自然牙根和種植體聯(lián)合支持的覆蓋義齒三維有限元模型的建立

高　翔　柴　健王忠厚周振平(包頭醫(yī)學院口腔學院修復教研室，內蒙古　包頭　04000)

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自然牙根和種植體聯(lián)合支持的覆蓋義齒三維有限元模型的建立

高翔柴健1王忠厚1周振平2(包頭醫(yī)學院口腔學院修復教研室，內蒙古包頭014000)

〔摘要〕目的建立自然牙根和種植體聯(lián)合支持的覆蓋義齒的三維有限元模型，為分析相關的生物力學特征提供數字模型。方法采用CT技術、計算機圖像處理系統(tǒng)及Solidworks有限元軟件建模，建立了包括牙齒、牙周膜和牙槽骨、種植體、磁性附著體的三維有限元模型。結果所建立的模型能重現牙頜組織的形態(tài)，能夠進行三維顯示及編輯，并可模擬不同工作狀況下各節(jié)點的力學改變。結論CT輔助有限元建模技術能精確建立自然牙根和種植體聯(lián)合支持的覆蓋義齒的三維有限元模型。

〔關鍵詞〕磁性附著體;覆蓋義齒;有限元模型;三維重建

1包頭醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院口腔科

2吉林大學機械工程學院生物力學教研室

第一作者:高翔( 1972－)，女，主任醫(yī)師，碩士，碩士生導師，主要從事固定義齒研究。

牙齒缺失后會給老年人帶來咀嚼不便，且牙槽嵴嚴重萎縮，前庭溝變淺，患者唾液稀薄等原因常導致義齒固位力差，嚴重影響身心健康〔1〕。為了解決老年人缺失牙導致的咀嚼功能下降問題，種植體越來越多地應用于口腔修復臨床。在種植覆蓋義齒上部結構設計中，常用按扣式附著體、磁附著體、桿卡式附著體等來改善義齒的固位功能。磁性附著體是利用磁引力可調節(jié)移位或脫位的具有良好固位力的固位裝置，可顯著改善老年全口覆蓋義齒修復中的療效與牙周健康狀況〔2，3〕。保存余留牙放置固位體進行全口覆蓋義齒修復，可顯著減慢牙槽嵴的吸收，改善修復后牙齒松動度與提高患者的主觀滿意度〔4〕。因磁性附著體固位方式臨床操作簡便，療程短，固位好，咀嚼效能高，費用相對低，患者易于摘戴和清潔，受到臨床醫(yī)師和患者的歡迎〔5〕。許多學者對磁性附著體在口腔內的應用進行了一些臨床和基礎方面的研究〔6～9〕。但對種植體支持的磁性附著體覆蓋義齒支持組織應力分布的研究，目前報道較少。本研究建立自然牙根和種植體混合支持的磁性固位全口覆蓋義齒的三維有限元模型，進行相關生物力學研究。

1材料與方法

1. 1標本來源選擇一名牙列完整、牙周組織正常、無任何口腔病變的健康女性志愿者，作為被測試對象。

1. 2 CT掃描被檢對象取仰臥位，頦部抬高，使下頜下緣與水平面垂直，頭部固定，并戴用預先制作的咬合板，使被測者微張口，避免上、下牙列接觸重疊。掃描全過程中，要求口腔處于安靜狀態(tài)〔10〕。使用日立公司Turbo CT掃描機，掃描條件120 kV，125 mA，1．0 s。掃描時，掃描標志線與下頜骨下緣平行，由下至上進行橫斷面掃描，直至髁狀突頂端。其中自髁狀突頂端至下頜骨下緣斷面間距為2 mm，共獲得31張斷層影像;另外，自中切牙切端至磨牙根尖，間距為1 mm，獲得31張斷層影像。

1. 3 CT圖像的處理以及數據的讀取將CT膠片使用Arroy公司透掃儀進行透掃，通過其配套軟件將圖像轉換為TIF格式圖片保存，再使用Adobe公司的Photoshop 6．0專業(yè)圖像處理軟件讀取圖片。根據軟件自帶的坐標系讀取下頜骨和牙齒的各層輪廓坐標，再根據其所在斷層數值，將其每層輪廓曲線的二維坐標輸入Excel表格轉化為純文本曲線文件格式保存。

