（固体力学专业论文）基于APDL根管预备器械力学分析及程序二次开发.pdf

哈尔滨工程大学硕十学位论文 摘要 根管治疗是牙髓病和根尖周病公认的基本治疗方法，而根管预备是根管 治疗的关键环节。对丁根管预备方法及预备器械的研究是一项具有挑战性的 课题，过去的几十年里取得了众多的研究成果。 由于根管几何形状的复杂性，几乎所有器械在根管内都会出现回复变直 的倾向，从而导致根管i l 敞开、肘部形成、肩台、侧壁穿j l 、根尖偏移的形 成甚至器械的折断。因此，维持根管的解剖形态非常困难。随着材料科学及 制造业的发展，镍钛合金在根管预备器械制造中得到充分应用和发展，其独 特的超弹性和记忆效应使器械具有很好的柔韧性，从而大大提高了预备效果 并有效降低了细小弯曲根管治疗可能产生的副作髑。 本文利用有限元法分析目前主要品牌根管器械的扭转和弯曲行为，并进 行图形用户界面程序的二次开发。首先根据前人的研究成果验证有限元法在 根管器械力学性能分析中应用的可行性；接下来对目前主要品牌的根管器械 的几何参数进行测定，并利用a p d l 和u i d l 语言对镍钛合金根管器械扭转 和弯曲分析进行系统程序的二次开发，藉以实现不同根管器械的抗扭和抗弯 性能研究的图形界面化和系统化，进一步分析截面形式、锥度、尖端直径对 器械力学性能及临床预备效果的影响，从而为根管器械的设计和临床使用提 高理论依据。本文二次开发的系统分析程序包括7 种品牌共1 3 种截面的根管 器械( 如p r o t a p e r 、h e r o6 4 2 、m t w o 、p f o f i l e 、q u a n t e c 、n i t i t l e x 和w - t y p e ) 。 通过本文程序的二次开发及扭转和弯曲性能的有限元的分析，结果证明 了根管器械力学分析系统程序开发的可行性。分析发现，p r o t a p e r 和h e r o6 4 2 系列镍钛合金器械具有良好的抗扭性能，但较其他几种器械柔韧性差，因此 对弯曲度较小的根管具有很好的预备效果，而在较大弯曲根管预备中需谨慎 使用。所有根管器械在旋转过程中，应力峰值均出现在切削槽内，切削刃部 位的应力值随着截面设计的不同而表现出较大差别。分析得出，影响器械扭 转和弯曲性能的截面设计因素主要包括：截面惯量的大小、切削槽深度、核 心面积大小、切削缘周面和平坦区设计等。而在弯曲过程中，器械承受拉压 哈尔滨工程犬学硕十学位论文 应力的作用，从而导致器械的疲劳破坏，但弯曲角度及应力峰值的大小随着 锥度、尖端直径的变化而不同。 关键词：镍钛合金；根管器械；有限元法；二次开发 哈尔滨1 ：程大学硕十学位论文 i i i i i i i i a b s t r a c t t h er o o tc a n a lt r e a t m e n ti saw o r l d l ya c k n o w l e d g e di a t r o t e c h n i c si ne n d o d o n t i c t h e r a p y t h e r e s e a r c h e sf o rn e wd e v i c e sa n dt e c h n o l o g i e sf o rr o o tc a n a l p r e p a r a t i o nw e r ea l w a y sc h a l l e n g i n g m u c hk n o w l e d g e a n de x p e r i e n c eh a v eb e e n o b t a i n e di nt h el a s td e c a d e s d u et ot h er e s t r i c t i o no ft h ec o m p l e xr o o tc a n a lg e o m e t r y , a l le n d o d o n t i c i n s t r u m e n t sh a v et h et e n d e n c yt os t r a i g h t e nw i t h i nt h er o o tc a n a l ，r e s u l t i n gi nt h e m i s f o r t u n e si n c l u d i n gl e d g e so fz i pf o r m a t i o n ，p e r f o r a t i o no ft h ec a n a l ，a n d s e p a r a t i o no rf r a c t u r eo ft h ee n d o d o n t i ci n s t r u m e n t s s oi ti sn o te a s yt om a i n t a i n t h eo r i g i n a la n a t o m yc o n f i g u r a t i o na n dt h ep o s i t i o ni ns p a c eo ft h ea p i c a lf o r a m e n i uc l i n i c a lr o o tc a n a lt r e