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      不同臨床設(shè)計(jì)的ERA附著體義齒修復(fù)下頜牙列游離端缺損的三維有限元分析

      2017-11-29 18:32:00李曉娜劉洋HongGuan
      關(guān)鍵詞:基托斜向基牙

      李曉娜 劉洋 Hong Guan

      不同臨床設(shè)計(jì)的ERA附著體義齒修復(fù)下頜牙列游離端缺損的三維有限元分析

      李曉娜 劉洋 Hong Guan

      目的研究3 種不同臨床設(shè)計(jì)ERA附著體義齒修復(fù)下頜遠(yuǎn)中游離端缺損的應(yīng)力及位移分布。方法建立ERA附著體義齒修復(fù)下頜遠(yuǎn)中游離端缺損的三維有限元模型,根據(jù)臨床設(shè)計(jì)分為基本組、支托組和跨弓組。應(yīng)用有限元法研究在垂直及45°斜向2 種載荷方向100 N的作用下,基牙及基托下黏膜的應(yīng)力和位移以及基托的位移情況。結(jié)果2 種載荷下3 組模型均在遠(yuǎn)中基牙遠(yuǎn)中鄰面肩臺(tái)出現(xiàn)應(yīng)力集中,遠(yuǎn)中基牙預(yù)備體咬合面位移最大,支托組基牙位移最大,分別為14.91 μm和63.09 μm,其次為基本組(9.38 μm和50.56 μm),跨弓組最小(8.85 μm和47.31 μm)。結(jié)論在本研究條件下,為遠(yuǎn)中游離端牙列缺損設(shè)計(jì)基本的ERA附著體義齒更趨于合理。

      有限元分析(FE); 局部義齒; ERA附著體; 應(yīng)力

      口腔種植技術(shù)的發(fā)展改變了口腔修復(fù)的理念,種植義齒的舒適與高咀嚼效率被越來(lái)越多的患者所接受。隨著老齡人口的迅速增加,患者個(gè)人的身體原因、局部的骨質(zhì)骨量及經(jīng)濟(jì)原因等,可摘局部義齒仍然是一種不可完全替代的修復(fù)方式。附著體義齒相對(duì)常規(guī)的可摘局部義齒在穩(wěn)定性、功能、美觀等方面優(yōu)勢(shì)明顯。近年來(lái)一種簡(jiǎn)單易用的ERA半精密彈性附著體在臨床上應(yīng)用廣泛且取得了較好的使用效果[1-3], ERA附著體義齒的臨床設(shè)計(jì)形式多樣,臨床醫(yī)生該如何選擇缺乏依據(jù),本研究從生物力學(xué)的角度出發(fā),采用有限元法分析3 種不同臨床設(shè)計(jì)的ERA附著體設(shè)計(jì)對(duì)基牙及基托下黏膜的應(yīng)力及位移、基托位移的影響,推測(cè)出較為合理的設(shè)計(jì),為臨床修復(fù)設(shè)計(jì)提供參考。

      1 材料與方法

      1.1 下頜牙列及牙齒模型的建立

      選擇牙列完整、牙齒排列正常、咬合關(guān)系正常、牙周組織健康的男性志愿者1 名,年齡23 歲,簽署知情同意書。對(duì)其下頜骨及牙齒進(jìn)行多層螺旋CT(Siemens,德國(guó))掃描,獲得DICOM 數(shù)據(jù)。在Mimics 10.01軟件(Materialise,比利時(shí))中讀取DICOM數(shù)據(jù),生成實(shí)體模型以STL格式輸出。運(yùn)用Geomagic studio 9逆向行工程軟件(Raindrop,美國(guó))對(duì)STL模型進(jìn)行曲面優(yōu)化,無(wú)縫連接,完成下頜骨及下頜部分牙齒模型的三維重建,并以IGES格式輸出。將幾何模型以IGES的格式導(dǎo)入到 Hypermesh 9.0有限元前后處理器(Altair Engineering,美國(guó)),進(jìn)行二次幾何清理,用四節(jié)點(diǎn)四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,生成三維有限元網(wǎng)格模型。牙周膜及黏膜在牙根及皮質(zhì)骨的模型基礎(chǔ)上利用軟件的相關(guān)命令生成,分布為0.2 mm和2 mm。

