一种磨牙假体种植体的结构优化设计方法

1.本发明涉及口腔医疗，尤其涉及磨牙假体。


技术实现要素：

2.本发明所要解决的主要技术问题是提供一种磨牙假体种植体的结构优化设计方法，方便选出合适患者的种植体的结构。
3.为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种磨牙假体种植体的结构优化设计方法，包括如下步骤：
4.第一步，通过逆向工程技术处理ct扫描数据，建立下颌第一磨牙缺失的三维模型；根据上颌第一磨牙、下颌第一前磨牙与第二磨牙的几何形状，设计下颌第一磨牙假体的牙冠几何模型；下颌第一磨牙假体的种植体采用圆柱型；
5.第二步，给下颌第一磨牙假体的种植体三维模型划分网格，施加材料属性，定义载荷与边界条件，进行有限元仿真分析；
6.第三步，在得到初步分析结果的基础上，开展种植体的尺寸优化设计，定义尺寸优化目标，参数化设计变量，设置优化算法；
7.第四步，根据优化结果优选出种植体尺寸结构，进而开展种植体变密度拓扑优化，确定设计域和非设计域，设置拓扑优化参数，分多组进行拓扑优化；
8.第五步，提取拓扑优化结果，进行生物力学性能分析，确定最优拓扑优化结构，依据其等值线或等值面建立种植体拓扑优化结构。
9.在一较佳实施例中：上颌牙齿部分仅建立与下颌第一磨牙接触周围区域的模型。
10.在一较佳实施例中：所述牙冠和种植体均为均质、各向同性的线弹性材料；其中牙冠材料为长瓷石，其弹性模量为82800mpa，密度为2480kg/m3，泊松比为0.35；种植体为纯钛材质，其弹性模量为110000mpa，密度为4510kg/m3，泊松比为0.35。
11.在一较佳实施例中：第二步中定义载荷与边界条件具体是指：模拟下颌第一磨牙与上颌磨牙咬合情况，在下颌第一磨牙牙冠的牙窝、远中颊尖、近中颊尖、远中舌尖、近中舌尖的咬合接触区均布200n的力；边界条件设定为上颌骨完全固定，下颌骨允许有限位移。
12.在一较佳实施例中：第三步中尺寸优化目标设定为模型位移量和应力值；种植体为圆柱型，将其长度和直径作为设计变量，其中直径为3.4mm-5mm，长度为7mm-12mm。
13.在一较佳实施例中：第三步中尺寸优化算法采用基于拟随机数生成器的非迭代直接采样方法和screening方法。
14.在一较佳实施例中：第四步中种植体变密度拓扑优化将种植体内部区域设为设计域，种植体外表面设为非设计域；设置惩罚因子、体积比拓扑优化参数，以质量百分比为目标进行种植体变密度拓扑优化。
15.在一较佳实施例中：提取的拓扑优化结果中，以种植体与牙槽骨接触面、种植体与牙冠接触的位移量，种植体、牙周组织的应力分布情况等牙齿生物力学因素进行对比分析，确定最优种植体拓扑优化结构。
16.在一较佳实施例中：所述种植体拓扑优化结构的长度为9mm，直径为4.2mm。
附图说明
17.图1为本发明的流程图；
18.图2为本发明优选实施例优化后的种植体和原始种植体的位移图；
19.图3为本发明优选实施例优化后的种植体和原始种植体的应力图。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶 /底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
22.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是壁挂连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
23.参考图1，本发明提供了一种磨牙假体种植体的结构优化设计方法，包括如下步骤：
24.第一步，通过逆向工程技术处理ct扫描数据，建立下颌第一磨牙缺失的三维模型；根据上颌第一磨牙、下颌第一前磨牙与第二磨牙的几何形状，设计下颌第一磨牙假体的牙冠几何模型；下颌第一磨牙假体的种植体采用圆柱型；
25.第二步，给下颌第一磨牙假体的种植体三维模型划分网格，施加材料属性，定义载荷与边界条件，进行有限元仿真分析；
26.第三步，在得到初步分析结果的基础上，开展种植体的尺寸优化设计，定义尺寸优化目标，参数化设计变量，设置优化算法；
27.第四步，根据优化结果优选出种植体尺寸结构，进而开展种植体变密度拓扑优化，确定设计域和非设计域，设置拓扑优化参数，分多组进行拓扑优化；
28.第五步，提取拓扑优化结果，进行生物力学性能分析，确定最优拓扑优化结构，依据其等值线或等值面建立种植体拓扑优化结构。
29.本实施例中，上颌牙齿部分仅建立与下颌第一磨牙接触周围区域的模型。
30.第二步中，施加材料属性时，所述牙冠和种植体均为均质、各向同性的线弹性材料；其中牙冠材料为长瓷石，其弹性模量为82800mpa，密度为2480kg/m 3
，泊松比为0.35；种植体为纯钛材质，其弹性模量为110000mpa，密度为 4510kg/m3，泊松比为0.35。
31.第二步中定义载荷与边界条件具体是指：模拟下颌第一磨牙与上颌磨牙咬合情况，在下颌第一磨牙牙冠的牙窝、远中颊尖、近中颊尖、远中舌尖、近中舌尖的咬合接触区均布200n的力；边界条件设定为上颌骨完全固定，下颌骨允许有限位移。
32.第三步中尺寸优化目标设定为模型位移量和应力值；种植体为圆柱型，将其长度和直径作为设计变量，其中直径为3.4mm-5mm，长度为7mm-12mm。
33.第三步中尺寸优化算法采用基于拟随机数生成器的非迭代直接采样方法和screening方法。
34.第四步中种植体变密度拓扑优化将种植体内部区域设为设计域，种植体外表面设为非设计域；设置惩罚因子、体积比拓扑优化参数，以质量百分比为目标进行种植体变密度拓扑优化。
35.提取的拓扑优化结果中，以种植体与牙槽骨接触面、种植体与牙冠接触的位移量，种植体、牙周组织的应力分布情况等牙齿生物力学因素进行对比分析，确定最优种植体拓扑优化结构。本实施例中得到的种植体拓扑优化结构的长度为9mm，直径为4.2mm。图2和图3为最优结构和常规种植体的比较图，可以看到经过优化设计后，应力分布比较均匀，种植体与骨之间、种植体与牙冠之间的偏移也较小。
36.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。