圖1裝配完成后的牙齒

1. 4模塊化三維有限元模型的建立及網格的劃分系統(tǒng)硬件:建模軟件使用Solidworks，有限元分析軟件使用Cosmos/ Work 6．0分析模塊。使用Solidworks曲線工具中的通過自由點的樣條曲線調用已保存的各斷層輪廓曲線，再通過放樣，分別形成下頜骨、3、4、5、6、7的牙根以及34567的牙冠部分。牙周膜的生成采用牙根反向抽殼，厚度為0．25 mm。這樣每顆牙都有牙冠、牙根、牙周膜三部分，分別做成單獨文件保存(見圖1裝配完成后的牙齒)。種植體是直徑為3．75 mm、長15 mm的圓柱體;磁性附著體采用Magfit EX600(日本國愛知制鋼株式會社出品)，銜鐵的尺寸為3．8 mm×2．8 mm×1．0 mm;磁體的尺寸為3．8 mm×2．8 mm×1．8 mm。無牙頜下頜骨是將有牙下頜骨進行修整而獲得。黏膜是根據無牙下頜骨的形態(tài)和輪廓，在前牙區(qū)、尖牙區(qū)、前磨牙區(qū)及磨牙區(qū)分別取輪廓線作為放樣曲線，以下頜牙弓線為放樣引導線，生成黏膜塊;將黏膜塊反向抽殼，生成全口義齒的基托，將黏膜塊與下頜骨疊加，取型腔，而形成黏膜，牙槽嵴區(qū)黏膜厚度為2 mm。將3、4、5、6的牙冠排列于全口義齒基托上，形成全口義齒。根據臨床情況，將一至二個自然牙根排列在尖牙區(qū)，種植體排列在尖牙區(qū)或磨牙區(qū)。根據自然牙根和種植體上銜鐵的位置確定磁體在全口義齒基托內側的位置，再將磁體裝配到全口義齒上，最后將帶自然牙根和種植體的下頜骨裝配體與帶磁體的全口義齒裝配體進行組裝，形成完整的模型(見圖2)。兩個裝配體之間為自由式接觸關系。

圖2下頜覆蓋義齒模型

模型完成后，利用分析模塊Cosmos/Works 6．0對模型進行網格的自動劃分，其中對于要求細劃的零件進行手工設定，自動劃分的單元均為四面體。

1. 5模型分組由于尖牙的獨特生理解剖特點，使得口內最后余留的多是尖牙牙根，因此本實驗中設計的自然牙根位于尖牙區(qū)，而種植體位于尖牙區(qū)和磨牙區(qū)。①兩對磁性附著體:模型Ⅰ:兩自然牙根組;模型Ⅱ:兩種植體組;模型Ⅲ:一側自然牙根、一側種植體組。②三對磁性附著體:模型Ⅳ:兩自然牙根、一種植體;模型Ⅴ:兩種植體、一自然牙根(種植體在兩側) ;模型Ⅵ:兩種植體、一自然牙根(種植體在同一側)。

1. 6實驗條件假設模型中的材料和各種組織之間是連續(xù)的，模型中涉及的材料和組織均簡化為均質的和各向同性的線彈性材料，材料變形為小變形，種植體與頜骨形成了完全骨整合，加載時義齒和支持組織不產生相對滑動。選用材料的力學參數。見表1。

表1選用材料的力學參數

2結果

經過網格劃分后，模型Ⅰ共有364 128個節(jié)點，250 125個單元;模型Ⅱ共有204 693個節(jié)點，135 484個單元;模型Ⅲ共有153 755個節(jié)點，108 095個單元;模型Ⅳ共有222 939個節(jié)點，158 731個單元;模型Ⅴ共有183 815個節(jié)點，129 730個單元;模型Ⅵ共有186 131個節(jié)點，131 333個單元。

3討論

本實驗中牙周膜的獲得是通過將牙根反向抽殼而得到，這樣牙根周圍都有一層牙周膜包繞，更符合真實情況，因此計算結果也會更接近現實情況。

另外，本實驗中建模的特色在于將整個模型分為若干個模塊保存，如每個牙齒都分為牙根、牙冠、牙周膜三個零件分別保存;下頜骨也可以被任意地切割、裁剪，這樣我們可以非常方便地根據研究目的選擇相應的零件裝配成所需的模型進行研究。至于改變冠根比或牙周膜厚度等，則更為簡單:只需改變相應的數值即可。這為今后的研究提供了極大的便利，更由于避免了模型的重復建設而節(jié)省了大量的人力、物力。

本實驗中模型的約束條件是將兩側下頜角處作Z方向約束。因為考慮到了下頜骨本身的形變，所以此種約束方式較單純約束下頜骨下緣的方法更接近臨床實際。研究中發(fā)現，大多數情況下，最大壓應力和最大拉應力發(fā)生在近中頰側和遠中舌側，提示應力的分布與下頜骨本身的形變有一定的關系〔11，12〕。

