上頜無(wú)牙頜固定修復(fù)中5顆不同傾斜角度種植體的三維有限元分析

郭海波，湯春波，周儲(chǔ)偉，周逃林

由于拔牙后的牙槽嵴吸收、鼻竇氣化以及上頜骨的量和骨密度較低，種植支持咬合重建的無(wú)牙頜患者治療難度較大[1-2]。為解決這些問(wèn)題，Malo等首次提出“All-on-4”治療方法。基于短期臨床數(shù)據(jù)，該方案包括4顆即刻負(fù)重種植體(Nobel BioCare AG，Kloten，瑞士)，以支持基于短期成功的固定義齒。

國(guó)內(nèi)外研究對(duì)傾斜種植體的角度、分布等各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了大量的有限元分析(finite elements analysis，F(xiàn)EA)。認(rèn)為傾斜種植體在無(wú)牙頜上頜骨內(nèi)的應(yīng)用對(duì)形成良好的應(yīng)力分布有著積極的作用。然而理想的傾斜種植體傾斜角度以及數(shù)目尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。盡管理想傾斜角仍存在爭(zhēng)議，在“All-on-4”的治療方案中，后部種植體的最大角度是45°[3-4]，并且遠(yuǎn)端傾斜與成角度的基臺(tái)偏移相互抵消以減少修復(fù)體的懸臂長(zhǎng)度。此外，減少懸臂長(zhǎng)度會(huì)影響種植體-骨界面處的應(yīng)力以及植入物和假體部件上的應(yīng)力[5-6]，應(yīng)力分布導(dǎo)致微損傷積聚并可導(dǎo)致骨吸收[7-8]。主流思想認(rèn)為傾斜種植體的設(shè)計(jì)可以通過(guò)減小懸臂長(zhǎng)度進(jìn)而降低種植體和骨組織的應(yīng)力，形成良好的空間應(yīng)力分布[9-16]。

Bhering等比較“All-on-4”和“All-on-6”兩種不同的治療方法，得出結(jié)論，使用“All-on-4”可獲得種植體以及骨小梁中較小的rMin、rVM、rMax[17]。Gumrukcu等報(bào)道，當(dāng)植入物放置在同側(cè)時(shí)，遠(yuǎn)端種植體以0°、30°或45°傾斜時(shí)，在30°出現(xiàn)峰值von Mises應(yīng)力[18]。然而，遠(yuǎn)端植入物的傾斜度增加后，骨應(yīng)力是否減少尚未達(dá)成共識(shí)。

基于上述分析，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)傾斜種植體角度及數(shù)目不同的6組固定義齒修復(fù)體模型，并應(yīng)用FEA分析其綜合應(yīng)力得分的大小，選取應(yīng)力分布較好的一組，為臨床進(jìn)行合理的術(shù)前設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 獲得圖像數(shù)據(jù)

1.1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象 選擇一名頜骨條件良好的上頜無(wú)牙頜志愿者，女，62歲，下頜為天然牙。

1.1.2 儀器設(shè)備 意大利New Tom口腔錐形束CT機(jī)，比利時(shí)Mimics10.0影像控制系統(tǒng)，美國(guó)Geomagic Studio 12.0、法國(guó)CATIA V5R20、美國(guó)SPSS 22.0、法國(guó)Abaqus 6.9等軟件，德國(guó)BEGO種植體(直徑4.1 mm，長(zhǎng)度10 mm，為簡(jiǎn)化研究起見(jiàn)，植體去除螺紋)，3D CaMega光學(xué)三維掃描系統(tǒng)，3Shape D700激光掃描器等。

1.1.3 掃描 應(yīng)用錐形束CT(CBCT)機(jī)對(duì)該女性志愿者進(jìn)行掃描，測(cè)試對(duì)象取坐位，上下頜牙齒咬緊于咬合板，頭部固定，進(jìn)行顱頜面的掃描(層厚0.2 mm，電壓110 kV)，得到上頜骨二維掃描斷面圖像，檢查垂直校準(zhǔn)、法蘭克福校準(zhǔn)是否與患者頭部的正確位置對(duì)齊，對(duì)鼻根至下頜骨下緣之間這個(gè)范圍進(jìn)行掃描。得到數(shù)據(jù)，輸出DICOM格式，傳到計(jì)算機(jī)中。

