CN115954088A - 基于逆向三维有限元分析获取根盾种植牙优选模型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于逆向三维有限元分析获取根盾种植牙优选模型的方法，包括获取患者的CBCT图像，基于逆向建模的方法建立根盾种植牙模型及传统即刻种植牙模型，然后通过三维有限元分析方法对模型进行受力的对比分析，包括分析种植体‑骨界面处皮质骨、种植体肩台水平处皮质骨、种植体周围松质骨的应力应变的分布，通过评价根盾种植牙模型及传统即刻种植牙模型中种植体及周围组织的等效应力和等效应变分布情况、不同根盾厚度及长度对种植体周围皮质骨以及松质骨应力应变的影响，获得优选的根盾种植牙模型。本发明采用三维有限元的方法进行应力应变分布的，聚焦于植体和根盾间骨应力应变情况，获得的优选的根盾种植牙模型更具有可靠性。

Description

基于逆向三维有限元分析获取根盾种植牙优选模型的方法

技术领域

本发明涉及根盾建模技术领域，具体是基于逆向三维有限元分析获取根盾种植牙优选模型的方法。

背景技术

牙根盾技术(Socket Shield Technique，SST)，又名根模技术，为一种改良的即刻种植方式。这一项技术由Hürzeler2010年首次正式应用于临床，且获得了不错的实际效果，并逐渐获得推广，正成为近年来研究热点之一，但具体待明确的是进一步的操作指南。由于唇侧根盾的存在可能会在一定程度上有利植体周围的应力传载，而不同根盾设计是否对这种应力分布、传载产生正面影响进而有利植体周围骨稳定性尚不明确。

口腔种植修复工作中经常采用有限元法对口腔种植修复中各种复杂问题进行力学分析。三维有限元分析作为一种辅助手段，通过计算机软件建模进行力学分析，被证实是一种预测植体成功率及帮助优化植体设计的强大工具。已有较多文献将三维有限元分析应用于种植体周围骨应力应变分布的研究来探寻合适的种植体模型并取得了较好的成果。现有技术多为正向建模的根盾种植牙模型，且缺乏使用三维有限元分析来探索不同根盾设计对种植体周围软硬组织应力应变分布的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供基于逆向三维有限元分析获取根盾种植牙优选模型的方法，采用三维有限元分析的方法来筛选出优选的根盾种植牙模型。

为了解决上述技术问题，本发明提供基于逆向三维有限元分析获取根盾种植牙优选模型的方法，包括：获取患者口腔的CBCT图像，在上位机中基于逆向建模的方法建立根盾种植牙模型及传统即刻种植牙模型，然后通过三维有限元分析方法对根盾种植牙模型及传统即刻种植牙模型进行受力的对比分析，包括分析种植体-骨界面处皮质骨、种植体肩台水平处皮质骨、种植体周围松质骨的应力应变的分布，通过评价所述根盾种植牙模型及传统即刻种植牙模型中种植体及周围组织的等效应力和等效应变分布情况、不同根盾厚度及长度对种植体周围皮质骨以及松质骨应力应变的影响，获得优选的根盾种植牙模型。

作为本发明的基于逆向三维有限元分析获取根盾种植牙优选模型的方法的改进：

所述建立根盾种植牙模型及传统即刻种植牙模型的过程为：

1)、通过所述CBCT图像采用Mimics软件建立中切牙模型，然后采用Geomagic Wrap软件基于中切牙模型分别建立牙冠模型和根盾片模型；

2)、采用NX软件建立松质骨模、皮质骨模型、种植体及基台模型，将皮质骨和松质骨进行原点配合得到上颌骨模型；

3)、将根盾片模型、牙冠模型、上颌骨模型、种植体模型及基台模型均导入NX软件组装为所述根盾种植牙模型及传统即刻种植牙模型。

作为本发明的基于逆向三维有限元分析获取根盾种植牙优选模型的方法的进一步改进：

所述组装为根盾种植牙模型及传统即刻种植牙模型的过程为：

利用根盾片模型制作唇侧保留的牙周膜，使用基台模型的基台曲面得到树脂粘结剂模型，调整牙冠位置，光滑切除多余部分，使牙冠与基台相匹配，然后：

在所述上颌骨模型内植入一枚种植体，植入深度为最冠方与牙槽嵴顶平齐，牙冠通过树脂粘结剂连接至基台上，种植体和基台固定连接，获得所述传统即刻种植牙模型；

在所述传统即刻种植牙模型的基础上，上颌骨内保留部分唇侧牙根，根盾片与牙槽骨以牙周韧带相连，根盾冠方最高点亦设置为平齐牙槽嵴顶，获得所述根盾种植牙模型。

作为本发明的基于逆向三维有限元分析获取根盾种植牙优选模型的方法的进一步改进：

所述三维有限元分析的过程为：

1)、对所述根盾种植牙模型及传统即刻种植牙模型进行网格划分；在应力集中区域细化网格提高分析精度，包括牙冠、植体及种植体周围的骨区域；

2)、对所述牙冠模型、皮质骨模型、松质骨模型、种植体模型及基台模型、牙本质、牙周韧带和树脂粘结剂模型的材质进行生物力学参数设置，生物力学参数包括弹性模量和泊松比；