a t m e n t w i t ht h ea d v a n c e m e f l to ft h em a t e r i a ls c i e n c ea n d t h em a c h i n i n gt e c h n o l o g y , n i c k e l t i t a n i u m ( n i x 1 ) a l l o yw a si n t r o d u c e dt ot h e m a n u f a c t u r eo fe n d o d o n t i ci n s t r u m e n t s a st h es u p e r - e l a s t i c i t ya n ds h a p em e m o r y o ft h en i - t ia l l o y , n i t ie n d o d o n t i ci n s t r u m e n t sa r em u c hm o r ef l e x i b l et h a n s t a i n l e s ss t e e li n s t r u m e n t st of a c i l i t a t et h ei n s t r u m e n t a t i o no fc u r v e dc a n a l sa n d m i n i m i z ec l i n i c a lm i s f o r t u n e s i nt r a d i t i o n a lm e c h a n i c a it e s t so fe n d o d c i n t i ci n s t r u m e n t s ，m o s ts t u d i e sw e r e e m p h a s i z e do ni nv i t r oe x p e r i m e n t su s i n gs i m u l a t e dc a n a l s f e ws t u d i e so nt h e f a c t o r sa f f e c t i n gt h em e c h a n i c a lb e h a v i o r so fe n d o d o n t i ci n s t r u m e n t sw e r e r e p o r t e dt h e o r e t i c a l l y t h i sr e s e a r c ha i m e d t oa n a l y z et h em e c h a n i c a lb e h a v i o r so f n i t ie n d o d o n t i ci n s t r u m e n t su s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，a n dt o c o n s t r u c tap r o g r a mp a c k a g ei nt h ee n v i r o n m e n to fa n s y ss o f t w a r ep a c k a g e s o i ti sp o s s i b l et og i v es o m eh e l po rs u g g e s t i o n st ot h eo p t i m i z i n gd e s i g na n d c l i n i c a lu s a g eo fn i t ie n d o d o n t i ci n s t r u m e n t s f i r s t l y , b a s e d o nt h es t u d i e so fp r e v i o u sl i t e r a t u r e s ，t h ef e a s i b i l i t ya n d p r a c t i c a b i l i t y , r e c o n s t r u c t i n ga n da n a l y z i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e l so f n i t i e n d o d o n t i ci n s t r u m e n t su s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o de s p e c i a l l yt h ea n s y s s o f t w a r ep a c k a g e ，w e r ec e r t i f i e d a f t e r w a r d s ，t h eg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r so fs e v e n 哈尔滨一l 稃大学硕士学位论文 b r a n d si n c l u d i n gt h i r t e e nk i n d so fe n d o d o n t i ci n s t r u m e