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研究生:林益豐
研究生(外文):Yi-Feng Lin
論文名稱:結合品質工程及有限元素法探討小臼齒MOD復形於靜態及熱耦合之生物力學分析
論文名稱(外文):Biomechanical analysis of adhesive MOD restoration using FEA and Taguchi method under static and static-thermal coupled conditions
指導教授:林峻立林峻立引用關係
指導教授(外文):Chun-Li Lin
學位類別:碩士
校院名稱:長庚大學
系所名稱:醫療機電工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:170
中文關鍵詞:有限元素法田口方法小臼齒MOD
外文關鍵詞:finite element analysisTaguchi methodMOD
相關次數:
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針對牙齒結構大範圍缺損而言,臨床上大多以非直接法牙體復形作為治療,以恢復牙齒幾何外型及結構強度,然而窩洞修形設計、界面間隙控制、填補材料選用、溫度變化及受力條件等因素使得牙齒力學行為變得更複雜,致使牙醫師使用非直接法進行治療時常感疑惑,故有必要針對上述因素進行小臼齒MOD窩洞復形之多參數生物力學行為探討。本研究以逆向工程與電腦輔助工程設計建構小臼齒MOD窩洞復形實體模型,同時結合田口氏品質工程簡化分析模組,進行靜態與熱耦合有限元素分析之多參數探討(包括窩洞修形設計、填補材料選用、黏著層間隙控制及復形後口內溫度等),並以體外實驗來驗證有限元素模型之合理性,最後利用變異數分析計算各個影響因子所佔權重百分比。研究結果顯示,在靜態模擬分析時影響剩餘齒質與黏著層最顯著因子皆為負載給定,其次為狹部寬度與黏著層硬度,其中側向力無論在靜態或熱耦合分析狀態下,其彎矩效應皆會使得牙齒有較大應力值產生,因此會建議臨床醫師可透過咬合調整方式,減少咬合面承受之側向咬合力。而彈性係數較低之黏著層有助於降低剩餘齒質與界面應力,主要是因為在咬合力的作用下較軟的黏著層可以作為緩衝,吸收來自咬合所造成的應力,而黏著層厚度的選擇對於牙體影響並不顯著。在無咬合考量熱耦合分析部分,可以發現無論在任何時間點影響剩餘齒質與黏著層最顯著因子皆為填補材料,最主要原因在於複合樹脂的熱膨脹係數較高所造成。而在有咬合考量熱耦合分析部份,其結果顯示當模型處於高溫狀態時,影響剩餘齒質最顯著之影響因子為填補材料,而當模型處於低溫狀態時,影響最顯著之因子則為負載給定,且低溫狀態下各影響因子影響比例及趨勢與靜態模擬分析時雷同,整體而言,為避免牙齒處於高溫時產生過大熱應力值,會建議臨床醫師進行窩洞復形時,選用熱膨脹係數較低之陶瓷復形材料。
While repairing the Class II MOD carious lesion, biomechanical performance of the restored tooth is one of the most important factors influences the resistance to restoration failure. Although consideration factors of restorative cavity involving cavity preparation design, restorative materials selection, adhesive layer adaptation and physiological condition are realized to the mechanical complications. Therefore, the aim of this study was to determine the relative contribution of changes (design factors) in cavity dimension, restorative material, adhesive layer modulus and thickness and loading condition on the biomechanical response of a premolar adhesive Class II MOD restoration using finite element analyses under static and static-thermal coupled conditions. Validated finite-element model was used to simulate the mechanical responses and the Taguchi method was employed to identify the significance of each design factor in controlling the stress. For the static analysis, the results showed that the increased stress values were noted in remaining tooth and resin cement with lateral force, narrow cavity isthmus width and higher modulus of luting cement under static condition. Restorative material, luting cement thickness, cavity depth and interaxial thickness were found with no significant effect for stress values in tooth and cement. Attaining a proper occlusal scheme design or selective occlusal adjustment to reduce the lateral occlusal force and application of low modulus luting material to obtain a better force-transmission mechanism are recommended. For the static-thermal coupled analysis without occlusal force, the results showed that the restorative material was the most critical factor governing the thermal stress elevation in remaining tooth and resin cement under static-thermal coupled condition without occlusal force. This result may be attributed to the coefficient of thermal expansion of composite resin. For the static-thermal coupled analysis with occlusal force, the restorative material was also found the most critical factor in remaining tooth when the simulation was in high-temperature state. However, the occlusal force was the key issue in remaining tooth when the simulation was in low-temperature state. Furthermore the percentage contribution and the trend of the main effect plots were similar to the models under static condition. The results concluded that used the lower coefficient of thermal expansion restorative materials could achieve better force transmitted mechanism.
目錄
博碩士論文電子檔案授權書 ..i
指導教授推薦書 .ii
口試委員審定書 iii
長庚大學博碩士紙本論文著作授權書 iv
誌謝 .v
中文摘要 vi
英文摘要 viii
目錄 ..x
圖片目錄 ...xiii
表格目錄 xvi
第一章 緒論 1
1.1研究背景 1
1.1.1牙齒功能與結構及牙齒缺損原因概述 1
1.1.2牙體復形治療 4
1.1.3臨床大型窩洞復形及其影響因子 7
1.1.4電腦輔助工程分析 10
1.1.5品質工程分析 12
1.2研究動機 13
1.3文獻回顧 14
1.3.1小臼齒MOD之生物力學相關文獻 14
1.3.2田口工程設計法(田口氏品質工程) 18
1.3.3文獻總結 19
1.4研究目的 20

