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基于UG的牙種植體參數(shù)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2015-12-22 05:17:18林天賜張鵬黃達(dá)鴻歐陽(yáng)江林張春雨陳賢帥張弓
關(guān)鍵詞:基臺(tái)螺絲特征參數(shù)

林天賜,張鵬,黃達(dá)鴻,歐陽(yáng)江林,張春雨,陳賢帥,張弓*

(1.佛山市口腔醫(yī)院,廣東佛山528000;2.中國(guó)科學(xué)院廣州先進(jìn)技術(shù)研究所,廣東廣州511458)

基于UG的牙種植體參數(shù)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

林天賜1,張鵬1,黃達(dá)鴻1,歐陽(yáng)江林2,張春雨2,陳賢帥2,張弓2*

(1.佛山市口腔醫(yī)院,廣東佛山528000;2.中國(guó)科學(xué)院廣州先進(jìn)技術(shù)研究所,廣東廣州511458)

參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)已成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中一種最重要的設(shè)計(jì)方法之一,基于UG的參數(shù)化建模功能,采用表達(dá)式生成方法,通過(guò)多組參數(shù)和約束定義牙種植體的形狀特征,對(duì)基臺(tái)、種植體、內(nèi)螺絲等進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了牙種植體的三維參數(shù)化建模。對(duì)于新型牙種植體的開(kāi)發(fā)以及根據(jù)不同患者牙根實(shí)際情況設(shè)計(jì)出最合適的個(gè)性化牙種植體,具有重要意義。

基臺(tái);種植體;內(nèi)螺絲;參數(shù)化設(shè)計(jì)

種植修復(fù)具有舒適、美觀和可靠等優(yōu)點(diǎn),從而受到廣泛關(guān)注,但是種植體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一直是行業(yè)的技術(shù)難題。在長(zhǎng)期使用中,設(shè)計(jì)欠佳的牙種植體易出現(xiàn)松動(dòng)、脫落,甚至折斷,嚴(yán)重影響牙種植體修復(fù)口腔行業(yè)的發(fā)展[1]。牙種植體的合理設(shè)計(jì),可以使其周?chē)墙M織應(yīng)力分布合理,增加牙種植體的穩(wěn)定性,降低治療過(guò)程中對(duì)骨質(zhì)的依賴(lài)程度,從而大大提高臨床成功率[2-3]。

由于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,往往需要進(jìn)行大量重復(fù)性工作,耗時(shí)費(fèi)力,設(shè)計(jì)成本較高。因此參數(shù)化技術(shù)是目前計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)中最重要的建模技術(shù)之一,被認(rèn)為是設(shè)計(jì)過(guò)程中的一個(gè)趨勢(shì)[4]。文獻(xiàn)[5]應(yīng)用三維有限元方法,研究了在集中荷載作用下,不同基臺(tái)、螺紋和愈合方式組合而成的12類(lèi)牙科種植體及周?chē)墙M織的應(yīng)力分布特征,結(jié)果表明直基臺(tái)-矩形齒-非潛入式種植體骨界面應(yīng)力最小,為最優(yōu)組合。

另有研究表明,螺紋種植體比無(wú)螺紋式具有較好的治療效果,能增加種植體與骨組織的接觸面積,增加種植體的固位力,從而提高種植體初期穩(wěn)定性,有利于植入手術(shù)的操作[6]。國(guó)外有學(xué)者將參數(shù)化設(shè)計(jì)和有限分析相結(jié)合,用來(lái)分析種植體的生物力學(xué)問(wèn)題[7]。但是,關(guān)于牙種植體的參數(shù)化設(shè)計(jì)方面,目前的研究還不多。

本文以Unigraphics NX(簡(jiǎn)稱(chēng)UG)為平臺(tái),運(yùn)用其參數(shù)化建模功能,將牙種植體各個(gè)特征的幾何形狀與尺寸大小用變量參數(shù)的方式來(lái)表示,采用交互圖形設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)牙種植體的參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程,可滿(mǎn)足新型牙種植體開(kāi)發(fā)過(guò)程中的智能化和個(gè)性化功能要求。

