基于FA/TRIZ的錯頜畸形前方牽引矯治器設計方法研究

張芳蘭，姚宛彤，劉龍吉

基于FA/TRIZ的錯頜畸形前方牽引矯治器設計方法研究

張芳蘭，姚宛彤，劉龍吉

(燕山大學藝術與設計學院，河北 秦皇島 065000)

針對上頜前方牽引矯治器在使用過程中出現的舒適度低、佩戴不便等問題，提出基于功能分析(FA)和發明問題解決理論(TRIZ)相結合的集成設計方法。通過對上頜前方牽引矯治器的功能分析，建立功能、結構部件之間的關系，形成部件交互矩陣。應用TRIZ理論分析產生交互作用的部件與子功能之間的關系，形成功能-物場模型，并根據模型實際效用劃分其所屬類別，利用76個標準解尋找對應解決方法，獲得上頜前方牽引矯治器改良設計方案。利用有限元分析法(FEA)賦予相應的材質和作用力，建立對比實驗對方案進行評價分析。最終，以上頜前方牽引矯治器的創新設計方案實施為例，驗證了該集成方法以及評價方法的可行性。

錯頜畸形；前方牽引；功能分析；發明問題解決理論；有限元分析

安氏Ⅲ類錯頜畸形是一種常見的未成年人口腔疾病。隨著患者年齡增長，會造成面中部凹陷、上頜短縮和下頜前突，嚴重影響面容美觀[1](圖1)。

圖1 安氏Ⅲ類錯頜畸形

目前，上頜前牽引矯治方法是治療此類錯頜畸形的有效手段[2-3]。生長發育高峰前期進行上頜前牽引矯治可以較好地改善Ⅲ類凹面型。若不予及時矯治，待發展成嚴重的骨性畸形，則需要通過正頜手術聯合矯治解除畸形，增加了治療的難度與成本。因此，對安氏Ⅲ類錯頜畸形的早期干預矯治十分必要[4]。國內外學者一直致力于提高前方牽引的矯治效果，探討上頜前牽引的影響因素，改善上頜前牽引矯治器裝置，以期獲得較好的骨骼變化，達到改善凹面型目的。

常見的矯治器主要分為復合式面弓(圖2(a))和簡單式面弓(圖2(b))。2種矯治器在一定程度上均可以滿足矯正力學需求，但未考慮患者面部形態的差異性、佩戴舒適性、面部貼合度及使用心理等問題。

發明問題解決理論(teoriya resheniya izobreatatelskikh zadatch，TRIZ)常與其他創新設計方法集成應用，有效解決產品設計中矛盾問題，構建系統性的創新設計方法。例如，夏文涵等[5]將TRIZ理論與數學模型進行綜合研究設計，有效地解決產品設計過程中出現的相關問題，實現預期目標需求；朱秀娟和李克天[6]將TRIZ理論與功能分析集成，建立簡略矛盾矩陣，為家電類產品創新設計提供流程思路；周升銘[7]將可供性理論與TRIZ相結合，構建物場可供性模型，再綜合其他研究方法和工具，最終形成產品系統設計模型；文獻[8-9]均選用質量功能展開(quality function deployment，QFD)與TRIZ結合，將需求轉化為具體性能，減少人為因素的干擾等；錢煒苗[10]提出了一種FA/TOC/TRIZ集成方法，形成產品結構功能圖和系統結構圖，為產品設計前期問題研究、方案決策研究提供了思路和支撐。

圖2 常見矯治器

功能分析(function analysis，FA)是系統設計中確定產品功能結構的主要方法，有利于認識和理解產品工作原理及功能結構關系。通過對產品進行FA和結構分解，建立產品結構-功能聯系。顧文斌等[11]利用FA法對自動封裝機進行解構分析，根據分功能最優解，進行結構設計，得到可以對多種尺寸的紙箱進行自動封裝的產品設計方案；王峰等[12]將功能分析法應用于PVC扣板自動包裝機的設計中，最終提高設備生產效率，為同類設備設計提供了參考。