3)、边界条件为颌骨基底部固定不动，对各个所述根盾种植牙模型及传统即刻种植牙模型的牙冠施加力100N，方向为与牙冠长轴方向呈30度，施力点位于切1/3与中1/3交界处中心区域，面接触。

作为本发明的基于逆向三维有限元分析获取根盾种植牙优选模型的方法的进一步改进：

所述中切牙模型为：所述CBCT图像导出为DICOM格式并导入Mimics软件，然后新建蒙版1，根据所需要的中切牙范围选择合适的灰度值，再将蒙版1选取的模型应用“CropMask(裁剪蒙版)+Slip Mask(分离蒙版)”分离，得到蒙版2；将蒙版2选取的牙体内部空白处进行逐张填充，并将边界多余部分进行修整，并使用软件自带的光顺和包覆功能对中切牙模型进行初步修复与优化，获得所述中切牙模型。

作为本发明的基于逆向三维有限元分析获取根盾种植牙优选模型的方法的进一步改进：

所述上颌骨模型为：按牙槽骨外形建立2个相同的简化牙槽骨模型，使用偏移工具将其中一个简化牙槽骨模型均匀缩小得到松质骨模型；将另一个简化牙槽骨模型与松质骨模型进行布尔运算，得到皮质骨模型。

作为本发明的基于逆向三维有限元分析获取根盾种植牙优选模型的方法的进一步改进：

所述种植体及基台模型为：种植体按照瑞典诺贝尔种植体Nobel active建模，基台按照诺贝尔36665基台建模。

作为本发明的基于逆向三维有限元分析获取根盾种植牙优选模型的方法的进一步改进：

所述牙冠模型为：将所述中切牙模型进行孔洞填充，表面优化处理，通过“裁剪“工具，截取牙冠部分，精确曲面，探测轮廓线，构造曲面片，构造格栅，拟合曲面，将网格化的模型文件转化为曲面格式，获得所述牙冠模型。

作为本发明的基于逆向三维有限元分析获取根盾种植牙优选模型的方法的进一步改进：

所述根盾片模型为：将所述中切牙模型进行表面优化处理，使用裁剪工具进行裁剪处理：根盾片设计为内侧圆钝，厚度分别为1mm、1.5mm和2mm，长度分别为4mm、6mm和8mm，得到得到1*4mm、1.5*4mm、2*4mm、1.5*6mm和1.5*8mm五种所述根盾片模型；然后按所述组装为根盾种植牙模型及传统即刻种植牙模型的过程组装为1*4mm根盾模型、1.5*4mm根盾模型、2*4mm根盾模型、1.5*6mm根盾模型和1.5*8mm根盾模型。

作为本发明的基于逆向三维有限元分析获取根盾种植牙优选模型的方法的进一步改进：

所述优选的根盾种植牙模型为所述1.5*6mm根盾模型。

本发明的有益效果主要体现在：

1.本发明采用基于CBCT数据对中切牙模型、牙冠模型和根盾片模型进行部分逆向三维重建根盾种植牙模型，可以更好地还原种植牙模型的形态；

2.本发明采用三维有限元分析用于不同根盾种植牙模型的应力应变分布的分析得出优选的根盾种植牙模型；

3.本发明聚焦于植体和根盾间骨应力应变情况，采用模型截面测量分析皮质骨、松质骨和三维重建根盾种植牙模型不同位点的应力应变数值，更具有可靠性。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为本发明的根盾片模型厚度t及长度h的示意图；

图2为本发明的三维有限元分析进行网格划分的示意图；

图3为本发明的三维有限元分析的施力点位置的示意图；

图4为种植体肩台水平处与种植体的距离(IS点)以及植体与松质骨交界处的深度(SB点)的示意图；

图5为种植牙模型的示意图(a-c依次为传统即刻种植牙模型，d-f为根盾种植牙模型)；

图6为本发明的不同种植牙模型等效应力分布图(a-f依次为传统即刻种植牙模型，1*4根盾模型，1.5*4根盾模型，2*4根盾模型，1.5*6根盾模型，1.5*8根盾模型)；

图7为本发明的不同种植牙模型周围骨等效应力分布图(a-f依次为传统即刻种植牙模型，1*4根盾模型，1.5*4根盾模型，2*4根盾模型，1.5*6根盾模型，1.5*8根盾模型)；

图8为本发明的不同种植牙模型周围骨等效应变分布图(a-f依次为传统即刻种植牙模型，1*4根盾模型，1.5*4根盾模型，2*4根盾模型，1.5*6根盾模型，1.5*8根盾模型)；

图9为本发明的不同种植牙模型皮质骨等效应力分布图(a-f依次为传统即刻种植牙模型，1*4根盾模型，1.5*4根盾模型，2*4根盾模型，1.5*6根盾模型，1.5*8根盾模型)；

图10为本发明的不同种植牙模型皮质骨等效应变分布图(a-f依次为传统即刻种植牙模型，1*4根盾模型，1.5*4根盾模型，2*4根盾模型，1.5*6根盾模型，1.5*8根盾模型)；

图11为本发明的不同种植牙模型松质骨等效应力分布图(a-f依次为传统即刻种植牙模型，1*4根盾模型，1.5*4根盾模型，2*4根盾模型，1.5*6根盾模型，1.5*8根盾模型)；

图12为本发明的不同种植牙模型松质骨等效应变分布图(a-f依次为传统即刻种植牙模型，1*4根盾模型，1.5*4根盾模型，2*4根盾模型，1.5*6根盾模型，1.5*8根盾模型)；

