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中国力学虚拟人颅颌复合体系统平台建立及其在口腔临床医学中的应用

作　者: 胡妍
导　师: 王成焘
学　校: 上海交通大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 颅颌复合体三维几何建模运动仿真有限元分析种植修复
分类号: R78
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 21次
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内容摘要

人体骨肌系统个体间的差异性、多样性以及活体实验的局限性,使得关于人体力学特性的研究工作开展十分困难。与此同时,随着医疗条件的改善,各种临床手术方法不断的涌现,如何有效的选择手术方案及评价术后效果,成为当前相关领域生物医学学者的重要研究工作。国家自然科学基金重点项目“中国力学虚拟人”将围绕人体骨肌系统生物力学性能研究而展开。该项目将最终形成一个大型的人体生物力学分析软件,其中包含人体几何建模、运动学分析、动力学分析、有限元分析等功能模块,并拥有自己的数据库。另可通过二次开发应用于各个专业领域,应用范围不仅仅局限于临床医学研究,还可涉及到创伤事故、康复工程等领域。本文作为“中国力学虚拟人”项目的一部分,主要的研究内容为颅颌复合体骨肌系统平台的建立及临床应用。该平台将提供一系列标准的、解剖相似性高的人体头部几何、动力学和有限元模型,及相关的基础生物力学研究结果。并利用该模块化平台进行临床口腔修复分析,为更好的研究人体头部相关力学问题提供理论依据。在模型构建方面,本文选取了基于CT医学图像的几何仿真模型最为平台的主要模型,该模型解剖相似性高,可精确模拟出头部各骨块、肌肉及骨缝信息,另还加入了基于CT断层影像和层切法的下颌骨及牙列模型作为平台模型信息的补充,该模型更细化了下颌骨及牙列结构。另外,上述2种模型均已进行了模块化,以适应于不同应用需求。在运动学、动力学分析上,本文利用三维运动捕捉系统对正常人群进行下颌咀嚼运动轨迹测试,并建立相关仿真模型,进行仿真计算,得到相关肌肉力大小及分布情况。应用肌肉力优化算法和肌电激活信号测试结果对仿真结果进行验证。仿真结果作为生物力学分析的边界条件,这里主要对颅颌复合体整体在正中牙合位相下,及下颌骨在咀嚼运动周期6个典型运动相下的应力分布情况进行研究。在临床应用方面,通过对前述模块化的下颌骨及牙列模型进行改建,得到四单位种植固定桥的不同排列方案及三角形与直线排列方案的不同模型,并进行生物力学分析比较,选出理论上最为合理的设计方案,为临床实际应用提供相应理论依据。中国力学虚拟人颅颌复合体骨肌系统平台的构建,使我们对人体头部骨肌系统的力学特性基础有了全面的了解,为头部骨骼肌肉方面的生物力学研究提供了重要的工具。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-10
第一章绪论  10-18
  1.1 课题来源及背景  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-16
    1.2.1 颅颌复合体建模研究  11-12
    1.2.2 材料特性与边界条件研究  12-13
    1.2.3 咀嚼运动运动学与动力学研究  13-14
    1.2.4 口腔医学中有限元分析研究  14-16
  1.3 本文研究目的及内容  16-18
第二章颅颌复合体骨肌系统力学仿真建模  18-32
  2.1 引言  18
  2.2 颅颌复合体和咀嚼功能肌肉解剖学特点  18-21
    2.2.1 颅颌复合体的解剖特性  18-19
    2.2.2 咀嚼运动相关肌肉解剖结构  19-21
  2.3 基于冷冻切片断层医学图像的颅颌复合体骨肌系统建模  21-22
  2.4 基于CT 医学图像的颅颌复合体骨肌系统建模  22-28
    2.4.1 颅颌复合体骨骼系统建模  22-23
    2.4.2 颅颌复合体肌肉系统建模  23-24
    2.4.3 肌肉与骨骼曲面模型装配  24-25
    2.4.4 肌肉附着面及起止点坐标的确定  25-27
    2.4.5 主要咀嚼肌直线模型及肌肉束生理横截面积  27-28
  2.5 基于CT 断层影像及层切法的上下颌骨和上下牙列建模  28-31
    2.5.1 基于CT 断层影像的下颌骨和牙列建模  29-30
    2.5.2 基于层切法的牙冠咬合面建模  30-31
  2.6 本章小节  31-32
第三章颅颌复合体骨肌系统有限元建模  32-43
  3.1 引言  32
  3.2 颅颌复合体模块化  32-34
  3.3 骨组织材料参数确定  34-41