1 參數(shù)化設(shè)計(jì)方式

參數(shù)化設(shè)計(jì)具體是指在零件或部件形狀的基礎(chǔ)上,用多組參數(shù)和約束定義該幾何圖形的形狀,建立圖形的約束集,以完成零部件的三維建模。尺寸參數(shù)和約束與幾何圖形有顯式的對(duì)應(yīng)關(guān)系,當(dāng)參數(shù)或約束發(fā)生改變,幾何圖形也會(huì)相應(yīng)變化[8]。這種人機(jī)交互方式,不僅可以有效降低構(gòu)造三維幾何形狀的時(shí)間,而且會(huì)使現(xiàn)有設(shè)計(jì)更容易重建或修改[9-10]。

UG是Siemens PLM Software公司的CAD/CAE/CAM一體的三維參數(shù)化軟件,最新版本是NX 10。該軟件為設(shè)計(jì)制造提供了高性能和靈活性,是當(dāng)今最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、分析和制造軟件之一,廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車(chē)、造船、通用機(jī)械和電子等工業(yè)領(lǐng)域[11]。

本文采用交互圖形設(shè)計(jì)方法,用戶(hù)通過(guò)UG提供的模型交互操作命令和參數(shù)化建模方法,從而完成產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,采用表達(dá)式生成方法。UG的表達(dá)式是算術(shù)或條件語(yǔ)句,它可以用來(lái)控制同一個(gè)零件上的不同特征間的關(guān)系。這樣,實(shí)現(xiàn)牙種植體的完全參數(shù)化設(shè)計(jì),精確地建立牙種植體的三維模型,從而提高設(shè)計(jì)效率。

2 參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程

本研究的牙種植體以?xún)?nèi)六方角定位、平臺(tái)轉(zhuǎn)移和莫氏錐度為設(shè)計(jì)理念,主要包括基臺(tái)、種植體和內(nèi)螺絲等3部分,如圖1所示。

根據(jù)UG參數(shù)化建模的方法,在三維建模前,需要對(duì)各個(gè)部分的主要參數(shù)賦予初始值,其具體操作步驟如下所述。

(1)打開(kāi)UG軟件,新建1個(gè)模型文件,進(jìn)入“建?!蹦K界面。

(2)選擇“工具”菜單里“表達(dá)式”菜單命令,系統(tǒng)打開(kāi)“表達(dá)式”命令窗口,按表1所列在“名稱(chēng)”欄中輸入?yún)?shù)符號(hào),在“公式”欄中輸入對(duì)應(yīng)參數(shù)的初值,單擊窗口右下方“√”接受編輯。

需要指出的是,本文中牙種植體的參數(shù)化設(shè)計(jì)是以瑞士士卓曼[12](Straumann)品牌為依據(jù)。

2.1 基臺(tái)

基臺(tái)以角度基臺(tái)為參數(shù)化建?;A(chǔ),其最大直徑為5.0 mm,基臺(tái)高度為5 mm,傾斜角度為15°[12]。根據(jù)基臺(tái)幾何形狀,從下到上,由內(nèi)六角、圓錐1、圓柱2、圓錐2、圓柱2、圓錐3、下內(nèi)孔和上內(nèi)孔等八部分組成,如圖2所示。

圖1 牙種植體結(jié)構(gòu)

圖2 基臺(tái)參數(shù)劃分

基臺(tái)各組成部分以及關(guān)聯(lián)部分的參數(shù),如表1所示。

通過(guò)改變基臺(tái)參數(shù),可實(shí)現(xiàn)任意幾何形狀的基臺(tái)三維建模,其中包括任意角度的角度基臺(tái)個(gè)性化三維建模。