n t sw e r ed e t e r m i n e d a s t h em o s ti m p o r t a n ti n g r e d i e n to ft h i sr e s e a r c h ，ap r o g r a mp a c k a g ew a se x p l o i t e d p r e l i m i n a r i l yf o rt h ep r o f e s s i o n a la n a l y s i so fm e c h a n i c a lb e h a v i o r so fe n d o d o n t i c i n s t r u m e n t su s i n ga n s y sc o m m a n ds t r e a ma n da p d l ( a n s y sp a r a m e t r i c d e s i g nl a n g u a g e ) a n du 1 d l ( u s e ri n t e r f a c ed e s i g nl a n g u a g e ) l a n g u a g e s h e r e i n ， t h ep r o g r a mr e a l i z e dt h ep a r a m e t e r i z a t i o no ft h er e c o n s t r u c t i n go ff i n i t ee l e m e n t m o d e l s ，l o a d i n g ，s o l v e a n dp o s t p r o c e s s t h ep a r a m e t e r i z e dc h a r a c t e r i s t i c v a r i a b l e si n c l u d ep r e l i m i n a r i l yt h es h a p eo ft h ec r o s s s e c t i o n ，n u m b e r , t a p e r , d e g r e eo fh e l i x t oi n v e s t i g a t et h ei m p a c to fd i f f e r e n tf a c t o r so nt h em e c h a n i c a lb e h a v i o r so f n i t ie n d o d o n t i ci n s t r u m e n t s ，a n dv e r i f yt h ev a l i d i t yo fo n rp r o g r a mp a c k a g e ，t h i s r e s e a r c ha n a l y z e dt h et o r s i o n a la n db e n d i n gb e h a v i o r so fv a r i o u se n d o d o n t i c i n s t r u m e n t s t h en i t ie n d o d o n t i ci n s t r u m e n t sc o n c e m e di n t h i sr e s e a r c hw e r e p r o t a p er ，h e r o6 4 2 ，m t w o ，p r o f i l e ，q u a n t e c ，n i t j f l e xa n dw - t y p e t h e i n f l u e n c e so ft h es h a p eo fc r o s s s e c t i o n s ，t a p e r , t i pd i a m e t e ra n dt h ed e g r e eo f h e l i xo nt h et o r s i o n a lo rb e n d i n gb e h a v i o r so fn i t ie n d o d o n t i ci n s t r u m e n t sw e r e s t u d i e d o u rr e s u l t ss h o w e dt h a ti ti sp o s s i b l et od e v e l o pag e n e r a lp r o g r a mp a c k a g ef o r a n a l y z i n gt h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro fe n d o d o n t i ci n s t r u m e n t s w ef o u n dt h a tt h e s t r e s sw a sc o n c e n t r a t e di nt h ef l u t em o r eo rl e s sf o ra l lt h em o d e l so fe n d o d o n t i c i n s t r u m e n t s t h ec r o s s