图13为不同根盾厚度对种植体-骨界面处皮质骨应力的示意图；

图14为不同根盾厚度对种植体肩台水平处皮质骨应力的示意图；

图15为不同根盾厚度对种植体-骨界面处皮质骨应变的示意图；

图16为不同根盾厚度对种植体肩台水平处皮质骨应变的示意图；

图17为不同根盾长度对种植体-骨界面处皮质骨应力的示意图；

图18为不同根盾长度对种植体肩台水平处皮质骨应力的示意图；

图19为不同根盾长度对种植体-骨界面处皮质骨应变的示意图；

图20为不同根盾长度对种植体肩台水平处皮质骨应变的示意图；

图21为不同根盾厚度对种植体周围松质骨应力的示意图；

图22为不同根盾厚度对种植体周围松质骨应变的示意图；

图23为不同根盾长度对种植体周围松质骨应力的影响的示意图；

图24为不同根盾长度对种植体周围松质骨应变的影响的示意图。

具体实施方式

实施例1、基于逆向三维有限元分析获取根盾种植牙优选模型的方法，通过Mimics、Geomagic Wrap和NX等软件分别建立出根盾片模型、牙冠模型、皮质骨模型、松质骨模型、种植体模型及基台模型，组装成包含不同根盾片厚度(1mm，1.5mm，2mm)和不同根盾片长度(4mm，6mm，8mm)的5个根盾种植牙模型(简称为1*4根盾模型，1.5*4根盾模型，2*4根盾模型，1.5*6根盾模型，1.5*8根盾模型)及1个传统即刻种植牙模型，然后采用三维有限元分析的方法对5个根盾种植牙模型和1个传统即刻种植牙模型进行力学对比分析获得一个优选的根盾种植牙模型，用于指导采用根盾种植牙技术所需的跟盾片的大小。其中，Mimics为Materialise's interactive medical image control system，Materialise公司的交互式医学影像控制系统；Geomagic Wrap为Oqton堃腾公司的3D扫描类软件)；NX全称SiemensNX，通常也称为UG(Unigraphics NX)，是西门子公司的用于产品设计、工程与制造开发CAD/CAE/CAM大型集成软件)。具体过程如下：

1、病例筛选及纳入标准

选择一例浙江大学医学院附属口腔医院行上前牙区单颗牙根盾种植手术的患者的病例，病例的选取满足以下要求：

(1)上颌中切牙外伤牙折患者，对侧同名牙完整；

(2)上前牙区单颗牙根盾即刻种植手术；

(3)术前锥状射束电脑断层扫描(Cone beam computed tomography，简称CBCT)显示对侧同名牙骨内根长大于8mm；

(4)无牙周病史，口腔卫生状况良好。

2.建立三维的根盾种植牙模型

2.1中切牙模型提取

在上位机中，将患者术前的CBCT图像导出为DICOM格式并导入Mimics软件，然后新建蒙版1，根据所需要的中切牙范围选择合适的灰度值，使蒙版1尽量减少不相关的噪点，又能使需要的区域完整选取。

再将蒙版1选取的模型应用“Crop Mask(裁剪蒙版)+Slip Mask(分离蒙版)”分离，得到需要的蒙版2。将蒙版2选取的牙体内部空白处进行逐张填充，并将边界多余部分进行修整，得到完整的中切牙模型，使用软件自带的光顺和包覆功能对中切牙模型进行初步修复与优化，导出为STL(STereoLithography，立体光刻)格式。

2.2模型重建

(1)上颌骨模型：

在NX软件中按牙槽骨外形建立2个相同的简化牙槽骨模型，使用偏移工具将其中一个简化牙槽骨模型均匀缩小0.7mm，得到松质骨模型；将另一个简化牙槽骨模型与松质骨模型进行布尔运算，得到皮质骨模型。上颌骨模型由外侧的皮质骨模型与内部的松质骨模型组成，假设皮质骨厚度为0.7mm，骨块规格为：9mm*17mm*20mm。在NX软件中将皮质骨和松质骨进行原点配合，得到用于组装的上颌骨模型。

(2)种植体及基台模型：

在NX软件中进行种植体和基台的建模。种植体按照瑞典诺贝尔种植体Nobelactive 3.5*13mm产品说明书进行建模：顶圆直径2.6mm，颈圈高度1mm，螺纹高度11.5mm，螺纹间距1.2mm，螺纹螺距2.4mm，外径3.5mm；基台按照诺贝尔Nobel型号36665基台(穿龈高度为1.5mm)产品说明书进行建模。

(3)牙冠模型：

将步骤2.1建立的中切牙模型的STL文件导入Geomagic Wrap软件，进行孔洞填充，表面优化处理，通过“裁剪“工具，截取牙冠部分，精确曲面，探测轮廓线，构造曲面片，构造格栅，拟合曲面，将网格化的模型文件转化为曲面格式，保存为x-t格式牙冠模型。牙冠高度14.5mm，近远中径10mm，颊舌径6mm。

(4)根盾片模型：

将步骤2.1建立的中切牙模型的STL文件导入Geomagic Wrap软件，进行表面优化处理，使用裁剪工具，按照以下设计要求进行裁剪处理：根盾片设计为内侧圆钝，厚度t分别为1mm、1.5mm和2mm，长度h分别为4mm、6mm和8mm，如图1所示，得到1*4mm、1.5*4mm、2*4mm、1.5*6mm和1.5*8mm五种根盾片模型，导出为x-t格式根盾片模型。