有限元分析(finite element analysis，FEA)主要利用數學近似的方法對真實的物體量進行模擬，將復雜的問題看成多個單元，并對每一單元進行求解推導，從而得到問題的解。其主要應用于機械、工程、流體、巖土、土木、橋梁、醫療等領域的模擬仿真研究，利于及時發現并解決設計問題，降低實驗成本。沈仙法和崔小龍[13]對機電產品木質包裝箱進行Ansys有限元模擬，在相同載荷條件下，分析2種不同包裝材質的強度和剛性，選擇最合適的包裝材料。胡驍穎[14]將有限元分析引入正畸領域，探究不同力對骨骼牙齒的影響，獲得最有效的矯正力大小。在設計領域，較多學者從人機工程學、產品舒適度等角度對產品進行有限元分析研究。張磊等[15]從人體生理結構、體壓分布、材料等方面對自行車座的受力情況進行仿真評價，為自行車座設計提供規范和依據；冉令朋等[16]分析耳機-耳廓之間的接觸壓強，以壓強分布情況對耳機舒適性進行客觀評價。

本研究將TRIZ理論與FA相結合，降低感性判斷對產品設計的影響。再利用FEA工具對產品方案進行評價分析，最終獲得基于FA/TRIZ集成方法的設計方案，完善上頜前方牽引矯治器的功能，提高佩戴舒適度。

1 FA/TRIZ集成方法

為提高產品用戶的滿意度、改良現存產品缺陷，將直接獲取到的用戶需求(潛在需求)描述進行關聯分析，梳理得出與設計直接相關的需求問題。通過FA確定概念設計階段的產品功能與結構的對應關系，利用TRIZ尋找解決問題的標準解法，輸出產品設計方案，進行有限元分析評價，得到系統的產品創新設計方法。在TRIZ理論中，對于物場模型的構建，一般采用直接分析法，以主觀判斷為主，缺乏系統的定性研究。

如圖3所示，利用FA/TRIZ集成方法，可有效降低人為主觀因素在產品設計過程中的干擾。再通過有限元分析，對產品方案進行客觀的評價分析研究。具體步驟如下：

步驟1.建立部件交互矩陣。通過產品FA，將產品按照使用功能和部件結構進行分解，確定部件之間的聯系。結合產品的使用對象和使用環境，確定產品與患者、環境三者之間的交互關系，形成產品系統交互矩陣。

步驟2.構造功能-物場模型。將各子功能與發生交互關系的部件進行關聯分析，確定部件之間發生交互關系所產生的作用場，形成功能-物場模型。根據交互作用產生的實際功能效應和產品需求問題，確定功能-物場模型的類型。

步驟3. 利用TRIZ工具求解。尋找符合用戶需求和產品結構的標準解法。根據標準解法確定方案設計方向和產品設計的具體方案。

步驟4. 進行產品方案評價。將求解得到的產品創新方案與現存產品進行FEA分析，從產品的舒適度、結構等方面進行分析研究。最終輸出基于FA/TRIZ集成方法的產品設計方案。

圖3 FA/TRIZ集成模型

2 上頜前方牽引矯治器設計研究

2.1 上頜前方牽引矯治器交互矩陣

功能是對某產品工作能力的形象化描述，可視為系統的輸入、輸出之間的關系。上頜前方牽引矯治器的黑箱模型如圖4所示，其輸入量為待矯正的牙齒、前方牽引、佩戴舒適等。輸出量為矯正的牙齒、信息反饋等。因此，可確定上頜前方牽引矯治器的總功能是改變牙齒的狀態。

圖4 上頜前方牽引矯治器黑箱模型

由于總功能在描述時具有抽象性和不準確性，因此對產品總功能進行分解。根據現存矯治器的功能特點以及產品總功能要求，采用由上至下的FA方法，用A(=1,2,3,···,10)表示各功能。上頜前方牽引矯治器功能分解過程如圖5所示。

根據矯治器的部件關系，可將其分解為口外部件(支抗部件)、口內部件、連接部件、施力部件?？谕獠考?支抗部件)用于抵消牽引所產生的反作用力，主要抗基部位是額部和下頜部。因此，口外部件由額墊、頦墊、連接面弓(簡單式和復雜式)組成。施力部件指用彈性橡膠圈連接口外支抗部件和連接部件。連接部件分為口外和口內部分：口內部件主要指通過外力作用使牙齒趨于整齊的各類牙列矯治裝置。圖6為構建上頜前方牽引矯治器的結構分解圖，用P(=1,2,3,···,8)表示各部件。