s e c t i o nh a dg r e a ti m p a c to nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f n i ne n d c i d o n t i ci n s t r u m e n t s t h ef a c t o r s r e q u i r e d t o r e g a r d i n c l u d et h e c r o s s s e c t i o n a li n e r t i a ，d e p t ho ft h ef l u t e ，c e n t r a la r e a ，r a d i a ll a n da n dp e r i p h e r a l s u r f a c eg r o u n d w em u s ta v o i ds h a r pv a r i a n c ei nt h ed e s i g no ft h ec r o s s - s e c t i o no f e n d o d o n t i ci n s t r u m e n t m o r e o v e r ，t h et a p e rw a ss t r o n gc o r r e l a t e dt ot h es t r e s s d i s t r i b u t i o na l o n gt h es h a f tw h i l et h et i pd i a m e t e rh a dm o r ei n f l u e n c eo nt h e m a x i m u ms t r e s sv a l u e su n d e rt o r s i o n a lm o m e n t k e y w o r d s ：n i t ia l l o y , r o o tc a n a li n s t r u m e n t s ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a p d l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者。捌：遂军 日期：洲年j 月山日 哈尔滨l 程大学硕十学位论文 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 1 1 1 口腔生物力学问题有限元分析的研究进展 生物系统十分复杂，通常的力学实验基本上无法直接应用于人体。生物 系统建模与仿真研究可把生物系统简化为数学模型，并对这些模型用计算机 进行分析，以代替复杂、昂贵乃至无法实现的实验。而有限元对复杂几何构 形的适应性强，并可根据实际情况改变载荷和边界条件，自1 9 7 3 年t h r e s h e r f ， 首先将有限元法应用于口腔医学，有限元法已经成为口腔生物力学研究领域 中一种有效分析工具，为口腔疾病治疗、医疗器械的优化设计等提供理论依 据。 到目前为止，有限元法在口腔领域的应用已经深入至0 以下几个方面： ( 一) 上下颌骨、牙及相关口腔组织力学模型的建立 有限元程序及软件的强大建模功能和接口工具，可以逼真地建立三维人 体骨骼、肌肉等器官组织的模型，并赋予其生物力学特性。传统建模多采用 磨片法、切片法、标本的人工测读等方法。这些方法缺点在于出错率高，难 以准确表达细部结构特征。近年来大多采用自动或交互式人机对话方式获得 c t 断层影像中各组织结构轮廓线数据进行三维重建，但国内大多数c t 机都 不具备图像轮廓数据完整输出功能，些学者则采用胶片扫描并结合自编程 序或数字化软件等处理方法获取c t 图像轮廓线平面坐标数据，再将坐标三维 化进行组织结构重建，其基本过程如图1 1 所示。 ( 二) 口腔j 下畸领域 口腔正畸的基本原理是在错位牙或畸形颌骨上施加相关外力或去除异常 肌力，通过颌骨、牙周组织等硬软组织的生物力学反应，使颌骨或牙等产生 哈尔滨i 哗人学硕t 学位论文 图1 1 模型重建流程 组织学改建达到功能平衡和正常发育的一种生物机械运动。颅面外科领域， 其目标不仅要改善功能，还要恢复美观的外貌，怎样准确预测术后颅面组织 形态变化成为临床医生一直关心和研究的课题之一。在1 9 7 7 年到上世纪9 0 年代期间，y e t t r a m m t ：j 、t a r m e t ，】和w i l l a m s t q 等人用有限元法研究了牙齿瞬间 转动中心( i c r ) 的位置及其与正畸作用力的关系；最初的二维颅面复合体 有限元模型是由k h a l i l i ，i 建立的，这迈出了颅面组织有限元模拟的重要一步。 而第一个三维颅面复合体有限元模型是m i y a s a k a t s 】在1 9 8 6 年建立的，这一模 型在h a s k e l l t ”、t a n n d w 、h i r a g a t 9 l 等人的研究中多次被采用。此后，众多学者 对不同形式正畸力、功能载茼作用f 牙齿、颌骨的移动及相关组织的应力分 布和颅面组织形态变化等的有限元模拟取得了长足的进展，为认识正畸牙移 动的生物力学机理、进一步掌握“合适矫治力”有关因素、合理选取正畸方 式等临床问题提供了部分依据。 ( 三) 口腔修复领域 如何选择合适类型种植体、优化各种修复体的设计对义齿的成功种植至 关重要。基牙及牙周组织的受力分析、种植体一骨及不同修复材料界面结合 问题、种植体上部修复体类型和结构设计、载荷大小及方向等对相关部位应 哈尔滨上科大掌硕十学位论文 力分布的影响也一直备受修复领域众多学者的关注。有限元法在此类临床问 题模拟分析中的应用越来越广泛，也成为修复学的理沦基础之一。 各种模型中的修复体、种植体、粘结剂、义齿等基本采用线弹性假设， 并在小变形和小应变下进行静态分析。少数学者对牙釉质、粘结剂等做了各 向异性和弹塑性假设o “i 以及界面结合问题的大变形分析m 。与讵畸领域的应 用类似，模型的几何、物理相似性和分析手段等问题仍是今后需重点研究的 问题。在修复过程中，基牙、牙槽骨、义齿等均在运动中受力，采用静态载 荷的研究结果与实际情况有一定差异，研究动态载荷条件f 相关组织的应力 分布也成为目前及今后的重要方向，而对颞下颌关节、下颌运动、咬合关系 等之间内在机制的深入研究和定量仿真及各种修复材料本构关系的准确近似 将有助于有针对性的设计合理的修复方案。 ( 四) 口腔医疗器材的力学性能评价及优化设计 口腔是有限元法临床应用中的一大领域，相应的各种医疗器械如牙齿矫 形丝、矫形弹簧、矫治曲、根管预备器械、扩弓矫治器、骨牵引延长器、颌 骨固定用钉、托槽夹持器、托槽定位器、弓丝就位器等得以研制丌发，而这 些器械的力学性能又是研制和使用过程中需重点关注的问题，这不仅关系到 器械本身的力学稳定性、抗破坏能力等力学性能，还关系到与相关组织的生 物相容性等问题。器械材料也逐渐从传统的不锈钢逐步向各种具有更好生物 相容性、力学相容性的生物材料过渡。有限元法可以模拟复杂条件下力学性 能测试实验，使其一定程度上可以优化器械的设计、改良医疗器械的力学性 能。其中需重点探讨和解决的有三个问题：一是各种结构和功能的医疗器械 模型的建立；二是新型材料的力学参数及本构模型的确定；三是载荷及边界 条件的确定。 有限元法在医疗器械分析上的较早应用是1 9 9 0 年h a s k e l f ”耐各种辅簧形 状及载荷一应变关系的分析。到目前，见诸文端的口腔医疗器械性能的有限 元分析报道较少，相关研究也多注重于f 畸器械的分析。在根管器械的力学 性能分析方面，大都采用实验方法一5 1 ，边界元法也有少量应用，如t u r p i n 等叫分析了两种截面( t r i p l eu 型和t r i p l eh e l i x 型) 根管锉模型，比较了 两种截面几何属性及扭转和弯曲载荷下的应力分布，初步研究了截面形式对 晗尔滨：群人学硕士学位论文 根管器械力学性能的影响。而b e r u t t i 等m 佣有限元法刘p r o t a p e r 与p r o f i l e 锉进行了对比研究，并充分考虑n i t i 合会的材料非线性，得出了具有一定指 导意义的结论。 综上可知，有限元法已广泛深入应用到口腔领域各种生物力学问题的研 究，为口腔临床问题和相关医疗器械的优化设计提供了有j 的理论依据。 1 1 2 牙髓疾病治疗及其研究背景 牙齿是口腔中上下颚骨上坚硬的骨样组织，是人体内最峰硬的部分。而 牙齿的营养来源于牙髓，由于牙髓所处的解剖位置( 位于牙体的中央坚硬外 壳中，如图1 2 所示) 和生理环境的特殊性，一旦发生炎症等病变情况，病 变就难以局限和恢复。牙髓疾病具体包括牙髓炎症、牙髓坏死和牙髓退变。 一般临床牙科疾病中1 3 病例为牙髓或根周疾病，而大部分的牙痛也是由根 管问题导致的1 19 1 。迄今为止，对于感染的牙髓，除少数情况，还没有理想的 药物或方法可以使感染和受损害的牙髓恢复到完全健康状态。 治疗牙髓疾病最成熟、最彻底的方法，并在国际牙髓病学界得到认可的 主流方法就是根管治疗术。传统的根管治疗一般用不锈钢器械进行根管的预 备，由于器械材料及根管结构的复杂性，如根管的弯曲、狭窄等，在根管的 预备过程中易出现根管内台阶( l e d g e s ) 、肘形根管( e l b o w ) 、根尖孔敞丌 ( z i p ) 、根尖区穿孔( t r a n s p o r t a t i o n ) 、根管偏移( p e r f o r a t i o n ) 等临床中不 希望遇到的并发症。随着材料科学和机械制造业的发展，近年来在根管器械 材料的开发引用和设计上取得了较大的进展，并以器械的方便易用、并发症 的减少为根管器械发展的导向。镍钛合金( n i c k e l t i t a n i u ma l l o y ) 的发展有 效提高了窄细根管的预备效果，减少了牙髓疾病治疗中的副作用【2 。1 。1 9 8 8 年 w a l i a 等m l 学者首次分析了镍钛合金根管器械的扭转和弯曲行为，为镍钛根管 器械的发展和i 临床应用提供了原始的可靠依据。1 9 9 1 年通过对朝弹性镍钛合 金丝的研究，进一步证实了镍钛合会制造的根管预备器械的高度生物相容性 及适合弯曲根管预备的良好柔韧性，结果也显示出其较佳的抗疲劳和抗断裂 性1 2 2 。由于镍钛合金的朝弹性和记忆效应，镍钛合会根管预备器械的断裂机 ；一； ；! 