以前許多學者認為，覆蓋義齒粘固磁體時，必須使根帽與磁體間保留約0．1 mm的緩沖間隙，以免義齒承受牙合力時，牙合力過于集中于基牙而導致基牙損傷〔13，14〕。而有限元法分析的前提是連續(xù)的介質，那么有限元法是否不適用于磁性附著體覆蓋義齒呢?肖雪等〔15〕研究認為，緩沖間隙的存在會造成以下不良影響:①降低義齒的固位力。有研究表明，磁性附著體的固位力隨著磁體與根帽之間的距離的增大而明顯下降，當二者間距離達0．1 mm時，固位力下降30%〔16～18〕。因此緩沖間隙的存在必將導致磁體與根帽間吸引力的明顯減小，降低義齒的固位力;②對基牙和支持組織產生不利影響。磁體與根帽間的吸引力是持續(xù)存在的，當二者間存在間隙時，此吸引力會吸引下頜全口覆蓋義齒下沉，使下牙槽嵴軟硬組織處于持續(xù)受壓狀態(tài);同時基牙受到持續(xù)向上的吸引力，雖然緩沖間隙已使吸引力的大小明顯下降，但其力值仍遠遠大于使牙齒發(fā)生移動所需的矯治力，長期作用的結果必將導致下牙槽嵴軟硬組織的吸收和基牙的過萌，從而使緩沖間隙逐漸減小直至消失，并對基牙和支持組織產生不利影響。所以目前認為磁體與根帽之間不應留有間隙。

綜上，CT輔助有限元建模技術能精確建立自然牙根和種植體聯(lián)合支持的覆蓋義齒的三維有限元模型，所建立的模型能重現牙頜組織的形態(tài)，能夠進行三維顯示及編輯，并可模擬不同工作狀況下各節(jié)點的力學改變，以更好指導臨床為老年患者服務。

4參考文獻

1賈素俠．種植桿卡式覆蓋義齒在老年人修復中的應用〔J〕．中國老年學雜志，2013; 33( 14) : 3467－8．

2韋舜．磁性附著體義齒固位修復與咀嚼能力的相關性研究〔J〕．海南醫(yī)學院學報，2013; 19( 7) : 986－8．

3姚希，謝雷，李昀生，等．磁性附著體和球帽附著體在下頜覆蓋全口義齒修復中的臨床對比研究〔J〕．中華老年口腔醫(yī)學雜志，2011; 9( 4) : 234－8．

4王彥紅，秦哲．磁性附著體和卡環(huán)固位體對基牙牙周健康的影響〔J〕．解放軍預防醫(yī)學雜志，2012; 30( 5) : 358－60．

5邸萍，林野，李健慧，等．種植體支持磁性附著體固位覆蓋義齒的臨床應用〔J〕．中華口腔醫(yī)學雜志，2006; 41( 4) : 193－5．

6郭中華．磁性附著體的臨床應用〔J〕．中華老年口腔醫(yī)學雜志，2008; 1( 6) : 60－2．

7吳小勇．磁性附著體與傳統(tǒng)卡環(huán)固位體在老年全口覆蓋義齒修復中的療效及對牙周健康的影響〔J〕．中國老年學雜志，2013; 33( 20) : 5011－3．

8賀聰才．磁性附著體在口腔修復中臨床分析〔J〕．當代醫(yī)學，2012; 18 ( 7) : 100－1．

9夏麗，陳增平，楊亞莉．無牙頜牙弓嚴重不調行雙重上前牙全口義齒修復的力學及臨床分析〔J〕．重慶醫(yī)學，2011; 40( 14) : 1442－3．

10鄭元俐，張富強，陳笠，等．采用牙CT技術建立完整下頜骨三維有限元模型〔J〕．實用口腔醫(yī)學雜志，2000; 16( 2) : 134－6．

11 Meijer HJ，Kuiper JH，Starmans FJ，et al．Stress distribution around dental implants: influence of superstructure，length of implant，and height of mandible〔J〕．J Prosthet Dent，1992; 68( 1) : 96－102．

12 Kydd WL，Mandly J．The stiffness of palatal mucopericosem〔J〕．J Prosthet Dent，1967; 18( 2) : 116－21．

13 Nogawa A．Study on the dynamic behowior of mandibular distal－extension removable pareial denture utilizing finite element method〔J〕．J Jpn Prosthet Soc，1989; 33( 6) : 1313．

14 Skinner EW，Philips RW．The science of dental material〔M〕．5th ed，Philadelphia: WB Saunders Co，1960: 194．

15肖雪，馮海蘭．磁性附著體在下頜全口覆蓋義齒中的臨床應用〔J〕．華西口腔醫(yī)學雜志，2000; 18( 4) : 232－4．

16 Meijer HJ，Starmans FJ，Steen WH，et al．A three dimensional finite element analysis of bone around dental implants in an edentulous human mandible〔J〕．Arch Oral Biol，1993; 38: 491－6．

17趙銥民，歐陽官，高元，等．磁性固位覆蓋總義齒固位特性和咀嚼效率的定量研究〔J〕．中華口腔醫(yī)學雜志，1994; 29( 3) : 140．

18 Egawa Y，Kinouchi Y．Influences on attractive force in different clinical uses of a cup yoke magnetic attachment〔J〕．J Magn Dent，1996; 5( 1) : 31－42．

〔2014－05－17修回〕

(編輯安冉冉/曹夢園)

基金項目:包頭市科技發(fā)展項目( 2010S2001－2－3)

〔中圖分類號〕R783. 6

〔文獻標識碼〕A

〔文章編號〕1005-9202( 2016) 02-0416-03;

doi:10. 3969/j. issn. 1005-9202. 2016. 02. 077