。
4.如权利要求1所述的牙本质体材料生物组织力学性能标定方法，其特征在于，所述牙本质取自年龄在20-60岁之间的人类牙齿。
5.如权利要求1所述的牙本质体材料生物组织力学性能标定方法，其特征在于，打磨掉牙齿根部表层釉质，暴露出牙本质材料，在牙齿根部施加载荷，并在显微测试系统下测量牙齿变形，获得牙齿变形实验数据。
6.如权利要求1所述的牙本质体材料生物组织力学性能标定方法，其特征在于，采用扫描仪获得人类牙齿的三维CAD模型，并以此有限元仿真模型，利用现有文献的骨质材料生物力学参数作为初始参数，构建材料本构方程，求解给定载荷下的牙根部应力应变值、横向应变值与纵向应变值。
7.如权利要求1所述的牙本质体材料生物组织力学性能标定方法，其特征在于，采用公式
Figure FDA0002622712160000011
与
Figure FDA0002622712160000012
计算弹性模量E与泊松比γ。
8.如权利要求1所述的牙本质体材料生物组织力学性能标定方法，其特征在于，比较数值解与试验测试的数据，调整材料的力学参数，并进行迭代计算，直到数值解与试验解误差小于5％，即得修正后的牙本质材料力学参数。
9.一种牙本质体材料生物组织力学性能标定系统，其特征在于，包括：
用于测试牙本质在三个正交方向上的材料力学特性的模块；
用于建立牙本质材料的力学本构模型的模块；
用于测试牙齿根部在不同载荷情况下的变形数据的模块；
用于结合数值仿真，对参数拟合逆向推导牙本质材料的材料力学参数的模块。
10.一种牙本质体材料生物组织力学性能标定装置，其特征在于，包括：弹簧滑块装置、测力仪与数控机床装置，所述数控机床上设置有弹簧滑块装置、测力仪，所述弹簧滑块装置、测力仪对应设置。
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