堑鋈i 盥；：兰至i ：耋堡垒圣 ； 制与回复力较大的不锈钢器械有明显的不同，在发生器械的断裂时没有明显 的形变，对临床使用者来说对器械的断裂也就没有明显的手感反馈，因此镍 钛器械的断裂大多发生于无预警状态，这对临床医师也是最棘手的问题刚。 图i 2 牙齿的生理解剖构造图 在牙髓疾病的根管治疗的器械规范方面，早期是1 9 8 8 年美国牙科协会 ( a d a ) 制定的2 8 号文件p 】。但这套规范是在静态模式下得到的结果，并没 有考虑根管的解剖形态的影响，因此对于弯曲根管的预备情形并不适合。而 临床牙髓病治疗中，弯曲根管预备是器械断裂的高危病例，如果发生器械的 断裂并无法直接取出时，必须进行牙体的手术，使根管治疗变得毫无意义。 因此，多年来众多的学者一支致力于根管治疗及根管预备器械的研究，取得 了众多的成果，但大部分都是临床案例的收集报告或体外实验结果。 到目前为止，关于根管器械的测试尚没有统标准化方法。见诸文端的 体外实验研究方法也各有不同，但均采用塑料或橡胶模拟根管、拔除的牙齿 根管作为实验根管。而数值计算方法在根管预备器械力学行为分析上的应用 最早由t u r p i n 等”】学者在2 0 0 0 和2 0 0 1 年提如并用边界元法做了仞步分析。 哈尔滨j 。科大学硕十学侮论文 有限元法的使用一直到2 0 0 3 年才被b e r u t t i 等m ) 学者首次采用，而且此后并 没有相关进一步的研究。 1 2 根管预备器械的研究回顾 实际上，所有的根管预备器械在根管内都有回复变直的倾向t ”，很难维 持原根管的解剖走向，从而导致根管i l 敞开( z i p ) 、甘、j 部形成( e l b o w ) 、肩 台( l e d g e s ) 、根尖偏移( p e r f o r a t i o n ) 等1 2 5 。在1 9 7 5 年和1 9 7 6 年w e i n e 等 人研究不锈钢手用器械的根管成形效果，发现不锈钢根管器械在预备弯曲根 管过程中易由于不锈钢过大的回复力造成根管的侧壁穿孔、器械工作长度的 丧失甚至折断等现象【2 6 i i 。这一现象在1 9 8 0 年a b o u r a s s 等t 2 8 f 、1 9 8 8 年 b o l a n o s 等l ：m 、1 9 9 2 年a 1 o m a r i 等p o l 的研究中进步得到证实。1 9 8 8 年，w “a 等1 首次评价了n i t i 合金k 锉的弯曲和扭转性能，并指出n i t i 根管器械的 柔韧性通常是不锈钢器械的2 3 倍，抗扭能力也比不锈钢优越，1 9 9 5 年c a m p s 等j 的研究结果也表明n i t i 合会根管器械的最大破坏扭矩也明显高于不锈钢 器械。正是由于以上原因，使得n i t i 合会根管器械更适合于弯曲根管的预备， 其优越性在众多的文献和临床使用中得到了证实t ”“”t 。 由于牙本质的硬度较大以及根管的形态特点，被切削牙本质的阻力和操 作者的扭力使n i t i 旋转根管器械在操作过程中承受一定的扭矩，尤其用小号 器械扩大根管时，器械容易在根管尖部被锁死，此时根管器械遭受较大的扭 矩 3 6 1 。另一方面，根管弯曲的存在是器械在根管内产生旧复力必不可少的原 因。器械回复力的大小与器械的几何学形态、器械的直径、制造器械所用的 材料、根管弯曲的半径、弧度以及弯曲处到器械尖端的距离等因素有关。而 在众多传统的根管器械力学测试中，都没有考虑被测试根管( 或模型) 壁对 根管锉的摩擦，也就很少发生器械锁死的情况，如p r u e t t 等1 ”】，因此并不能 体现实际的扭转性能。c a m p s 等m ，；9 1 在1 9 9 5 年就指出锉的截面形式对器械的 机械效率有很大影响，其扭转和弯曲性能与器械的截面形式有直接关系。另 外，器械的锥度、尖端直径等也是影响根管器械力学性能的重要因素( 4 0 w 。 在2 0 0 0 年，t u r p i n 等1 16 1 人利用边界元法首次建立了t r i p l eh e l i x 和t r i p l e 哈尔滨i 程大学硕士学位论文 u 两种理论截面形式的n i t i 根管预备器械模型，模型尖端直径为0 4m m ， 在材料线弹性假设的基础上分别分析了o 2 5n m m 扭矩和0 5n m m 弯矩作用 下的应力分布情况。此后，2 0 0 3 年，b e r u t t i 等m 】人利用建立了两个p r o t a p e r 和p r o f il e 品牌根管器械的有限元模型，模型尖端直径也为0 4m m ，特点在 于考虑了n i t i 合金材料的非线性本构关系，并赴外加载荷为扭矩2 5n j i 】m 和弯矩2 9n m 条件下对比了两种模型的扭转和弯曲应力。在目前见谱文端 的上述两位前人的研究巾，模型长度均为1 8m r f l ，在所建立的模型中，都没 有包含器械锥度这一结构因素，在一定程度上影响了模型的准确性。 1 3 本文的主要工作 由于镍钛合金器械的使用占牙科耗材相当比重，而各个厂商在根管器 械的制造上并没有统一的标准，这给根管预备器械的性能分析和设计带来一 定的障碍。在根管预备器械力学性能的研究中，传统的方法大多为简化条件 下的实验研究。