第二章 研究材料與方法 22
2.1研究流程概述 22
2.2小臼齒MOD電腦模擬分析之模型建構 22
2.2.1參數階層定義及模組簡化 22
2.2.2逆向工程 26
2.2.3有限元素模型建構流程 28
2.3有限元素模型驗證實驗 29
2.4小臼齒MOD窩洞復形之靜態模擬分析 31
2.5小臼齒MOD窩洞復形後表面溫度量測實驗 32
2.6小臼齒MOD窩洞復形之熱耦合模擬分析 34
2.6.1有限元素熱傳模擬分析 34
2.6.2有限元素熱耦合模擬分析 35
2.7田口氏最佳化分析 36

第三章 研究結果 37
3.1有限元素模型建構 37
3.2有限元素模型之驗證實驗結果 38
3.3電腦模擬分析結果 39
3.3.1靜態模擬分析結果 39
3.3.2熱傳溫度模擬分析結果 41
3.3.3熱耦合模擬分析結果 42
3.4電腦模擬分析結果之變異數統計分析 44
3.4.1靜態結構模擬分析之變異數分析 44
3.4.2熱耦合模擬分析之變異數分析 47

第四章 討論 52
4.1電腦模擬分析 52
4.1.1有限元素模型外型 53
4.1.2邊界條件與負荷條件設定 54
4.2電腦模擬分析結果之變異數分析統計 55
4.2.1靜態模擬分析之變異數分析 55
4.2.2無咬合考量熱耦合模擬分析之變異數分析 58
4.2.3有咬合考量熱耦合模擬分析之變異數分析 60
4.3有限元素模擬分析假設與限制 62
4.3.1基本假設 62
4.3.2負載給定 63
4.3.3模型驗證與收歛性測試 63

第五章 結論 64
參考文獻 65

圖目錄
圖1-1、口腔上顎牙齒構造 示意圖 68
圖1-2、牙齒構造示意圖 68
圖1-3、牙齒復形後圖 69
圖1-4、CEREC系統圖 69
圖1-5、CEREC系統製作過程 70
圖1-6、小臼齒MOD窩洞與填補物外型示意圖 71
圖1-7、黏著劑塗抹位置示意圖 71
圖1-8、有限元素分析之流程圖 72
圖1-9、本研究相關技術整合 73

圖2-1、本研究之流程圖 74
圖2-2、負載設定示意圖 75
圖2-3、MOD窩洞修形參數定義示意圖 76
圖2-4、四軸雷射掃描掃瞄機 77
圖2-5、3D立體迴饋雕塑機 77
圖2-6、教學用之標準上顎第二小臼齒實體模型 78
圖2-7、小臼齒外輪廓之三角網格資料 78
圖2-8、小臼齒外輪廓之線資料 79
圖2-9、依文獻所建構之體積 80
圖2-10、網格規劃圖 81
圖2-11、驗證實驗電腦模擬分析之邊界與負載條件示意圖 82
圖2-12、完整小臼齒放於特殊模具中 83
圖2-13、小臼齒黏貼應變計示意圖 83
圖2-14、試件置於MTS上並進行定位 84
圖2-15、靜態電腦模擬分析之邊界設定示意圖 85
圖2-16、小臼齒表面溫度量測實驗設備圖 86
圖2-17、小臼齒表面溫度量測實驗示意圖 87
圖2-18、小臼齒表面溫度量測實驗流程 88
圖2-19、熱耦合分析步驟示意圖 89