1.2 有限元模型的建立

將DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 10三維成像軟件，采用Calculate 3D、閾值等命令重建不同部分結(jié)構(gòu)的圖像，建立無(wú)牙頜上頜骨的三維模型。利用Geomagic Studio軟件處理模型，使得上頜骨模型變平滑，最后用CATIA建模軟件建立上頜骨的實(shí)體模型。

1.3 建立種植固定義齒的三維有限元模型

運(yùn)用3Shape激光掃描器掃描患者的上頜種植固定義齒，生成STL數(shù)據(jù)檔，導(dǎo)入Geomagic Studio軟件，形成16～26短牙弓固定義齒修復(fù)體模型，導(dǎo)入CATIA軟件建立固定義齒實(shí)體模型。

1.4 建立種植體和基臺(tái)三維有限元模型

采用逆向工程建模方法，利用3D CaMega光學(xué)三維掃描系統(tǒng)掃描Bego種植體和基臺(tái)實(shí)體，對(duì)表面特征進(jìn)行三維影像測(cè)量?jī)x重建補(bǔ)充，實(shí)驗(yàn)中去除種植體的螺紋，最后把獲取的逆向特征參數(shù)利用正向建模工具構(gòu)造出種植體和基臺(tái)的實(shí)體模型。

1.5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)模型Ⅰ～Ⅵ 6個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停拷M模型內(nèi)均設(shè)置5顆種植體，自右至左開(kāi)始編號(hào)，分別為1、2、3、4、5號(hào)。1～5號(hào)植體的種植位點(diǎn)恒定不變，分別為15、13、11、23、25(國(guó)際FDI牙位標(biāo)記法)，以上述各牙位牙槽骨唇舌向(頰舌向)測(cè)量中點(diǎn)連線(xiàn)為軸向0°，設(shè)計(jì)每組模型不同的傾斜植體數(shù)目和近遠(yuǎn)中向傾角。種植體全部埋入上頜骨內(nèi)，模型設(shè)計(jì)見(jiàn)表1和圖1。按照設(shè)計(jì)，將建立的上頜骨、固定義齒和種植體三種有限元模型在CATIA 軟件中完成裝配，導(dǎo)入Abaqus 6.9，形成6個(gè)有限元分析模型。

圖1 有限元分析模型

表1 模型中植體的傾斜角度

表格中數(shù)值為正代表遠(yuǎn)中傾斜，數(shù)值為負(fù)代表近中傾斜

1.6 組織材料力學(xué)參數(shù)

將實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的組織材料假設(shè)成均勻連續(xù)材質(zhì)的各向同性線(xiàn)彈性材料，組織材料力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 材料力學(xué)參數(shù)

1.7 加載方式

咀嚼運(yùn)動(dòng)是種植義齒的負(fù)荷主要來(lái)源，垂直載荷是咀嚼力量的主要部分， 所以本次研究的加載方式設(shè)定如下：垂直加載，即將單側(cè)300 N的加載量在15的舌尖頰斜面處。

1.8 數(shù)據(jù)分析

將6組模型的相關(guān)數(shù)據(jù)錄入SPSS 22.0軟件，利用主成分分析法，進(jìn)行每組模型種植體表面和骨組織表面的綜合應(yīng)力得分計(jì)算，并比較大小。

2 結(jié) 果

在實(shí)驗(yàn)條件下得到4個(gè)有限元模型的種植體和固定義齒以及骨組織表面最大Mise應(yīng)力分布云圖，見(jiàn)圖2，Mise應(yīng)力值見(jiàn)表3和表4。

