正畸微种植体拉力测试装置的设计

【作者】苏赫，武佩，王慧源，陈岩，包雪梅

1 内蒙古农业大学机电工程学院，呼和浩特市，010018

2 内蒙古医科大学附属医院口腔科，呼和浩特市，010110

0 前言

在口腔正畸治疗中，支抗控制是关键问题，稳定的支抗是决定治疗计划和获得良好治疗效果的基础[1]。正畸微种植体的研发为临床正畸治疗提供了可靠的支抗源，目前广泛使用的微种植体为纯钛或钛合金螺钉[2]，如图1所示，其长度为(2.0～14.0) mm，直径为(1.0～2.0) mm[3-4]。

图1 微种植体Fig.1 Micro implant

微种植体依靠螺纹与植入处骨组织形成机械锁合而获得良好的初始稳定性，不需等待骨结合便能即刻承载正畸力，缩短了正畸矫治时间，为患者带来了福音[5]。

在医学上，为了评价和研究正畸微种植体的初始稳定性，需测试微种植体的植入转矩和拉出力。植入转矩测试有专门的扭矩测试仪，但拉出力测试，未见有专门的测试装置。由于微种植体螺钉尺寸较小，装夹困难，且拉出力属微小力测量，测试精度要求高，用常规的测力装置，如万能试验机等难以完成，因此需设计专门的测力装置。

为此，本文设计研究了一种专门用于口腔正畸微种植体的拉出力测试装置，利用该装置可实现对微种植体拉出过程的拉力测试，可实现拉力信号的采集、存储，并将采集到的数据传输到计算机进行分析处理。

试验测量颌骨不同位置内微种植体的拉出力，将植入位置骨量值、骨密度值、植入转矩值分别与拉出力值进行统计学分析，探讨影响支抗种植体初期稳定的因素，为临床支抗种植体获得良好的初期稳定性提供试验依据。

1 测试装置工作原理

图2 正畸微种植体拉力测试装置简图Fig.2 Schematic of a special device for measuring the pull-out force of orthodontic micro implant

图3 颌骨夹具结构简图Fig.3 Schematic of jaw clamp

如图2所示，将植入微种植体的颌骨置于支承杆直方向。10上，用压板8夹紧。转动支承杆，使微种植体7处于竖直方向，然后将支承杆固定。旋转摇柄转盘1，通过丝杠螺杆2的转动使升降座3带动数显拉力计4及微种植体夹具6向下移动，使微种植体处于夹具的正下方，拧紧压板螺母9将颌骨固定。试验时，均匀缓慢地旋转摇柄转盘，使数显拉力计带动夹具及微种植体匀速缓慢上升，直至微种植体被完全拉出。试验过程中，数显拉力计以1000 Hz的采集速率将拉力值信号进行采集并传输到计算机中存储和分析，输出拉力值曲线及最大拉力值和平均拉力值。

2 主要零部件设计

2.1 设计流程

首先，利用Pro/E三维建模软件建立各零部件的几何模型，再将各零部件虚拟装配成一个完整的装置，并对该装置做运动干涉检验。根据检验结果对部分零部件的结构和尺寸进行修改和优化。最后，在三维模型图的基础上生成平面工程图，进行加工制作[6]。

2.2 颌骨夹具的设计

颌骨夹具的设计要求是能方便地装夹微种植体拉出试验所用的各种形状和尺寸的颌骨，如上颌骨或下颌骨，并保证将微种植体沿垂直方向拉出。所设计的颌骨夹具如图3所示。在装夹形状复杂的颌骨时，可以灵活调整颌骨的位置和角度；首先选择好角度将颌骨放在支撑杆上，然后围绕支承杆调整颌骨的位置，当调整到所需位置时用压板夹紧，通过此设计可以保证颌骨上每个植入微种植体的位置都可以移动到拉力计的正下方；除此之外，绕支承小轴旋转支承杆到所需角度，还可以保证倾斜植入的微种植体始终保持竖

2.3 微种植体夹具的设计

由于微种植体钉头较小，因此其夹具的设计要求能将微种植体的钉头夹住，并保证在拉出过程中始终能夹持住。而且由于经常装夹，夹具的材料应选硬度较大的耐磨材料。为此，我们用一个(0～6) mm的手电钻夹头进行改造，实现对微种植体螺钉的有效夹持。具体方法是：在钻夹头三个夹爪的适当位置加工一个锥度，使其恰好能与微种植体颈部的锥度相配合，通过锥面的压紧力始终能夹紧微种植体并将其顺利拔出。微种植体夹具如图4所示。

图4 微种植体夹具Fig.4 Micro implant fixture

2.4 拉力测试方案的确定

该装置的拉力测试采用香港山河仪器有限公司生产的YISIDA DS2/ZP高精度、高分辨率数显拉力计，其准确度优于0.2级（±0.2% F.S±1 digit）； 能测试的最小力可达0.001 N，可显示读取拉出力的最大值，采用USB数据线与电脑通讯，进行力信号的采集、储存和分析。

3 试验结果

连接拉力计与微种植体夹具，夹好微种植体，并打开数显拉力计，开启数据分析软件，旋转摇柄转盘通过丝杠缓慢施加拉力，直至微种植体完全被拉出，同时得出此试验过程的数据曲线，试验装置，如图5所示。

图5 试验装置照片Fig.5 The picture of test device

图6 试验曲线Fig.6 The test curve

为了验证测力装置的有效性，用狗的下颌骨做了试验，并得到了拉出力的曲线图，同时可读出最大拉力和平均拉力，如图6所示。另外，该装置在内蒙古医科大学附属医院口腔科得到了实际应用，结果表明，该装置可以应用于口腔治疗中的正畸微种植体拉力测试。

4 结束语

本文设计制作了一种专门用于口腔牙齿正畸治疗中微种植体的拉出力测试装置，该装置结构简单、操作方便，可实现对微种植体拉出过程中拉力信号的采集，存储和分析处理，并输出拉力变化曲线、最大拉力和平均拉力值。经实际试验验证，所设计、制造的装置能满足实际使用要求，可用于口腔牙齿正畸微种植体初始稳定性、即刻承载力的测试分析。

[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]刘甘露.微螺钉种植体支抗在口腔正畸中的临床应用[J].微创医学, 2008, (6): 601-603.

[3]陈岩, 李云华, 孟兴凯, 等.口腔正畸微种植体的实验研究[J].内蒙古医学院学报, 2006, 28(6): 507-509.

[4]杨光银, 李晓智.微种植体支抗系统研究进展[J].中国材料器械杂志, 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]陈彦宏, 武佩.基于Pro/E轿车车轮防盗装置的设计[J].机械设计与制造, 2008, (8): 4-5.