      1.2 ERA附著體模型的建立

      模型上去除下頜右側(cè)第一和第二磨牙,平滑牙槽骨表面為游離端缺損區(qū),第一、第二前磨牙向內(nèi)做減法,形成烤瓷聯(lián)冠,嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)Stern ERA(Sterngold 美國(guó))的幾何尺寸建立陰陽(yáng)極扣的幾何模型,參考臨床上扣的位置關(guān)系將烤瓷聯(lián)冠與陰極扣相連。在缺損區(qū)的上面做加法形成基托、人工牙,并預(yù)先將扣的位置預(yù)留出來(lái)以容納陽(yáng)極扣,完成基本的ERA附著體修復(fù)模型。該模型由固定部分的基牙、烤瓷聯(lián)冠及陰極扣,可摘部分的基托、陽(yáng)極扣及人工牙構(gòu)成。研究中將之稱基本組;在該模型的基礎(chǔ)上,沿著黏膜表面和烤瓷聯(lián)冠的舌側(cè)外展隙形成聯(lián)合支托,稱支托組;在基本模型的基礎(chǔ)上,沿著黏膜表面和對(duì)側(cè)第二前磨牙表面形成舌桿和卡環(huán)構(gòu)成的金屬支架部分,稱跨弓組(圖 1)。

      圖 1 三類設(shè)計(jì)的三維有限元模型

      1.3 三維有限元模型的建立

      將上述三維實(shí)體模型導(dǎo)入到Ansys 11.0軟件(ANSYS,美國(guó))軟件中,定義四節(jié)點(diǎn)四面體單元為Solid45單元,設(shè)定實(shí)常數(shù),定義材料屬性,設(shè)定模型的邊界條件,施加載荷,進(jìn)行預(yù)分析,判斷模型的應(yīng)力分布情況,并對(duì)模型有效性進(jìn)行驗(yàn)證分析及修改。

      1.4 實(shí)驗(yàn)假設(shè)和材料屬性

      研究中設(shè)置所有材料屬性為連續(xù)均質(zhì),各項(xiàng)同性的線彈性材料。骨皮質(zhì)、骨松質(zhì)、牙本質(zhì)、牙周膜、黏膜、鈷鉻合金(冠基底,扣的金屬部分及支架),尼龍(陽(yáng)極扣)、人工牙、基托、烤瓷的彈性模量分別設(shè)定為13 700、1 370、18 600、68.9、1、200 000、2 400、3 200、2 352、69 000 MPa,泊松比分別為0.30、0.30、0.31、 0.45、 0.37、 0.33、 0.40、0.35 、0.35、 0.28。義齒基托組織面與黏膜之間的摩擦系數(shù)為0.30[4],支架與基牙之間,支架與黏膜之間分布為滑動(dòng)摩擦關(guān)系,摩擦系數(shù)分布為0.2和0[5-6]。

      1.5 邊界條件,載荷條件,算法及應(yīng)力分析

      對(duì)下頜骨下端施加固定約束,對(duì)人工牙咬合面中央窩分別施加垂直和斜向舌側(cè)45°靜載荷:第一磨牙和第二磨牙各施加100 N于中央窩[7]。陰陽(yáng)極扣之間的鎖結(jié)關(guān)系用主從位移算法模擬。分析過程中調(diào)整模型的網(wǎng)格精度,保證模型的準(zhǔn)確性。觀察聯(lián)冠基牙的應(yīng)力和位移,基托下黏膜的應(yīng)力和位移,基托的位移。

      2 結(jié) 果

      2.1 基牙的應(yīng)力及位移

      3 組模型中,最大應(yīng)力均集中于第二磨牙遠(yuǎn)中鄰面頸部的肩臺(tái)處,位移均集中于第二磨牙預(yù)備體頰側(cè)遠(yuǎn)中及遠(yuǎn)中鄰面頰側(cè),最大值位于牙軸邊緣嵴,2 種載荷下,3 組模型的應(yīng)力及位移分布類似(圖 2,表 1~2)。

      2.2 缺損區(qū)牙槽嵴黏膜的應(yīng)力和位移

      垂直載荷下,應(yīng)力集中區(qū)位于人工牙對(duì)應(yīng)的基托下方的牙槽嵴頂上的黏膜中,遠(yuǎn)中略大于近中;斜向載荷下,應(yīng)力集中區(qū)位于牙槽嵴頂舌側(cè),接近基托舌側(cè)邊緣的黏膜上。垂直載荷下,最大位移位于第二磨牙對(duì)應(yīng)的基托下黏膜區(qū);斜向載荷下,最大位移位于基托遠(yuǎn)中邊緣黏膜區(qū)(圖 3, 表 1~2)。

      ①: 第一前磨牙, ②: 第二前磨牙,紅色區(qū)應(yīng)力最大,深藍(lán)色區(qū)應(yīng)力最??; A: 垂直載荷下基牙應(yīng)力云圖; B: 斜向載荷下基牙應(yīng)力云圖; C: 垂直載荷下基牙的位移變化圖 (黑色網(wǎng)格圖形未加載之前的位置,紅色區(qū)位移最大,綠色區(qū)位移最小); D: 斜向載荷下基牙位移變化圖