逆向建模是基于现实中存在的人物或物品，利用设备采集图像数据然后软件解读数据建立三维模型的一种构建模型方式，本发明基于患者术前CBCT图像，通过Mimic软件和Geomagic Wrap软件进行逆向建模获得中切牙模型、牙冠模型和根盾片模型，使得后续组装完成的种植牙模型可以更好地与牙齿本身的形态相匹配。

2.3模型组装

将上述步骤2.2建立的根盾片模型、牙冠模型、上颌骨模型、种植体模型及基台模型均导入NX软件。利用根盾片模型制作唇侧保留的牙周膜：根盾片模型中选中需要牙周膜覆盖的部分曲面，复制曲面，得到等距曲面1，向外偏移0.2mm，合并结果，得到加厚的实体。同样的方法使用基台模型的基台曲面得到0.1mm树脂粘结剂模型。调整牙冠位置，光滑切除多余部分，使牙冠与基台相匹配。然后将各部分按以下两种方式进行组装：

a.上前牙区单颗牙即刻种植牙模型

在上颌骨模型内植入1枚植体，植入深度为最冠方与牙槽嵴顶平齐，牙冠通过树脂粘结剂连接至基台上，树脂粘结剂厚度为0.1mm，植体和基台固定连接，得到1个上前牙区单颗牙即刻种植牙模型(即传统即刻种植牙模型)。各组同等统一假设植体周围完全骨结合。

b.上前牙区单颗牙根盾种植牙模型

在上颌骨模型内植入1枚植体，植入深度为最冠方与牙槽嵴顶平齐，牙冠通过树脂粘结剂连接至基台上，树脂粘结剂厚度为0.1mm，种植体和基台固定连接。即在上前牙区单颗牙即刻种植牙模型的基础上，然后在上颌骨内保留部分唇侧牙根，根盾片与牙槽骨以0.2mm宽度牙周韧带相连，根盾冠方最高点设置为平齐牙槽嵴顶，与种植体之间的距离为0.5mm。

按此方法，1*4mm、1.5*4mm、2*4mm、1.5*6mm和1.5*8mm五种根盾片模型共得到5种上前牙区单颗牙根盾种植牙模型(简称为1*4mm根盾模型，1.5*4mm根盾模型，2*4mm根盾模型，1.5*6mm根盾模型，1.5*8mm根盾模型)。各组同等统一假设植体周围完全骨结合。所有模型均具有与实际相近的外形，是后期进行在根盾不同设计形式的情况下，种植体周围组织应力及应变分布情况分析的基础，如图5所示。

3、根盾种植牙模型的筛选

3.1、模型分组

将步骤2获得的5种上前牙区单颗牙根盾种植牙模型(即1*4mm根盾模型，1.5*4mm根盾模型，2*4mm根盾模型，1.5*6mm根盾模型，1.5*8mm根盾模型)分为二组：

分组一：固定长度4mm的不同厚度根盾组，包括1*4mm根盾模型，1.5*4mm根盾模型，2*4mm根盾模型；

分组二：固定厚度1.5mm的不同长度根盾组，包括1.5*4mm根盾模型，1.5*6mm根盾模型，1.5*8mm根盾模型；

另外，将步骤2获得的上前牙区单颗牙即刻种植牙模型(简称为传统即刻种植牙模型)作为对比组。

3.2、三维有限元分析

有限元分析是一种无创性研究，可通过参数改变建立多个模型，并将其受力情况更直观地表现出来，更好地、更精确地指导临床。本发明采用三维有限元分析1个上前牙区单颗牙即刻种植牙模型、分组一(1*4mm根盾模型，1.5*4mm根盾模型，2*4mm根盾模型)以及分组二(1.5*4mm根盾模型，1.5*6mm根盾模型，1.5*8mm根盾模型)的周围组织(包括种植体-骨界面处皮质骨、种植体肩台水平处皮质骨、种植体周围松质骨)应力应变分布情况。

3.2.1、

1)、使用三维有限元分析软件对步骤2.3获得的6个模型(1个传统即刻种植牙模型和5个上前牙区单颗牙根盾种植牙模型)进行网格划分，网格划分示意图如图2所示，网格划分结果如表1-1所示。

表1-1各模型网格划分结果

2)、在可能的应力集中区域(牙冠、植体及植体周围的骨)细化网格来减少误差，增加有限元分析结果的精度，每一节点相当于应力传导单位，通过连线进行应力传导，每个网格在应力传导过程中产生微量形变。对不同材质进行生物力学参数设置，如表1-2所示。

表1-2各部分生物力学参数设置

同等假定根盾种植牙模型及传统即刻种植牙模型的各个组成部分是连续、均质、各向同性的。边界条件设置为颌骨基底部固定不动。成年女性上中切牙最大合力平均为10.2kg，以女性咬合力为标准，将载荷大小设置为100N，加载方向和位置符合正常覆合覆盖时的情况，具体的：对1个传统即刻种植牙模型和5个上前牙区单颗牙根盾种植牙模型的牙冠部分均施加力100N，方向为与牙冠长轴方向呈30度，施力点位于切1/3与中1/3交界处中心区域，面接触(图3)，获得传统即刻种植牙模型和5个上前牙区单颗牙根盾种植牙模型中种植体及周围组织的等效应力和等效应变分布云图。同等假定各个模型中的牙冠与粘结层，粘结层与基台、基台和种植体、种植体和周围骨，根盾片和周围骨、根盾片与牙周膜、牙周膜与周围骨之间均是固定不动的接触。