圖5 上頜前方牽引矯治器功能分解

圖6 上頜前方牽引矯治器結構分解

對矯治器、作用對象及環境三者共同構成的上頜前方牽引矯治系統進行分析。根據矯治器佩戴要求，將作用部位細分為：頭部、額部、下頜、口內矯治器；根據調研分析可知，作用環境主要為家庭。通過對矯治器的結構分解以及作用特點分析，構建交互關系矩陣。如圖7所示，其中“○”為存在交互關系；“-”為忽略交互關系；“×”為無直接交互關系。

圖7 上頜前方牽引矯系統交互矩陣

2.2 上頜前方牽引矯治器功能-物場模型

物場模型是TRIZ理論中問題分析工具之一，其將所有功能分解為2種物質和一種場。其中，物質可指任意實體，如：產品零部件、系統等，用“”表示；場可以是一種資源或能量，如：機械場、電場、化學場等，用“”表示。

根據物與場的交互作用，可將物場模型分為4類：有效完整的系統(A)：系統功能元素完整有效。不完整系統(B)：系統功能元素缺失。不足的完整系統(C)：效應未能有效實現，或效應不足。有害的完整系統(D)：產生與預期效應相反的、有害的效應。

將交互作用產生的效應與功能元進行匹配，構建功能交互模型，分析部件交互方式，確定交互作用的場，形成完整的功能-物場模型。根據前期的產品調研和用戶研究，探究表中功能-物場模型在實現功能過程中出現的效應，確定模型所屬類型。用M(=1,2,3,···,9)表示模型編號，1表示物質1，2表示物質2，表示作用場(表1)。

表1 上頜前方牽引矯治器功能-物場模型

2.3 上頜前方牽引矯治器方案求解

為準確提取到上頜前方牽引矯治器的使用需求和使用過程產生的潛在需求問題。本研究采用用戶訪談、文獻檢索、資料查找、專家訪問等綜合方法進行前期調研，并對獲取的問題描述進行分類研究，確定7個上頜前方牽引矯治器中存在的待解決問題需求，分別用1~7表示需求編號：1=佩戴舒適度、2=簡單面弓影響視線、3=復雜面弓影響睡眠、4=頦兜壓迫、5=監測矯正狀況、6=控制作用力、7=佩戴不便。

TRIZ通過對大量專利等分析研究，將發明問題分為標準問題和非標準問題2類。其中標準問題主要指基于技術系統進化可以改良和解決問題的方法。針對標準問題的解決辦法稱為發明問題標準解法。標準解法共分為5級，18個子級，共計76個[17]。根據表2可知模型1~9所屬類型，其中：模型1屬于C類物場模型，用1表示模型，如圖8所示。

圖8 M1功能-物場模型

結合前期調研分析，在使用上頜前方牽引矯治器時，會出現綁帶不牢固、佩戴不合適等問題。因此，對照發明問題標準解法，尋找最合適的解決方案。

在實現功能4和7時，出現效應不足的問題，參考發明問題標準解法(76個標準解)，找到解決問題的方法。最終選擇第2級中加強物場模型“使用毛細管和多孔物質(2.2.3)”、“動態性(2.2.4)”和“構造物質(2.2.6)”解決問題。因此，各功能-物場模型解決方案見表2。

表2 功能-物場模型標準解方案

研究分析可知模型1在產生效應時存在1~7的需求問題，且模型1關聯的部件為固定綁帶和頭部(忽略)，因此依據存在的需求問題對固定綁帶進行方案求解分析。對其他模型進行分析，確定部件與待解決需求問題的直接聯系，結合部件所屬模型及類別，進行方案設計研究，最終獲得產品設計方向。如圖9所示，其中“+”為增加結構，“-”為替代結構。

根據產品設計方向進行研究，最終得到產品改良設計方案，如圖10所示。

改良后的上頜前方牽引矯治器具有動態調節和實時監測功能。矯治器頭圈可根據不同患者頭部大小進行彈性變化，面弓部分可進行橫向滑動，患者可根據使用需求進行面弓調節。如圖11(a)所示，在夜間使用時可將面弓移到中間位置，降低夜間佩戴對睡眠的影響。如圖11(b)所示，在白天使用時，可將面弓移到兩側位置，降低面弓對視線的影響。