圖2 固定義齒、種植體表面和骨組織表面最大應(yīng)力值

由數(shù)據(jù)可以看出，每組模型的種植體表面應(yīng)力值呈現(xiàn)的規(guī)律是，1～4號(hào)種植體，其應(yīng)力值逐漸降至最低，4～5號(hào)小幅度升高；骨表面應(yīng)力值呈現(xiàn)由1～4號(hào)其應(yīng)力值逐漸降至最低，再順序由4～5號(hào)小幅度升高(圖3、4)。1號(hào)種植體表面最大應(yīng)力值呈現(xiàn)模型Ⅰ<Ⅳ<Ⅴ<Ⅱ<Ⅲ<Ⅵ，模型Ⅱ至Ⅵ分別較模型Ⅰ增高了28.17%、45.70%、7.90%、22.33%和57.04%。3號(hào)種植體表面最大應(yīng)力值，模型Ⅰ最高，模型Ⅱ至Ⅵ分別降低了29.19%、43.62%、23.48%、20.46%和16.44%。以模型Ⅰ的1號(hào)骨組織表面的最大Mise應(yīng)力值為基準(zhǔn)，模型Ⅱ～Ⅳ1號(hào)骨組織表面應(yīng)力值分別下降了10.12%、58.22%、18.35%,模型Ⅴ和Ⅵ分別升高了57.59%和12.65%，以模型Ⅲ下降程度最大，模型Ⅳ次之，模型Ⅱ最小。

表3 種植體表面應(yīng)力

表4 骨組織表面應(yīng)力

圖3 種植體表面最大應(yīng)力值

圖4 骨組織表面最大應(yīng)力值

3 討 論

傾斜種植的概念是首選的實(shí)時(shí)功能方案，它可以在單次手術(shù)中利用萎縮的無(wú)牙頜實(shí)現(xiàn)種植。通過(guò)種植體的傾斜，擴(kuò)大前后距離，在咬合中提供更好的負(fù)荷分布，避免長(zhǎng)懸臂距離，增加骨植入物接觸,使用更長(zhǎng)的植入物，從而獲得許多生物力學(xué)上的優(yōu)勢(shì)[19-20]。這個(gè)方法是通過(guò)種植體的戰(zhàn)略性定位和現(xiàn)有骨量的最大化利用來(lái)實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)在已經(jīng)迅速流行起來(lái)[20]。

多位學(xué)者的臨床研究以及實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在有限的無(wú)牙頜上頜骨骨質(zhì)范圍內(nèi)，種植體的直徑應(yīng)不小于4 mm，長(zhǎng)度不小于10 mm[21-26]。國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家研究發(fā)現(xiàn)增加種植體的數(shù)目并在前牙區(qū)和后牙區(qū)分散排列種植體的植入位置對(duì)形成良好的應(yīng)力分布有積極的作用[2]。Behnaz等[12]研究在進(jìn)行傾斜種植體的設(shè)計(jì)時(shí)，末端種植體傾斜角度在30°～45°之間會(huì)有效地減少咬合側(cè)向力對(duì)種植修復(fù)體的影響，并且Sugiura等[27]發(fā)現(xiàn)在有限元分析中傾斜種植體的位移量較軸向種植體小。與前述研究相反，韓麗會(huì)等[28]認(rèn)為前牙區(qū)唇腭矢狀面上的種植體傾斜角度應(yīng)在20°之內(nèi)，超過(guò)這一范圍的傾斜角度會(huì)增加應(yīng)力，加大種植失敗的風(fēng)險(xiǎn)。這也說(shuō)明采用傾斜種植體設(shè)計(jì)對(duì)形成良好的應(yīng)力分布會(huì)產(chǎn)生積極的作用。但是對(duì)于無(wú)牙頜種植體支持的固定義齒修復(fù)中傾斜種植體的明確數(shù)目、相應(yīng)角度的研究以及在前牙區(qū)放置傾斜種植體的研究尚少，這需要進(jìn)一步探索。

基于過(guò)往文獻(xiàn)及研究，本實(shí)驗(yàn)將5顆非對(duì)稱(chēng)種植體支持的固定義齒視為一個(gè)整體并進(jìn)行分析。固定義齒模型采用去除第二磨牙的短牙弓設(shè)計(jì)，避免了懸臂梁的存在。通過(guò)FEA，可以對(duì)生物材料和組織周?chē)膽?yīng)力進(jìn)行三維檢測(cè)，并能深入了解加載條件下的機(jī)械阻力。在咬合中壓力不垂直傳導(dǎo)，F(xiàn)EA現(xiàn)實(shí)壓力峰值出現(xiàn)在傾斜受力時(shí)[13, 24-25]。因此，在本研究的所有模型中，在假體的遠(yuǎn)端施加300 N，最大30°角的遠(yuǎn)中方向的咬合載荷。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)主成分分析，發(fā)現(xiàn)單純傾斜種植體數(shù)目的增加對(duì)種植體-固定義齒整體結(jié)構(gòu)的種植體表面Mises綜合應(yīng)力值的增加，自模型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅵ，其種植體表面的綜合應(yīng)力值呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。其中模型Ⅵ的綜合應(yīng)力值最高，其主要原因在于模型Ⅵ的1、2、3號(hào)種植體的表面應(yīng)力都相對(duì)最高，統(tǒng)計(jì)結(jié)果說(shuō)明在有限元分析中，采取軸向設(shè)計(jì)的末端種植體，其種植體表面的應(yīng)力較傾斜種植體的應(yīng)力大。設(shè)計(jì)傾斜種植體可以減小種植體的表面應(yīng)力，這也降低種植體出現(xiàn)機(jī)械并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)。