3.2.2、评价指标

1)传统即刻种植牙模型及根盾种植牙模型种植体周围组织应力应变分布情况

观察比较传统即刻种植牙模型(对比组)及不同根盾种植牙模型(分组一和分组二)种植体周围皮质骨、松质骨等效应力、等效应变分布图，总结相关应力应变分布规律。同时，对于种植体和根盾间骨应力应变情况，采用模型截面测量分析皮质骨和松质骨不同位点的应力应变数值。

2)不同根盾厚度及长度对种植体周围皮质骨应力应变的影响

沿种植体长轴唇舌向将模型进行分割，得到种植体唇侧正中皮质骨截面，测量种植体与皮质骨交界处不同深度皮质骨的等效应力值，结果用MPa表示。由于皮质骨厚度设定仅为0.7mm，因此设定测量间距较小，测量点为植体肩台水平处即0mm处(记为IS)，植体肩台水平向下0.2mm(记为IS-0.2)，植体肩台水平向下0.4mm(记为IS-0.4)，如图4所示。同样的方法测量相应位点的应变值，结果用微应变με表示。同时测量植体肩台水平处与种植体不同距离(0、0.2mm、0.4mm，分别记为is、is-0.2、is-0.4)皮质骨的等效应力及应变值，如图4所示。每组数据测量2遍，取平均值。

3)、不同根盾厚度及长度对种植体周围松质骨应力应变的影响

采用同样的方法沿植体长轴唇舌向将模型进行分割，得到植体唇侧正中松质骨截面，测量植体与松质骨交界处不同深度(0、0.5mm、1mm、1.5mm，分别记为SB、SB-0.5、SB-1、SB-1.5)松质骨的等效应力值，如图4所示，结果用MPa表示。同样的方法测量相应位点的应变值，结果用微应变με表示。每组数据测2遍，取平均值。

3.2.3、评价结果

1)、传统即刻种植牙模型种植体周围组织应力应变分布情况

在既定载荷作用下，传统即刻种植牙模型最大等效应力位于种植体颈部基台位置，如图6所示，最大等效应变位于冠与基台之间的粘接层。种植体周围骨等效应力主要集中于种植体周围的皮质骨区域，以植体-骨交界肩台水平为中心向四周递减，如图7和图9所示。种植体周围骨等效应变集中处主要以两个中心，即植体肩台-皮质骨交界为中心，植体-皮松质骨交界处为中心，向四周递减，如图8、图10和图12所示。

2)、根盾种植牙模型种植体周围组织应力应变分布情况

在既定载荷作用下，所有根盾种植牙模型最大等效应力位点均位于种植体颈部基台位置如图6所示，所有根盾种植牙模型最大等效应变位于牙周膜。种植体周围骨组织应力集中部位为种植体周围的皮质骨区域，以植体-骨界面肩台水平处为中心向四周逐渐递减，另一应力相对集中部位是根盾周围的骨组织，如图7和图9所示。种植体周围骨组织应变集中部位主要位于植体和根盾之间的骨组织，以植体-骨交界唇侧为中心向四周不断递减；与应力集中部位相似，应变另一相对集中部位是根盾周围的骨组织，如图8和图12所示。

3)、不同根盾厚度对种植体-骨界面处皮质骨应力应变的影响

通过比较对比组(传统即刻种植牙模型)和分组一(1*4mm根盾模型，1.5*4mm根盾模型，2*4mm根盾模型)在种植体-皮质骨界面处的IS、IS-0.2、IS-0.4的皮质骨等效应力和等效应变，等效应力大小变化范围为6.59MPa～46.15MPa，等效应变大小范围为513.86με～4742.30με，如图13和图15所示。除了1*4mm根盾模型，1.5*4mm根盾模型和2*4mm根盾模型在肩台水平的皮质骨等效应力均大于传统即刻种植牙模型；分组一的皮质骨等效应力差异主要体现在植体肩台水平，且根盾厚度越厚，皮质骨等效应力越大。通过比较不同组皮质骨相应位点的等效应变，可以得出类似的结论，即不同根盾厚度的等效应变差异主要体现在植体肩台水平皮质骨处，且根盾越厚，等效应变越大。

4)、不同根盾厚度对种植体肩台水平处皮质骨应力应变的影响

通过比较对比组(传统即刻种植牙模型)和分组一(1*4mm根盾模型，1.5*4mm根盾模型，2*4mm根盾模型)之间在种植体肩台水平is、is-0.2、is-0.4的皮质骨等效应力和等效应变，等效应力大小变化范围为7.93MPa～46.15MPa，等效应变大小范围为636.96με～4742.30με，如图14和图16所示。除了1*4mm根盾模型，1.5*4mm根盾模型和2*4mm根盾模型在肩台水平的皮质骨等效应力均大于对比组；且根盾厚度越厚，皮质骨相同位点的等效应力越大，但这种差异在is-0.4位点明显减弱；与分组一相比，无根盾的传统即刻种植牙模型等效应力递减较为均匀。不同组皮质骨相应位点的等效应变，可以得出类似的结果，即不同根盾厚度的等效应变差异主要体现在近植体肩台水平的皮质骨处，且根盾越厚，等效应变越大。