      圖 2 基本組模型垂直及斜向載荷下基牙應(yīng)力及位移云圖

      ①:The first premolar;②:The second premolar; red area shows the maximal stress,dark blue area shows the minimal stress;A:Stress of the abutment under vertical loading;B:Stress of the abutment under oblique loading;C:Displacement of the abutment under vertical loading, black gridding is the position before loading, red area shows the maximal displacemet, green area shows the minimal displacement;D:Displacement of the abutment under oblique loading

      Fig 2 Contours of stress distribution and displacement of the abutment in the basic design group under vertical and oblique loading

      A: 垂直載荷下的應(yīng)力云圖(紅色區(qū)應(yīng)力最大,深藍(lán)色區(qū)應(yīng)力最小); B: 斜向載荷下的應(yīng)力云圖; C: 垂直載荷下的位移變化圖(黑色網(wǎng)格為加載前位置,紅色區(qū)位移最大,綠色區(qū)位移最小); D: 斜向載荷下的位移變化圖

      圖 3 基本組模型垂直及斜向載荷下缺損區(qū)黏膜的應(yīng)力及位移云圖

      A: Stress contour of mucosa under vertical loading; red area shows the maximal stress and dark blue shows the minimal stress; B: Stress contour of mucosa under oblique loading; C: Displacement of mucosa under vertical loading; black gridding is the position before loading, red area shows the maximal displacemet, green area shows the minimal displacement; D: Displacement of mucosa under oblique loading

      Fig 3 Contours of stress distribution and displacements of mucosa in the basic design group under vertical and oblique loading

      表 1 垂直加載條件下3 組模型基牙、黏膜、應(yīng)力(MPa)、位移(μm)及基托位移

      Tab 1 Stress(MPa) in the abutment and mucosa,displacement(μm) in the abutment , mucosa and denture base in the 3 groups under the vertical loading

      基牙黏膜基托應(yīng)力位移應(yīng)力位移位移基本組24.719.380.4618.9020.38支托組23.0414.910.4224.2524.45跨弓組22.428.850.4316.8218.10

      表 2 45 ℃斜向加載條件下3 組模型基牙、黏膜、應(yīng)力(MPa)、位移(μm)及基托位移

      Tab 2 Stress(MPa) in abutment and mucosa,displacement(μm) in the abutment , mucosa and denture base in the 3 groups under the 45° oblique loading

      基牙黏膜基托應(yīng)力位移應(yīng)力位移位移基本組46.8750.561.1183.4797.47支托組36.4563.090.78112.25118.52跨弓組38.9947.310.7981.2687.67

      2.3 基托位移

      垂直載荷下,最大位移位于第二磨牙對(duì)應(yīng)的基托處,斜向載荷下,最大位移位于基托遠(yuǎn)中邊緣。最大位移的位置與黏膜最大位移的位置一致,數(shù)值略大(圖 4,表 1~2)。

      A: 垂直載荷下位移(黑色網(wǎng)格為加載前位置,紅色區(qū)位移最大,深藍(lán)色區(qū)位移最小); B: 斜向載荷下位移

      圖 4 基本組模型垂直及斜向載荷下基托的位移云圖

      A: The displacement of denure base under vertial loading; black gridding is the position before loading, red area shows the maximal displacement and green area shows the minimal displacemen; B: The displacement of denture base under oblique loading

      Fig 4 Displacement of denture base in the basic design group under vertical and oblique loading

      2.4 3 組結(jié)果比較

      基牙的位移在垂直和斜向載荷下與基本組對(duì)比,支托組基牙及基托下黏膜的應(yīng)力下降但位移增加,基托位移也增加。垂直及斜向載荷下基牙的最大應(yīng)力分別下降了7%和22% ;位移分別增加了59%及25%??绻M與基本組對(duì)比,垂直及斜向載荷下基牙的最大應(yīng)力下降了9%和17%;位移分別下降了6%及7%。