在傾斜種植體組中，骨組織表面的最大應(yīng)力值均出現(xiàn)在1號(hào)和5號(hào)種植體的近中皮質(zhì)骨以及后牙區(qū)的頰側(cè)皮質(zhì)骨。提示臨床上應(yīng)注意無(wú)牙頜固定修復(fù)體在隨訪過(guò)程中骨吸收可能出現(xiàn)的部位，為臨床做好種植修復(fù)術(shù)后的維護(hù)提供參考。從模型Ⅰ至模型Ⅲ的骨組織表面綜合應(yīng)力得分來(lái)看，隨著后牙區(qū)傾斜種植體數(shù)目遞增，維持前牙區(qū)種植體軸向設(shè)計(jì)，種植體-固定義齒整體結(jié)構(gòu)的綜合骨組織表面應(yīng)力逐漸減小，且3、4號(hào)種植體的骨組織表面應(yīng)力值在逐漸減小，這提示增加非前牙區(qū)的傾斜種植體數(shù)目，能有效降低前牙區(qū)骨組織受力。而從模型Ⅲ至模型Ⅳ來(lái)看，增加遠(yuǎn)中向傾斜種植體的傾斜角度，其末端種植體的骨組織表面應(yīng)力呈升高趨勢(shì)，這提示我們?cè)谶M(jìn)行多顆種植體設(shè)計(jì)時(shí)，采用非前牙區(qū)的傾斜種植體可能會(huì)增大整體的應(yīng)力。

在模型Ⅲ中，1～5號(hào)種植體周?chē)墙M織表面最大Mise綜合應(yīng)力均為最低值。其中1號(hào)及5號(hào)種植體周?chē)墙M織表面綜合應(yīng)力值下降最為明顯，相較于模型Ⅰ下降58.22%和76.74%。與角度相同，近中的模型Ⅳ比較，2～4號(hào)種植體骨組織表面綜合應(yīng)力改變不明顯，1號(hào)及5號(hào)骨組織表面綜合應(yīng)力下降明顯。原因可能是因?yàn)榍把绤^(qū)種植體的遠(yuǎn)中傾斜，種植修復(fù)體整體的應(yīng)力傳導(dǎo)軸向發(fā)生了改變，導(dǎo)致應(yīng)力更平均地分布到種植修復(fù)體的末端，傾斜植體的受力增大。但相比于模型Ⅰ，模型Ⅳ中1號(hào)和5號(hào)骨組織表面的應(yīng)力值仍然較低。由此可見(jiàn)，模型Ⅲ整體應(yīng)力分布較好，可以有效地降低應(yīng)力過(guò)大引起的種植體周?chē)俏找约氨憩F(xiàn)為此癥狀的種植體周?chē)祝瑫r(shí)也能減小種植體的機(jī)械損傷。

實(shí)驗(yàn)中，僅根據(jù)一位患者頜骨DICOM數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，并且種植體采用去除螺紋的設(shè)計(jì)、應(yīng)力為單一矢量方向的恒應(yīng)力、忽略了種植體和修復(fù)體粘接面之間的微小間隙等，這些均有一定的局限性，仍需日后更多的研究。

4 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)得出，上頜骨無(wú)牙頜種植固定修復(fù)中，非對(duì)稱(chēng)增加遠(yuǎn)中向傾斜種植體的角度，有利于獲得更好的應(yīng)力分布，前牙區(qū)種植體的對(duì)稱(chēng)遠(yuǎn)中向傾斜會(huì)明顯地減少前牙區(qū)種植體和骨組織表面的應(yīng)力，也會(huì)降低前牙區(qū)骨吸收以及固定義齒折斷的風(fēng)險(xiǎn)。