5)、不同根盾长度对种植体-骨界面处皮质骨应力应变的影响

通过比较对比组(传统即刻种植牙模型)和分组二(1.5*4mm根盾模型，1.5*6mm根盾模型，1.5*8mm根盾模型)在种植体-皮质骨界面处的IS、IS-0.2、IS-0.4处的皮质骨等效应力和等效应变，等效应力大小变化范围为6.59MPa～41.11MPa，等效应变大小范围为513.86με～3778.00με，如图17和图19所示，结果显示分组二的等效应力差异主要体现在肩台水平IS处，且1.5*4mm根盾模型具有更大的等效应力。通过比较不同组皮质骨相应位点的等效应变，可以得出类似的结论，即不同长度的根盾模型等效应变差异体现在肩台水平，且1.5*4mm根盾模型等效应变最大。

6)、不同根盾长度对种植体肩台水平处皮质骨应力应变的影响

通过比较对比组(传统即刻种植牙模型)和分组二(1.5*4mm根盾模型，1.5*6mm根盾模型，1.5*8mm根盾模型)在种植体肩台水平is、is-0.2、is-0.4的皮质骨等效应力，等效应力大小变化范围为10.23MPa～41.11MPa，等效应变大小范围为758.58με～3778.00με，如图18和图20所示，结果显示分组二的等效应力差异主要体现在肩台水平IS处，且1.5*4mm根盾模型具有更大的等效应力；1.5*6mm根盾模型，1.5*8mm根盾模型在所测位点等效应力均小于对比组。通过比较不同组皮质骨相应位点的等效应变，可以得出类似的结论，即不同长度的根盾模型等效应变差异体现在肩台水平，且1.5*4mm根盾模型等效应变最大

7)、不同根盾厚度对种植体周围松质骨应力应变的影响

通过比较对比组(传统即刻种植牙模型)和分组一(1*4mm根盾模型，1.5*4mm根盾模型，2*4mm根盾模型)在种植体-松质骨界面处的SB、SB-0.5、SB-1、SB-1.5处的松质骨等效应力和等效应变，等效应力大小变化范围为2.35MPa～8.39MPa，等效应变大小范围为1543.65με～6904.3με，如图21和图22所示，结果显示不同组的差异主要表现在松质骨最冠方与皮质交界处(SB点)，该位置分组一中所有模型等效应力均大于对比组，分组一的不同厚度的模型之间差异不明显；随着深度增加对比组和分组一的各个模型等效应力均趋于相同。通过比较不同模型松质骨相应位点的等效应变，可以得出类似的结论，即不同根盾厚度模型间无明显差异，且在皮松质骨交界处均显著高于传统即刻种植牙模型。

8)、不同根盾长度对种植体周围松质骨应力应变的影响

通过比较对比组(传统即刻种植牙模型)和分组二(1.5*4mm根盾模型，1.5*6mm根盾模型，1.5*8mm模型)种植体-松质骨界面处的SB、SB-0.5、SB-1、SB-1.5处的松质骨等效应力和等效应变，等效应力大小变化范围为2.35MPa～8.39MPa，等效应变大小范围为1640.90με～6267.80με，如图23和24所示。对比组和分组二的差异主要表现在松质骨最冠方与皮质交界处(SB点)，该位置所有分组二的根盾模型等效应力均大于传统即刻种植牙模型，其中1.5*4mm根盾模型显著高于1.5*6mm根盾模型和1.5*8mm模型；随着深度增加各模型等效应力均趋于相同。通过比较不同组松质骨相应位点的等效应变，可以得出类似的结论，即不同长度根盾模型等效应变差异主要体现在皮松质骨交界处，且1.5*4mm根盾模型具有最大的等效应变。

综上所述，基于现有上前牙单颗牙根盾种植牙5个模型的有限元分析结果，提示厚度为1-1.5mm，长度为6-8mm的长根盾更有利于植体-骨界面的骨结合。这与未载荷状态下的不同根盾设计对唇侧骨保留效果有所区别：文献已有的动物实验表明未载荷状态下根盾厚度较厚(1.5-2mm)时具有较好的唇侧骨保留效果；而关于长度，过长的根盾反而不利于唇侧骨保留易导致种植失败[参考论文1-5]，这意味着虽然厚根盾和短根盾对于未载荷状态下唇侧骨保留起到更好作用，但是在负载状态下不利于植体-骨结合。这一结果指导应该选择厚度适中(1.5mm)，长度适中(6mm)的根盾片，既能减少根盾唇侧的骨改建，又有利于植体和根盾之间的成骨，且便于临床操作，即步骤2获得的5种上前牙区单颗牙根盾种植牙模型中的1.5*6mm根盾模型为本发明的优选的根盾种植牙模型，根盾种植牙模型所需的根盾片的大小为1.5*6mm为优选的根盾片设计。

实验：

1、分组

按照植体植入时机及是否保留根盾片进行分组为：牙根盾即刻种植组(记为SST组，即采用本发明的优选的根盾种植牙模型来指导根盾片的大小为1.5*6mm)、传统即刻种植组(记为IIP组)和早期种植组(记为EIP组)，各组均在术后即刻拍摄CBCT及术后6个月复查拍摄CBCT和根尖片；

