【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，為患者帶來了福音[5]。

在醫(yī)學(xué)上，為了評價(jià)和研究正畸微種植體的初始穩(wěn)定性，需測試微種植體的植入轉(zhuǎn)矩和拉出力。植入轉(zhuǎn)矩測試有專門的扭矩測試儀，但拉出力測試，未見有專門的測試裝置。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量，測試精度要求高，用常規(guī)的測力裝置，如萬能試驗(yàn)機(jī)等難以完成，因此需設(shè)計(jì)專門的測力裝置。

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試裝置，利用該裝置可實(shí)現(xiàn)對微種植體拉出過程的拉力測試，可實(shí)現(xiàn)拉力信號的采集、存儲，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 測試裝置工作原理

圖2 正畸微種植體拉力測試裝置簡圖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)動使升降座3帶動數(shù)顯拉力計(jì)4及微種植體夾具6向下移動，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進(jìn)行采集并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中存儲和分析，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完整的裝置，并對該裝置做運(yùn)動干涉檢驗(yàn)。根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果對部分零部件的結(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植入微種植體的位置都可以移動到拉力計(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(0～6) mm的手電鉆夾頭進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)對微種植體螺釘?shù)挠行A持。具體方法是：在鉆夾頭三個夾爪的適當(dāng)位置加工一個錐度，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 拉力測試方案的確定

該裝置的拉力測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（±0.2% F.S±1 digit）； 能測試的最小力可達(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)行力信號的采集、儲存和分析。

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試。

4 結(jié)束語

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試裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，可實(shí)現(xiàn)對微種植體拉出過程中拉力信號的采集，存儲和分析處理，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、即刻承載力的測試分析。

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[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.