圖3-1、實體網格模型 89
圖3-2、Exp1模型各部位實體模型 90
圖3-3、電腦模擬驗證實驗之有限元素模型示意圖 91
圖3-4、應變計相對於Enamel頰側面處示意圖 91
圖3-5、靜態模擬分析剩餘齒質應力分佈情形 92
圖3-6、靜態模擬分析黏著層應力分佈情形 93
圖3-7、靜態模擬分析復形體應力分佈情形 94
圖3-8、小臼齒表面溫度量測實驗結果 95
圖3-9、小臼齒表面溫度量測實驗結果舌側與頰側平均值曲線 96
圖3-10、小臼齒表面溫度量測實驗結果平均值曲線 96
圖3-11、模組Exp1熱傳模擬分析剩餘齒質上溫度傳遞情形 97
圖3-12、模組Exp1熱傳模擬分析黏著層上溫度傳遞情形 98
圖3-13、模組Exp1熱傳模擬分析復形體上溫度傳遞情形 99
圖3-14、無咬合考量熱耦合分析剩餘齒質應力分佈情形 100
圖3-15、無咬合考量熱耦合分析黏著層應力分佈情形 101
圖3-16、無咬合考量熱耦合分析復形體應力分佈情形 102
圖3-17、有咬合考量熱耦合分析剩餘齒質應力分佈情形(t=1) 103
圖3-18、有咬合考量熱耦合分析黏著層應力分佈情形(t=1) 104
圖3-19、有咬合考量熱耦合分析補綴物應力分佈情形(t=1) 105
圖3-20、有咬合考量熱耦合分析剩餘齒質應力分佈情形(t=8) 106
圖3-21、有咬合考量熱耦合分析黏著層應力分佈情形(t=8) 107
圖3-22、有咬合考量熱耦合分析補綴物應力分佈情形(t=8) 108
圖3-23、有咬合考量熱耦合分析剩餘齒質應力分佈情形(t=35) 109
圖3-24、有咬合考量熱耦合分析黏著層應力分佈情形(t=35) 110
圖3-25、有咬合考量熱耦合分析補綴物應力分佈情形(t=35) 111
圖3-26靜態模擬剩餘齒質與黏著層各參數主要影響因子曲線圖 112
圖3-27靜態模擬分析復形體各參數之主要影響因子曲線圖 113
圖3-28無咬合熱耦合分析剩餘齒質主要影響因子曲線圖(t=1) 114
圖3-29無咬合熱耦合分析黏著層主要影響因子曲線圖(t=1) 115
圖3-30無咬合熱耦合分析剩餘齒質主要影響因子曲線圖(t=8) 116
圖3-31無咬合熱耦合分析黏著層主要影響因子曲線圖(t=8) 117
圖3-32無咬合熱耦合分析剩餘齒質主要影響因子曲線圖(t=35) 118
圖3-33無咬合熱耦合分析黏著層主要影響因子曲線圖(t=35) 119
圖3-34有咬合熱耦合分析剩餘齒質主要影響因子曲線圖(t=1) 120
圖3-35有咬合熱耦合分析黏著層主要影響因子曲線圖(t=1) 121
圖3-36有咬合熱耦合分析剩餘齒質主要影響因子曲線圖(t=8) 122
圖3-37有咬合熱耦合分析黏著層主要影響因子曲線圖(t=8) 123
圖3-38有咬合熱耦合分析剩餘齒質主要影響因子曲線圖(t=35) 124
圖3-39有咬合熱耦合分析黏著層主要影響因子曲線圖(t=35) 125


表目錄
表2-1田口氏L8直交表 126
表2-2研究參數及其水準定義 126
表2-3結合表2-2及L8直交表後定義出本研究電腦模擬分析模組 127
表2-4驗證實驗之電腦模擬分析材料特性表 128
表2-5靜態模擬分析之材料特性表 128
表2-6熱傳分析之材料特性表 129
表2-7熱耦合分析之材料特性表 129

表3-1驗證實驗之體外實驗應變值數據 130
表3-2驗證實驗之電腦模擬分析應變值數據 130
表3-3靜態模擬分析於各部位最大主應力值 131
表3-4無咬合考量熱耦合模擬分析最大主應力值 132
表3-5有咬合考量熱耦合模擬分析最大主應力值 133
表3-6靜態模擬分析各參數影響比例 134
表3-7無咬合考量熱耦合分析各參數影響比例 135
表3-8有咬合考量熱耦合分析各參數影響比例 136
附錄A英文論文文稿
附錄B中文論文文稿
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2.http://www.planetcerec.com/clinical/terminology.shtml
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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