2、测量及数据统计

2.1种植体唇侧硬组织厚度测量

将术后即刻拍摄的CBCT数据文件导出为DICOM格式，使用Mimics 19.0软件进行处理，利用“along plane”功能重新调整三维平面，将矢状面调整至经过植体长轴中心的平面，沿植体长轴画一直线，做该直线的垂线，经过种植体肩台水平，肩台下1mm、3mm和5mm位点做垂线的平行线，每一条平行线与唇侧骨壁外侧面和植体表面的交点之间的距离为该位点唇侧硬组织厚度。每组数据由同一人在同一天上下午各测一遍，取平均值。同样的方法测量术后6个月复诊拍摄的CBCT并测量种植体唇侧硬组织厚度，每组数据由同一人在同一天上下午各测一遍，取平均值。

将所获得的测量数据采用Statistical Package for Social Science 26(IBMSPSS Statistic 26)软件的ICC组内相关系数检验对重复测量的2组原始数据进行一致性检验，并对数据进行初步处理，得到各组骨厚度及高度改变的数据，结果用平均值+标准差(x+s)表示，检验数据是否符合正态分布，采用单因素方差分析比较牙根盾即刻种植组(SST组)、传统即刻种植组(IIp组)和早期种植组(EIP组)三组间骨保存效果是否存在统计学差异。根据方差齐性检验，采用LSD法或Dunnett’s T3检验进行组间比较，P＜0.05为结果有统计学差异，P＜0.01为结果有显著性差异。所获得的数据如下。

1)、6个月后植体肩台水平唇侧骨厚度吸收，如表2所示，SST组植体唇侧骨厚度吸收显著低于IIP组(P＜0.01)，SST组植体唇侧骨厚度吸收低EIP组(P＜0.05)；而IIP组与EIP组结果没有统计学差异(P＞0.05)。

表2种植术后6个月植体肩台水平唇侧骨厚度吸收情况

注：A表示与SST组比P＜0.01；a表示与SST组相比P＜0.05。

2)、6个月后植体肩台下1mm唇侧骨厚度吸收，如表3所示，SST组植体唇侧骨厚度吸收显著低于IIP组(P＜0.01)；SST组植体唇侧骨厚度吸收低于EIP组(P＜0.05)；而IIP组与EIP组结果没有统计学差异(P＞0.05)。

表3种植术后6个月植体肩台下1mm唇侧骨厚度吸收情况

注：A表示与SST组比P＜0.01；a表示与SST组相比P＜0.05。

3)、植体肩台下3mm唇侧骨厚度吸收如表4所示，各组结果没有统计学差异(P＞0.05)。

表4种植术后6个月植体肩台下3mm唇侧骨厚度吸收情况

4)、植体肩台下5mm唇侧骨厚度吸收如表5所示，各组结果没有统计学差异(P＞0.05)。

表5种植术后6个月植体肩台下5mm唇侧骨厚度吸收情况

2.2种植体唇侧骨高度测量

数据调取及平面调整方式同2.3.1，沿植体长轴画一直线，在植体肩台水平做该线的垂线，测量种植体唇侧牙槽骨最冠方处到该垂线的距离为植体唇侧骨高度。每组数据由同一人在同一天上下午各测一遍，取平均值。同样的方法测量术后6个月复诊CBCT数据，每组数据由同一人在同一天上下午各测一遍，取平均值。所获得的种植体唇侧骨高度数据如表6所示，各组结果没有统计学差异(P＞0.05)。

表6种植术后6个月植体唇侧骨高度吸收情况

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

参考论文：

1、Tan Z，Kang J，Liu W，et al.The effect of the heights and thicknessesof the remaining root segments on buccal bone resorption in the socket-shieldtechnique：An experimental study in dogs[J].Clin Implant Dent Relat Res，2018，20(3)：352-359.

2、Calvo-Guirado JL，Troiano M，López-López PJ，et al.Differentconfiguration of socket shield technique in peri-implant bone preservation：anexperimental study in dog mandible[J].Ann Anat，2016，208：109-115.

3、Calvo-Guirado J L，JA Benítez-García，Eduardo M，et al.Socket-shieldtechnique：the influence of the length of the remaining buccal segment ofhealthy tooth structure on peri-implant bone and socket preservation.A studyin dogs[J].Annals of Anatomy-Anatomischer Anzeiger，2018，221：84-92.

4、Han CH，Park KB，Mangano FG.The Modified Socket Shield Technique[J].JCraniofac Surg，2018，29(8)：2247-2254.