在矯治器頦兜部分增加了距離傳感器和紅外傳感器，可實時監控牙齒的位移變化和佩戴矯治的時長，同時在口外固定鉤上增加壓力傳感器，可以監測對牙齒施加拉力的情況，為遠程醫療提供數據支持。

圖9 產品設計方向

圖10 上頜前方牽引矯治器改良方案

圖11 矯形器兩種佩戴狀態

3 方案評價

3.1 有限元分析評價

采用Abaqus有限元仿真分析方法，需要對模型進行材料的定義、仿真模型的前處理、邊界條件的設定、舒適性評價等操作。

根據研究對象的特性賦予模型相應的材質，以模擬材料真實的物理屬性，為仿真分析做前期的準備。本研究將矯正器簡化為包含3種材料屬性的部件，分別為ABS部件、金屬材質連接桿部件，以及海綿材質頭帶軟墊，上述材料具體參數見表3。

為了更好地模擬矯正器的受力情況，將矯形器各部件進行規范處理，減少面的數量和曲線的數量，保障網格劃分的精確和標準。為保障網格劃分的精度，獲得模型的精確解，本研究采取全局細化網格處理方法。同時，將頦兜部分設定為方向約束，頭圈部分設定方向約束，對口外固定鉤施加8 Pa大小的壓強。

表3 材料屬性

3.2 結果對比

為了便于結果分析，計算過程沿頭圈環向設置監測路徑，獲得頭圈的等效位移和應力曲線，如圖12所示。

圖12 應力和等效位移曲線對比圖

根據圖12(a)所示，改良前后矯形器應力變化趨勢相同，根據對應力大小分析發現：原矯形器的應力最大值為1.48 Pa，改良后矯形器應力最大值為0.62 Pa。通過對矯形器的改良，將應力減少58.1%。對頭部的壓迫力減少，提高佩戴的舒適度；通過對等效位移曲線分析，發現改良后的位移值大于原矯形器位移，分析可知：改良后矯形器頭圈圍長要大于原矯形器。因此，改良后矯形器頭圈兩端的等效位移變化較大。

4 結束語

(1) 本研究構建了基于FA/TRIZ集成創新方法模型，并將其應用于上頜前方牽引矯治器改良設計中。通過有限元分析評價，驗證了該集成方法的可行性。

(2) 通過構建部件交互矩陣原型，形成了產品功能-物場模型，為產品方案設計確定方向。

(3) 以患者為中心，對錯頜畸形前方牽引矯形器進行改良設計，最終提高了產品的矯治效果和佩戴舒適度。

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Application research on the KJ/FA/TRIZ integration method in anterior maxillary traction appliance design

ZHANG Fang-lan, YAO Wan-tong, LIU Long-ji

(School of Art and Design, Yanshan University, Qinhuangdao Hebei 065000, China)

Aimed at solving such problems as discomfort and inconvenience of the maxillary anterior traction appliance, an innovative design method based on FA and TRIZ was proposed. The relationship and the component interaction matrix between the functions and structures were established based on the FA. The TRIZ was adopted to analyze the connections between the interacted components and sub-functions, thus forming the function-field model. Its categories were divided based on the actual utility. Then 76 standard solutions were employed to address problems, thereby obtaining an improved design of appliance. Finite element analysis was made to evaluate the redesign scheme by giving the materials and forces. A comparative experiment was undertaken to evaluate the redesign scheme. Finally, the feasibility of the FA/TRIZ integration method andevaluation method was verified through the implementation of the innovative design of the maxillary anterior traction appliance.

malocclusion; anterior traction; function analysis; theory of inventive problem solving; finite element analysis

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2020030438

A

2095-302X(2020)03-0438-08

2019-12-02；

2020-03-29

2020年度河北省教育廳普通高等學校青年拔尖人才計劃項目(BJ2020088)；河北省社科基金項目(HB19YS004)；2018年河北省專業學位教學案例(庫)立項建設項目(KCJSZ2018021)

張芳蘭(1980-)，女，陜西寶雞人，副教授，博士，碩士生導師。主要研究方向為產品創新設計理論與方法、人因工程。E-mail：fanglanzhang@163.com