      3 討 論

      游離端義齒修復(fù)中最常見的問題是基牙受到的扭力過大,黏膜受擠壓導(dǎo)致壓痛及創(chuàng)傷,即咬合力對(duì)軟硬組織形成不利影響。附著體中的可摘義齒部分不是固定在基牙上,但與基牙的連接方式比常規(guī)卡環(huán)固位的可摘局部義齒更為緊密。因此如何控制這部分義齒在功能負(fù)荷下可能發(fā)生的位移,對(duì)于保護(hù)基牙和維持義齒的穩(wěn)定性至關(guān)重要。本研究中的ERA附著體屬于萬(wàn)向鉸鏈?zhǔn)礁街w,可以將一部分牙力傳遞至缺牙區(qū)牙槽嵴,另一部分沿垂直方向傳導(dǎo)到基牙長(zhǎng)軸上;水平方向咬合力通過義齒整體的聯(lián)合設(shè)計(jì)而抵消[8]。本研究中根據(jù)臨床實(shí)際設(shè)計(jì)3 種形式的ERA附著體義齒,從基牙所受扭力,基托的位移及基托下黏膜的受力等角度去探討3 種設(shè)計(jì)的不同影響。

      本研究中,基牙的扭力從位移上去考量,發(fā)現(xiàn)在給定的載荷作用下,基牙的位移并不大,均未超出基牙可以承受的范圍。有學(xué)者認(rèn)為天然牙在側(cè)向力作用下可側(cè)向移動(dòng)56~108 μm[9]?;赖奈灰萍盎械奈灰? 組的結(jié)果一致,均為支托組位移最大,基本組次之,跨弓組最小。提示基牙與基托位移呈正相關(guān),基托的位移帶來(lái)的不穩(wěn)定也增加了對(duì)基牙扭力。研究結(jié)果支持Nakamura等[10]學(xué)者的結(jié)論。

      支托組中,部分咬合力從基托通過連接體及支托傳遞到基牙,這部分咬合力更趨于軸向,減小了可摘義齒部分對(duì)基牙形成的側(cè)向力,總體上減小了基牙上的最大應(yīng)力值,也減小了黏膜上的最大應(yīng)力值,但同時(shí)基牙的位移及基托的位移都增大了。尤其是在垂直載荷下,支托組的基牙位移增加了59%,說(shuō)明基牙及黏膜的應(yīng)力下降了,但基牙受到的扭力還是增大了。斜向載荷下黏膜應(yīng)力下降了約30%,但位移增加了34%,說(shuō)明黏膜受擠壓的幅度增加。2 種載荷下,基托的位移增加量都超過了20%。

      在跨弓組中,部分咬合力通過連接體傳遞到對(duì)側(cè)的牙弓,通過對(duì)側(cè)的間接固位體起到了平衡作用,減小了缺損側(cè)基托的位移,減小了基牙的應(yīng)力和位移,基托下黏膜的應(yīng)力和位移,但減小幅度并不大,除了基牙和黏膜應(yīng)力,位移減小幅度未超出11%。

      支托組和跨弓組中支架部分的設(shè)計(jì)降低了基牙應(yīng)力,尤其在支托模型中,但對(duì)基牙位移的影響不同,跨弓間接固位體對(duì)基牙應(yīng)力減小效果不及支托組明顯,但對(duì)基牙的扭力改善效果明顯優(yōu)于支托組。

      牙槽嵴黏膜遠(yuǎn)中應(yīng)力區(qū)的最大應(yīng)力值要高于近中,提示附著體的應(yīng)力緩沖作用;遠(yuǎn)中區(qū)域是由于義齒基托下沉產(chǎn)生的局部應(yīng)力,這與以往的研究結(jié)果一致[11]。3 組設(shè)計(jì)中基本組基牙的應(yīng)力最大,提示增加的支托及跨弓連接體將基托咬合力傳遞向前面或?qū)?cè)的基牙?;缹?duì)應(yīng)力的承受力遠(yuǎn)高于對(duì)位移的承受力,所以降低應(yīng)力不如減小位移更有助于對(duì)基牙的保護(hù)。

      載荷方向的影響很明顯,相對(duì)于不同的設(shè)計(jì),載荷方向影響更大,基牙及基托的最大位移斜向載荷下約為水平載荷下的4~5 倍;基牙及黏膜最大應(yīng)力,斜向載荷下約為水平載荷下的1.6~2.4 倍,載荷方向?qū)ξ灰频挠绊懘笥趯?duì)應(yīng)力的影響,說(shuō)明側(cè)向力對(duì)基牙的扭力及對(duì)基托的穩(wěn)定性影響較大。這與多數(shù)研究顯示的側(cè)向力的影響一致[12]。提示無(wú)論何種設(shè)計(jì),臨床在咬合設(shè)計(jì)上應(yīng)盡可能避免側(cè)向力。