但截面形式、锥度、工作直径、螺旋仰角等因素对根管器械 力学性能及切削效果的影响的理论分析较少。有限元法作为理论分析的一种 有效手段，在口腔医疗器械的力学性能分析及优化设计领域可得到有效应用。 怎样充分考虑器械材料属性、如何准确建立根管预备器械有限元模型、确定 载荷种类及旌加真实边界条件等都是值得研究和探讨的课题。 本文对7 种品牌13 种截面根管预备器械的截面形式进行了几何测定，并 基于a p d l 和u i d l 语言建立了根管器械参数化模型库，初步在a n s y s 环境 中二次开发了根管预备器械力学行为的参数化系统分析程序，其涵盖了分析 类型( 扭转和弯曲) 、器械截面类型( 代表不同品牌) 、号数、锥度( 包括单 支器械变锥度) 、螺旋上升角、载荷大小等的参数化输入界面，研究了根管预 备器械的截面形式、锥度、尖端直径对其扭转和弯曲性能的影响，通过对结 果的分析得出了系列结论，为根管预备器械的优化设计及临床使用提供力学 理论依据。 哈尔滨f 程人学硕十学位论文 第2 章基础理论 2 1 根管治疗简介 根管治疗是牙髓病和根尖周病的基本治疗方法，其主要目的在于减轻病 人的痛苦，防止感染的蔓延，尽可能得保持牙齿完整避免拔除，重建患牙的 健康。治疗过程主要包括牙髓的去除、根管的开创( 或预备) 及消毒、根管 填充，基本过程如图2 】所示，完整的根管治疗还包括牙冠部分的充填和修 补。 图2 1 根管治疗过程示意图 现代根管治疗按其技术和器械设计特点可分为3 个发展阶段m 】：第一阶 段为非标准化时期( 1 9 世纪未至2 0 世纪5 0 年代) ：这一时期的特点即是根 管预备和充填方法没有规范化，根管器械缺少统一标准；第二阶段为标准化 时期( 2 0 世纪至8 0 年代中期) ：1 9 5 8 年，i n g l e 建议将根管器械和充填材料 的设计和制造标准化。随后，国际标准组织( i s o ) 指定了根管器械的设计 标准。美国牙科协会( a d a ) 第2 8 号( 1 9 7 6 ) 、第5 8 号( 1 9 8 2 ) 文件对器 械的设计、制造标准作了进一步规定。此后，根管器械的制造、根管预备技 r 哈自：滨上程人学硕斗：学位论文 术也日益规范化，逐渐出现了标准法、逐步后退法、和逐步深入法等预备方 法；第三阶段为变革阶段( 2 0 世纪8 0 年代术全令) ：8 0 年代术镍钛合金丌始 应用于根管预备器械的制造。器械的设计也丌始朝非i s o 模式的方向发展， 主要体现在预备器械的尖部形态和器械锥度变化上，逐步深入预备技术也得 到广泛的临床应用。 根管预备( r o o tc a n a lp r e p a r a t i o n ) 是根管治疗的关键环节，其主要目的 就是通过清除根管内碎屑、微生物、残余牙髓组织和玷污层清理牙齿根管， 使预备后的根管具有连续的锥度，并尽量维持原根管的走向和狭窄处的位置、 大小，便于根管充填。 常规预备方法主要包括扩大法( r e a m i n gm o t i o n ) 、扩锉法 ( r e a m i n ga l t e m a t e df i l i n g ) 和标准法( s t a n d a r d i z e dt e c h n i q u e ) 。在预备走向 较直的根管时，根管成形效果较好，但对弯曲根管的修形效果较差，很难维 持原根管的解剖走向，会出现根尖偏移等意外现象，不利于后续的根管填充 。产生这种现象的原因在于器械在通过根管的弯曲处时，会出现弯曲变形， 此时的器械会由于回复变形能力对弯曲处的外侧壁产生回复力的作用。当使 用这些方法预备弯曲根管时，器械产生的回复力可对局部牙本质作不必要的 切削，造成弯曲根管近尖端的外侧壁牙本质被过度切削，严重时就会表现以 上所举到的情况。因此对于弯曲狭窄根管的治疗，一直是根管治疗的难点。 为了改变这种状况，1 9 7 5 年w e i n e t ”i 、1 9 8 4 年m o r g a n t 4 4 】和1 9 8 5 年r o a n e t 4 】 分别提出了逐步后退法( s t e pb a c k t e c h n i q u e ，简称s b 法) 、逐步前进法( c r o w n d o w n p r e s s u r e l e s s t e c h n i q u e ， 简称 c d法)和平衡力法 ( b a l a n c e df o r c et e c h n i q u e ，简称b f 法) ，以适用于弯曲狭窄根管的预备。 2 2 镍钛合金( n i t i ) 及其在根管预备器械制造中的应用 1 9 6 3 年，美国海军军械研究室( n a v a lo r d n a n c el a b o r a t o r y ) b u e h l e r 等【蚰i 偶然发现镍钛合金及其形状记忆效应，并称此合金为n i t i n o l ( n i c k e l t i t a n i u mn a v yo r d n a n c el a b o r a t o r y ) 。在过去的4 0 多年里，镍钛合金 因其优良的生物相容性、抗腐蚀性、机械性能、形状配忆效应和超弹性等特 哈尔滨i 程人学硕十7 _ 市论文 点，成为一种广泛应用于国防、机械、医学领域的金属材料。