5、Gandhi Y，Bhatavadekar N.Inappropriate Socket Shield Protocol as aProbable Cause of Peri-Implant Bone Resorption：A Case Report[J].J MaxillofacOral Surg，2020，19(3)：359-363。

Claims (10)

1.基于逆向三维有限元分析获取根盾种植牙优选模型的方法，其特征在于:包括过程如下：

获取患者口腔的CBCT图像，在上位机中基于逆向建模的方法建立根盾种植牙模型及传统即刻种植牙模型，然后通过三维有限元分析方法对根盾种植牙模型及传统即刻种植牙模型进行受力的对比分析，包括分析种植体-骨界面处皮质骨、种植体肩台水平处皮质骨、种植体周围松质骨的应力应变的分布，通过评价所述根盾种植牙模型及传统即刻种植牙模型中种植体及周围组织的等效应力和等效应变分布情况、不同根盾厚度及长度对种植体周围皮质骨以及松质骨应力应变的影响，获得优选的根盾种植牙模型。

2.根据权利要求1所述的基于逆向三维有限元分析获取根盾种植牙优选模型的方法，其特征在于：

所述建立根盾种植牙模型及传统即刻种植牙模型的过程为：

1)、通过所述CBCT图像采用Mimics软件建立中切牙模型，然后采用Geomagic Wrap软件基于中切牙模型分别建立牙冠模型和根盾片模型；

2)、采用NX软件建立松质骨模、皮质骨模型、种植体及基台模型，将皮质骨和松质骨进行原点配合得到上颌骨模型；

3)、将根盾片模型、牙冠模型、上颌骨模型、种植体模型及基台模型均导入NX软件组装为所述根盾种植牙模型及传统即刻种植牙模型。

3.根据权利要求2所述的基于逆向三维有限元分析获取根盾种植牙优选模型的方法，其特征在于：

所述组装为根盾种植牙模型及传统即刻种植牙模型的过程为：

利用根盾片模型制作唇侧保留的牙周膜，使用基台模型的基台曲面得到树脂粘结剂模型，调整牙冠位置，光滑切除多余部分，使牙冠与基台相匹配，然后：

在所述上颌骨模型内植入一枚种植体，植入深度为最冠方与牙槽嵴顶平齐，牙冠通过树脂粘结剂连接至基台上，种植体和基台固定连接，获得所述传统即刻种植牙模型；

在所述传统即刻种植牙模型的基础上，上颌骨内保留部分唇侧牙根，根盾片与牙槽骨以牙周韧带相连，根盾冠方最高点亦设置为平齐牙槽嵴顶，获得所述根盾种植牙模型。

4.根据权利要求3所述的基于逆向三维有限元分析获取根盾种植牙优选模型的方法，其特征在于：

所述三维有限元分析的过程为：

1)、对所述根盾种植牙模型及传统即刻种植牙模型进行网格划分；在应力集中区域细化网格提高分析精度，包括牙冠、植体及种植体周围的骨区域；

2)、对所述牙冠模型、皮质骨模型、松质骨模型、种植体模型及基台模型、牙本质、牙周韧带和树脂粘结剂模型的材质进行生物力学参数设置，生物力学参数包括弹性模量和泊松比；

3)、边界条件为颌骨基底部固定不动，对各个所述根盾种植牙模型及传统即刻种植牙模型的牙冠施加力100N，方向为与牙冠长轴方向呈30度，施力点位于切1/3与中1/3交界处中心区域，面接触。

5.根据权利要求4所述的基于逆向三维有限元分析获取根盾种植牙优选模型的方法，其特征在于：

所述中切牙模型为：所述CBCT图像导出为DICOM格式并导入Mimics软件，然后新建蒙版1，根据所需要的中切牙范围选择合适的灰度值，再将蒙版1选取的模型应用“Crop Mask(裁剪蒙版)+Slip Mask(分离蒙版)”分离，得到蒙版2；将蒙版2选取的牙体内部空白处进行逐张填充，并将边界多余部分进行修整，并使用软件自带的光顺和包覆功能对中切牙模型进行初步修复与优化，获得所述中切牙模型。

6.根据权利要求5所述的基于逆向三维有限元分析获取根盾种植牙优选模型的方法，其特征在于：

所述上颌骨模型为：按牙槽骨外形建立2个相同的简化牙槽骨模型，使用偏移工具将其中一个简化牙槽骨模型均匀缩小得到松质骨模型；将另一个简化牙槽骨模型与松质骨模型进行布尔运算，得到皮质骨模型。

7.根据权利要求6所述的基于逆向三维有限元分析获取根盾种植牙优选模型的方法，其特征在于：

所述种植体及基台模型为：种植体按照瑞典诺贝尔种植体Nobel active建模，基台按照诺贝尔36665基台建模。

8.根据权利要求7所述的基于逆向三维有限元分析获取根盾种植牙优选模型的方法，其特征在于：

所述牙冠模型为：将所述中切牙模型进行孔洞填充，表面优化处理，通过“裁剪“工具，截取牙冠部分，精确曲面，探测轮廓线，构造曲面片，构造格栅，拟合曲面，将网格化的模型文件转化为曲面格式，获得所述牙冠模型。

9.根据权利要求8所述的基于逆向三维有限元分析获取根盾种植牙优选模型的方法，其特征在于：

所述根盾片模型为：将所述中切牙模型进行表面优化处理，使用裁剪工具进行裁剪处理：根盾片设计为内侧圆钝，厚度分别为1mm、1.5mm和2mm，长度分别为4mm、6mm和8mm，得到得到1*4mm、1.5*4mm、2*4mm、1.5*6mm和1.5*8mm五种所述根盾片模型；然后按所述组装为根盾种植牙模型及传统即刻种植牙模型的过程组装为1*4mm根盾模型、1.5*4mm根盾模型、2*4mm根盾模型、1.5*6mm根盾模型和1.5*8mm根盾模型。

10.根据权利要求9所述的基于逆向三维有限元分析获取根盾种植牙优选模型的方法，其特征在于：

所述优选的根盾种植牙模型为所述1.5*6mm根盾模型。

Images