正畸微種植體拉力測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)

【作者】蘇赫，武佩，王慧源，陳巖，包雪梅

1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特市，010018

2 內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院口腔科，呼和浩特市，010110

0 前言

在口腔正畸治療中，支抗控制是關(guān)鍵問題，穩(wěn)定的支抗是決定治療計(jì)劃和獲得良好治療效果的基礎(chǔ)[1]。正畸微種植體的研發(fā)為臨床正畸治療提供了可靠的支抗源，目前廣泛使用的微種植體為純鈦或鈦合金螺釘[2]，如圖1所示，其長(zhǎng)度為(2.0～14.0) mm，直徑為(1.0～2.0) mm[3-4]。

圖1 微種植體Fig.1 Micro implant

微種植體依靠螺紋與植入處骨組織形成機(jī)械鎖合而獲得良好的初始穩(wěn)定性，不需等待骨結(jié)合便能即刻承載正畸力，縮短了正畸矯治時(shí)間，為患者帶來(lái)了福音[5]。

在醫(yī)學(xué)上，為了評(píng)價(jià)和研究正畸微種植體的初始穩(wěn)定性，需測(cè)試微種植體的植入轉(zhuǎn)矩和拉出力。植入轉(zhuǎn)矩測(cè)試有專門的扭矩測(cè)試儀，但拉出力測(cè)試，未見有專門的測(cè)試裝置。由于微種植體螺釘尺寸較小，裝夾困難，且拉出力屬微小力測(cè)量，測(cè)試精度要求高，用常規(guī)的測(cè)力裝置，如萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)等難以完成，因此需設(shè)計(jì)專門的測(cè)力裝置。

為此，本文設(shè)計(jì)研究了一種專門用于口腔正畸微種植體的拉出力測(cè)試裝置，利用該裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)微種植體拉出過程的拉力測(cè)試，可實(shí)現(xiàn)拉力信號(hào)的采集、存儲(chǔ)，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。

試驗(yàn)測(cè)量頜骨不同位置內(nèi)微種植體的拉出力，將植入位置骨量值、骨密度值、植入轉(zhuǎn)矩值分別與拉出力值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，探討影響支抗種植體初期穩(wěn)定的因素，為臨床支抗種植體獲得良好的初期穩(wěn)定性提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 測(cè)試裝置工作原理

圖2 正畸微種植體拉力測(cè)試裝置簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic of a special device for measuring the pull-out force of orthodontic micro implant

圖3 頜骨夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Schematic of jaw clamp

如圖2所示，將植入微種植體的頜骨置于支承桿直方向。10上，用壓板8夾緊。轉(zhuǎn)動(dòng)支承桿，使微種植體7處于豎直方向，然后將支承桿固定。旋轉(zhuǎn)搖柄轉(zhuǎn)盤1，通過絲杠螺桿2的轉(zhuǎn)動(dòng)使升降座3帶動(dòng)數(shù)顯拉力計(jì)4及微種植體夾具6向下移動(dòng)，使微種植體處于夾具的正下方，擰緊壓板螺母9將頜骨固定。試驗(yàn)時(shí)，均勻緩慢地旋轉(zhuǎn)搖柄轉(zhuǎn)盤，使數(shù)顯拉力計(jì)帶動(dòng)夾具及微種植體勻速緩慢上升，直至微種植體被完全拉出。試驗(yàn)過程中，數(shù)顯拉力計(jì)以1000 Hz的采集速率將拉力值信號(hào)進(jìn)行采集并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中存儲(chǔ)和分析，輸出拉力值曲線及最大拉力值和平均拉力值。

2 主要零部件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)流程

首先，利用Pro/E三維建模軟件建立各零部件的幾何模型，再將各零部件虛擬裝配成一個(gè)完整的裝置，并對(duì)該裝置做運(yùn)動(dòng)干涉檢驗(yàn)。根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)部分零部件的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行修改和優(yōu)化。最后，在三維模型圖的基礎(chǔ)上生成平面工程圖，進(jìn)行加工制作[6]。

2.2 頜骨夾具的設(shè)計(jì)