镍钛合金的形 状记忆效应，即指当一定形状的母相由相变结束温度爿，以卜冷却到马氏体结 束相变温度m ，以下形成马氏体，将马氏体在m ，以下温度形变，经加热至a ， 温度以上，伴随逆相变，材料会自动恢复其在母相时的形状；所谓的超弹性 是指试样在外力作用下产生远大于其弹性极限应变量的应变，在卸载时应变 可以自动恢复的现象m 】。镍钛合金的相变通常可以由温度的变化或应力的作 用引起，其形状记忆效应和超弹性的发生机理及特点分别如图2 2 和2 3 所 示。n i t i 合金会发生相变而不是其他合金通常出现的单纯的品格滑移，其与 不锈钢在变形时内部品格变化的区别如图2 4 所示，这使其在持续应力作用 f 的可恢复应变可以超过8 ，远远超过普通台金的最大弹性应变1 t “i 。 d i a g r a m m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f t h es h a p em e m o d e f r e c to f n i t ia l l o y 图2 2 镍钛合金形状记忆效应晶相变换示意图 哈尔滨j 程人学硕十学位论文 d e 1 w i n n e dm n r t e n s i t e d i a g r a m m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f t h es u p e r - e l a s t i c i t y e f f e c to f n i t ia l l o y 图2 3 镍钛合金超弹性晶相变换示意陶 满足虎克定律的弹性材料 h o o 鼬。l a s 岫 e 譬并“茹亨鹌w 稿 ；袋辩技辩 乳言i ! ) ( j ：、t 2 聪托气 超弹性材料 t r a n s f o r m a t i o n a ls u p e r - e l a s t i c i t ys e r ，t t - 、c c i ) “、o ：， 、，。；、q u ? ： 。警器逑、 c 。 ，j 、( 、，、 o 6 f 5 c ：，c d i a g r a m m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f t h e t e n s i l e b e h a v i o r o f s t a i n l e s ss t e e l a n d n i t is u p e r - e l a s t i ca l l o ya n dm e c h a n i s m s o f e l a s t i cd e f o r m a t i o n 图2 4 不锈钢和n i t i 合金拉伸弹性变形时晶格变化示意图 镍钛合金在临床牙科上的应用始于1 9 7 2 年a n d r e a s e n 的牙齿正畸矫形 报告m j ，而自1 9 7 5 年c i v j a n 等印l 和1 9 8 8 年w a l i a 等引1 发表的对镍钛合金丝的 1 1 uob。八丫+6t、， qnt=r，办 、，审01一瓣淤泓1 f、o0g羚藏躲_ 哈尔滨l ：程大学硕士学位论文 研究报告后，镍钛合金才诈式应用到根管器械的制造。在过去的2 0 多年的时 问罩，随着机械制造业、冶金业、材料科学的进步，镍钛台会的材料特性在 根管器械制造中得到了较好的体现。从上世纪9 0 年代全今相继发展出各种品 牌根管器械及制造厂商，如下列所示： 一l i g h t s p e e d ，t e c h n o l o g y i n c ，u s a ，m a x d e n t a l d 1 9 9 2 m i t yr o t af i l e s ，j sd e n t a lu s a ，l o s e rd 1 9 9 3 一，p r o f i l e ，f a d e n t s p l y m a i l l e f e rc h 19 9 3 一q u a n t e c2 0 0 0f i l e ，t y c o r l lu s a ：e n d o m a y e rd 1 9 9 6 - ，g t - r o t a r yf i l e s ，f a d e n t s p l y m a i l l e f e rc h l9 9 8 - h e r o6 4 2 ，m i c r o m e g af r a n c e1 9 9 9 一r a c e ，f k gd e n t a l ，c h1 9 9 9 一f l e x m a s t e r , f a v d w d 2 0 0 0 一p r o y a p e r , f a d e n t s p l y m a i l l e f e rc h 2 0 01 k 3 ，f a k e r r , d 2 0 0 1 各种不同截面、不同锥度及排屑空间等设计的镍钛合会根管器械也在临床中 得到广泛应用。 综上所述，镍钛合金因其独特的形状记忆效应、超弹性以及良好的生物 相容性在医学领域已经得到了广泛的应用。其特有的低