    3.3.1 骨组织结构性能  35-37
    3.3.2 弹性体的本构方程  37-38
    3.3.3 CT 数与弹性模量的关系  38-41
  3.4 有限元网格模型建立  41-42
  3.5 本章小节  42-43
第四章颅颌复合体骨肌系统咀嚼运动运动及动力学分析  43-56
  4.1 引言  43
  4.2 咀嚼运动运动学分析  43-45
    4.2.1 咀嚼运动轨迹测量  43-44
    4.2.2 咀嚼运动轨迹分析  44-45
  4.3 咀嚼运动动力学分析  45-51
    4.3.1 模型材料设置  46
    4.3.2 咀嚼肌力学特性确定  46-47
    4.3.3 颞下颌关节约束确定  47
    4.3.4 食物粒  47
    4.3.5 咀嚼运动中坐标转换  47-48
    4.3.6 咀嚼运动仿真  48
    4.3.7 咀嚼运动仿真结果  48-51
  4.4 肌肉力优化算法及肌肉力肌电测试与仿真结果的比较  51-55
    4.4.1 肌肉力优化算法  51-54
    4.4.2 咀嚼肌力肌电测试  54-55
  4.5 本章小节  55-56
第五章颅颌复合体骨肌系统咀嚼运动过程的有限元分析  56-68
  5.1 引言  56
  5.2 有限元方法计算理论  56-58
  5.3 咀嚼功能下颅颌复合体边界约束及加载  58-61
  5.4 咀嚼功能下颅颌复合体生物力学分析  61-67
    5.4.1 咀嚼运动相下颅颌复合体骨应力分析  61-62
    5.4.2 肌肉力对自然下颌骨应力、应变的影响  62-67
  5.5 本章小节  67-68
第六章种植固定桥不同设计方案的应力分析比较  68-85
  6.1 引言  68
  6.2 口腔修复学  68-72
    6.2.1 牙体及牙周组织功能结构  68-70
    6.2.2 固定桥修复  70-71
    6.2.3 种植固定桥修复  71-72
  6.3 模型改建  72-73
    6.3.1 种植体三维重建  72
    6.3.2 模型整体重建  72-73
  6.4 有限元模型建立  73-75
    6.4.1 有限元建模过程  73-74
    6.4.2 材料的力学特性  74
    6.4.3 约束与加载  74-75
  6.5 计算结果  75-81
    6.5.1 加载均布载荷时，四种方案下von-Mises 应力值比较，最大主应力比较  75
    6.5.2 加载集中载荷时，四种方案下von-Mises 应力值比较，最大主应力比较  75-77
    6.5.3 加载分散载荷或集中载荷时，四种方案下骨组织及种植体应力云图比较  77-81
  6.6 结果分析与讨论  81-84
    6.6.1 加载方式的选择  81
    6.6.2 支持骨与种植体应力分布情况比较  81-82
    6.6.3 支持骨与种植体应力大小情况比较  82-84
  6.7 结论  84
  6.8 本章小结  84-85
第七章种植固定桥不同排列方案的应力分析比较  85-98
  7.1 引言  85
  7.2 种植固定桥不同排列方案比较  85-86
  7.3 模型改建  86-87
  7.4 有限元模型建立  87-89
    7.4.1 有限元建模过程  87-88
    7.4.2 材料的力学特性  88
    7.4.3 约束与加载  88-89
  7.5 计算结果  89-95
    7.5.1 加载均布载荷时，四种方案下von-Mises 应力值比较，最大主应力比较  89-90
    7.5.2 加载集中载荷时，四种方案下von-Mises 应力值比较，最大主应力比较  90
    7.5.3 不同受载条件下，3 种不同方案中皮质骨上的应变能密度，最大von-Mises 应力值及最大应力出现位置比较  90-92
    7.5.4 加载分散载荷或集中载荷时，三种方案下骨组织及种植体应力云图比较  92-95
  7.6 结果分析与讨论  95-97
    7.6.1 支持骨与种植体应力分布情况比较  95-96
    7.6.2 支持骨与种植体应力大小情况比较  96-97
  7.7 结论  97
  7.8 本章小结  97-98
第八章全文总结与展望  98-100
  8.1 全文总结  98-99
  8.2 研究展望  99-100
参考文献  100-104
致谢  104-105
攻读硕士学位期间发表的论文  105-107

中国力学虚拟人颅颌复合体系统平台建立及其在口腔临床医学中的应用

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