2.2 種植體

根據(jù)種植體幾何形狀,可知主要由大螺紋、下凸圓、小螺紋和內(nèi)孔(圓錐、內(nèi)六角、內(nèi)螺紋)等組成。另外,根據(jù)愈合方式的不同,種植體又可分為潛入式(光滑頸部高度為1.2 mm)和非潛入式(光滑頸部高度為1.2 mm,傾斜角度為15°,高度為0.8 mm)兩種[12],其參數(shù)劃分分別如圖3和4所示。種植體各部分參數(shù)如表2所標(biāo)。

表1 基臺(tái)參數(shù)

圖3 潛入式種植體參數(shù)劃分

表2 種植體參數(shù)

圖4 非潛入式種植體參數(shù)劃分

潛入式和非潛入式種植體的特征參數(shù)分別如表3和表4所示。

表3 潛入式種植體特征參數(shù)

表4 非潛入式種植體特征參數(shù)

另外,種植體大螺紋采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),其牙型分別為矩形、梯形和鋸形3類(lèi),如圖5所示。其特征參數(shù)如表5所示。

圖5 種植體大螺紋類(lèi)別

通過(guò)改變大螺紋大徑d,牙形高度系數(shù)A,大螺紋的螺距P,種植體長(zhǎng)度L6,就可以得到不同直徑、長(zhǎng)度和螺紋形狀的種植體。

2.3 內(nèi)螺絲

根據(jù)內(nèi)螺絲幾何形狀,可知按其參數(shù)劃分主要由外螺紋、外螺柱和內(nèi)六角等組成,如圖6所示。其各部分參數(shù)表如表6所示。

表5 大螺紋牙形特征參數(shù)

圖6 螺釘參數(shù)劃分

表6 內(nèi)螺絲參數(shù)

3 小結(jié)

本文基于UG參數(shù)化建模功能,采用交互圖形設(shè)計(jì)方法,利用表達(dá)式生成方法,通過(guò)多組參數(shù)和約束定義牙種植體的形狀特征,完成基臺(tái)、種植體和螺釘?shù)葏?shù)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了牙種植體完全參數(shù)化設(shè)計(jì),具有良好的人機(jī)交互性、可擴(kuò)充性和可移植性。對(duì)于新型牙種植體的開(kāi)發(fā)及根據(jù)不同患者牙根實(shí)際情況(如直徑、長(zhǎng)度、角度、以及螺紋形狀等參數(shù))設(shè)計(jì)出最合適的個(gè)性化牙種植體,具有重要意義。

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【責(zé)任編輯:任小平renxp90@163.com】

Parametric design and implementation of dental implants by using unigraphics

LINTian-ci1,ZHANGPeng1,HUANGDa-hong1, OUYANGJiang-lin2,ZHANGChun-yu2,CHENXian-shuai2,ZHANGGong2

(1.Foshan StomatologyHospital,Foshan 528000,China; 2.Guangzhou Institute ofAdvanced Technology,Chinese AcademyofSciences,Guangzhou 511458,China)

Parametric design technology has become one of the most important design methods in the process of product design.Using the expression and through the multiple sets of parameters and constraints to define the shape feature ofdental implants,parametric design was put forward for abutment,implant and screwbymeans of the Unigraphics software,and a three-dimensional parametric modelingofdental implants was created as well.It was provided with great significance for the development of a newtype of dental implants,and the design of the most appropriate custom-made dental implants depended on the actual situation of tooth root for different patients.

abutment;implant;screw;parametric design

R783

A

1008-0171(2015)03-0083-05

2014-11-20

佛山市院市合作資助項(xiàng)目(2014HT10008);佛山市醫(yī)學(xué)科研基金項(xiàng)目(2015388)作者簡(jiǎn)介:林天賜(1982-),男,廣東陸豐人,佛山市口腔醫(yī)院主治醫(yī)師。

*通信作者:張弓(1979-),男,湖北孝感人,中國(guó)科學(xué)院廣州先進(jìn)技術(shù)研究所副研究員。

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