頜骨夾具的設(shè)計(jì)要求是能方便地裝夾微種植體拉出試驗(yàn)所用的各種形狀和尺寸的頜骨，如上頜骨或下頜骨，并保證將微種植體沿垂直方向拉出。所設(shè)計(jì)的頜骨夾具如圖3所示。在裝夾形狀復(fù)雜的頜骨時(shí)，可以靈活調(diào)整頜骨的位置和角度；首先選擇好角度將頜骨放在支撐桿上，然后圍繞支承桿調(diào)整頜骨的位置，當(dāng)調(diào)整到所需位置時(shí)用壓板夾緊，通過此設(shè)計(jì)可以保證頜骨上每個(gè)植入微種植體的位置都可以移動(dòng)到拉力計(jì)的正下方；除此之外，繞支承小軸旋轉(zhuǎn)支承桿到所需角度，還可以保證傾斜植入的微種植體始終保持豎

2.3 微種植體夾具的設(shè)計(jì)

由于微種植體釘頭較小，因此其夾具的設(shè)計(jì)要求能將微種植體的釘頭夾住，并保證在拉出過程中始終能夾持住。而且由于經(jīng)常裝夾，夾具的材料應(yīng)選硬度較大的耐磨材料。為此，我們用一個(gè)(0～6) mm的手電鉆夾頭進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)對(duì)微種植體螺釘?shù)挠行A持。具體方法是：在鉆夾頭三個(gè)夾爪的適當(dāng)位置加工一個(gè)錐度，使其恰好能與微種植體頸部的錐度相配合，通過錐面的壓緊力始終能夾緊微種植體并將其順利拔出。微種植體夾具如圖4所示。

圖4 微種植體夾具Fig.4 Micro implant fixture

2.4 拉力測(cè)試方案的確定

該裝置的拉力測(cè)試采用香港山河儀器有限公司生產(chǎn)的YISIDA DS2/ZP高精度、高分辨率數(shù)顯拉力計(jì)，其準(zhǔn)確度優(yōu)于0.2級(jí)（±0.2% F.S±1 digit）； 能測(cè)試的最小力可達(dá)0.001 N，可顯示讀取拉出力的最大值，采用USB數(shù)據(jù)線與電腦通訊，進(jìn)行力信號(hào)的采集、儲(chǔ)存和分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果

連接拉力計(jì)與微種植體夾具，夾好微種植體，并打開數(shù)顯拉力計(jì)，開啟數(shù)據(jù)分析軟件，旋轉(zhuǎn)搖柄轉(zhuǎn)盤通過絲杠緩慢施加拉力，直至微種植體完全被拉出，同時(shí)得出此試驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)曲線，試驗(yàn)裝置，如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)裝置照片F(xiàn)ig.5 The picture of test device

圖6 試驗(yàn)曲線Fig.6 The test curve

為了驗(yàn)證測(cè)力裝置的有效性，用狗的下頜骨做了試驗(yàn)，并得到了拉出力的曲線圖，同時(shí)可讀出最大拉力和平均拉力，如圖6所示。另外，該裝置在內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院口腔科得到了實(shí)際應(yīng)用，結(jié)果表明，該裝置可以應(yīng)用于口腔治療中的正畸微種植體拉力測(cè)試。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)制作了一種專門用于口腔牙齒正畸治療中微種植體的拉出力測(cè)試裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，可實(shí)現(xiàn)對(duì)微種植體拉出過程中拉力信號(hào)的采集，存儲(chǔ)和分析處理，并輸出拉力變化曲線、最大拉力和平均拉力值。經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)、制造的裝置能滿足實(shí)際使用要求，可用于口腔牙齒正畸微種植體初始穩(wěn)定性、即刻承載力的測(cè)試分析。

[1]Saito S, Sugimoto N, Morohashi T, et al.Endosseous titanium implants as anchors for mesio distal tooth movement in beagle dog[J].Am J Orthod, 2000, 118(9): 601-607.

[2]劉甘露.微螺釘種植體支抗在口腔正畸中的臨床應(yīng)用[J].微創(chuàng)醫(yī)學(xué), 2008, (6): 601-603.

[3]陳巖, 李云華, 孟興凱, 等.口腔正畸微種植體的實(shí)驗(yàn)研究[J].內(nèi)蒙古醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào), 2006, 28(6): 507-509.

[4]楊光銀, 李曉智.微種植體支抗系統(tǒng)研究進(jìn)展[J].中國(guó)材料器械雜志, 2007, 16(1): 43-45.

[5]Roberts WE.When planning to use an implant for anchorage, how long do you have to wait to apply force after implant placement[J].Am J Orthod Dentofacial Orthop, 2002, 121(1): 14A.

[6]陳彥宏, 武佩.基于Pro/E轎車車輪防盜裝置的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2008, (8): 4-5.