      理論上,遠(yuǎn)中游離端可摘局部義齒必須通過剩余牙槽嵴獲得部分支持、穩(wěn)定和固位。應(yīng)設(shè)計(jì)間接固位體防止義齒從剩余牙槽嵴上翹起。ERA附著體的陰陽(yáng)結(jié)構(gòu)之間的卡扣力量足以抵抗義齒從牙槽嵴上的翹起,是否一定需要設(shè)計(jì)間接固位體仍需商榷??绻筮B接體帶來(lái)的異物感是可摘局部義齒不被患者接受的很大原因之一。

      本研究條件下,跨弓設(shè)計(jì)并沒有對(duì)基牙和黏膜下組織的應(yīng)力有很大幅度的改善,對(duì)位移的改善比應(yīng)力明顯,提示該設(shè)計(jì)中改善更多的是義齒的穩(wěn)定性,如果ERA附著體的卡扣力量,缺牙區(qū)牙槽嵴本身的約束力量可以維持基托部分的穩(wěn)定,這種跨弓設(shè)計(jì)就可以考慮省略了,單側(cè)磨牙缺失的單側(cè)設(shè)計(jì)修復(fù),臨床觀察也獲得了較好的治療效果[13-14]。如果牙槽嵴吸收比較嚴(yán)重,牙槽嵴結(jié)構(gòu)形態(tài)本身的約束及支持作用太小,從義齒的穩(wěn)定性角度,仍需要設(shè)計(jì)間接固位體穩(wěn)定部分可摘義齒。

      在本實(shí)驗(yàn)條件下,缺牙區(qū)牙槽嵴相對(duì)來(lái)說(shuō)比較豐滿,基本組的ERA設(shè)計(jì)可以滿足義齒的固位及穩(wěn)定要求,支托組中基牙的扭力,黏膜的擠壓及基托的動(dòng)度都超過了基本組,不建議考慮該設(shè)計(jì)??绻M設(shè)計(jì)對(duì)改善基牙扭力,黏膜擠壓及義齒穩(wěn)定性有一定改善但作用不大。因此,對(duì)于基牙比較健康缺損區(qū)牙槽嵴比較豐滿的牙列缺損,推薦基本的ERA附著體義齒設(shè)計(jì),人工牙注意降低牙尖斜度,盡可能減小側(cè)向咬合力。臨床工作中,具體設(shè)計(jì)仍需參考臨床具體情況去具體分析,本項(xiàng)研究結(jié)果仍需更多更長(zhǎng)遠(yuǎn)的臨床觀察效果去驗(yàn)證。

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      (收稿: 2016-09-23 修回: 2016-11-19)

      InfluenceofclinicdesignoftheprostheseswithERAattachmentfordistalextensiondefect:Athree-dimensionalfiniteelementanalysis

      LIXiaona1,LIUYang2,HongGuan3.

      1. 116021,DepartmentofSpecialClinic, 2.DepatmentofProsthodontics,DalianStomatologicalHospital,China; 3. 4222Queensland,SchoolofEngineering,GriffithUniversity,GoldCoastCampus,Australia

      Objective: To evaluate the stress distribution and displacement pattern in the restoration of Stern-ERA attachment mandible removable partial denture (RPD) with different designs through three-dimensional (3D) finite element (FE) analysis.Methods3D-FE models were established based on human CT data and manufacturer's catalog. Vertical and 45° lingual oblique forces of 100 N were applied on the artificial teeth of the RPD. Three ERA attachment partial dentures with different bracing arms were designed, namely the basic design, rest bracing arm design and cross-arch bracing arm design. The von Mises stresses and displacements of abutment teeth and mucosa under denture base were analysed. The displacement of denture bases was examined.ResultsUnder the vertical and oblique loading, the maximum von Mises stress was found at the distal shoulder on the distal abutment. The maximum displacement was observed at the buccal and distal occlusal surfaces of the distal abutment. The maximum displacement on the abutment was found to be the highest in rest bracing arm design group (14.91 μm and 63.09 μm), followed by the basic design group (9.38 μm and 50.56 μm) and the cross-arch bracing arm design group exhibited the smallest displacement (8.85 μm and 47.31 μm).ConclusionThe basic design Stern_ERA attachment for unilateral mandible distal extension defect appears to be more reasonable compared with rest arm and crossing-arch arm design from biomechanical point of view.

      Finiteelementanalysis(FE);Partialdenture;ERA-attachment;Stress

      116021, 大連市口腔醫(yī)院特診科(李曉娜), 口腔修復(fù)科(劉洋); 4222 Queensland, School of Engineering, Griffith University, Gold Coast Campus(Hong Guan)

      李曉娜 0411-84610370 E-mail:lixn0217@163.com

      R783.6

      A

      10.3969/j.issn.1001-3733.2017.01.021

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