基于有限元与响应面法相结合的口腔生物力学数值仿真研究

牙及牙周组织行使功能离不开口腔生物力学的范畴，预测力学事件的综合效应是制定治疗方案和评估预后的关键，而牙周膜一直以来都被认为是这一系列力学事件的核心。由于复杂的力学性质和特殊的解剖生理结构，目前牙周膜尚不能在实体力学试验和虚拟有限元试验中合理构建，因此口腔生物力学相关的科学研究和临床诊疗缺乏可靠的技术保障。本研究以牙周膜的力学行为和相关生物特性仿真为核心展开，旨在通过口腔生物力学的仿真研究实现数值化、个性化的临床诊疗。本项目将进行在体和离体的力学试验，获取牙周膜力学行为的基础数据，并通过有限元和响应面法相结合的方法构建牙周膜数值力学本构，同时纳入咬合过程中两个典型的生物特性：动态咬合和疼痛神经反射，最终实现牙及牙周组织的"力学-生物"数值仿真。本研究成果将为口腔生物力学仿真研究及临床数值诊疗提供可靠的数据支持和理论保证。

本课题研究了灰度差值法的序列CT图像数字化技术和齿科非接触式红外扫描法表面形貌数字化技术构建牙及牙周组织的物理结构模型的优缺点，提出了一种更加快捷、准确的齿科模型数字化技术：基于结构光的近景摄影与CT数据结合建模的方案（牙模三维测量及方法，已获得国家发明专利）。同时，本课题将临床咬合记录仪（TexscanⅢ）引入到口腔生物力学研究，并通过咬合仪数据指导有限元分析过程中的载荷施加方案，实现了对咬合过程的仿真。最后，本课题还对牙、修复体及牙周组织力学本构进行研究，采用扩展有限元法（XFEM）对牙及修复体在力学响应过程中出现的结构破坏等非线性力学问题进行研究，并将模拟结果与实物实验结果进行比较，获得较高的准确性和一致性。本课题提出符合临床实际和生物体特征的有限元模拟是口腔生物力学的研究的一个重要手段力学，为了提高有限元模拟的准确性，必须在仿真过程中纳入相关生物特性。本课题从固定义齿、可摘局部义齿和种植义齿多方面进行了研究，获得了大量的实验数据，为口腔生物力学相关的仿真研究和临床诊疗提供重要的数据支持和理论保证。. 项目在研期间完成如下工作：.1. 序列CT图像数字化技术和齿科非接触式红外扫描法表面形貌数字化技术构建牙及牙周组织的物理结构模型的研究.2. 利用TexscanⅢ检测口腔中咬合力的分布，并用于有限元分析过程中载荷仿真.3. 基于扩展有限元法研究桩核冠修复体力学性能.4. 可摘局部义齿的基牙牙周情况以及载荷施加状态对于应力分布、支架设计的影响.5. 粘接剂种类和厚度对于种植支持的全瓷单冠上应力分布的影响. 项目已取得以下成果：.1. 提出“基于结构光的近景摄影与CT数据结合口腔模型构建方案”（牙模三维测量及方法，已获得国家发明专利）.2. 将XFEM技术用于模拟结构破坏，并应用于口腔桩核冠的相关力学研究（发表一篇SCI，一篇《中华口腔医学杂志》）.3. 在有限元分析中设置接触关系，模拟受力时，义齿与基牙的相对运动和应力传导（发表一篇SCI，一篇《中华口腔医学杂志》）.4. 培养博士3名，硕士1名，均顺利通过论文答辩