郭曉寧，潘高，何炳蔚

(福州大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院, 福建 福州 350100)

0 引言

下牙頜神經(jīng)管是下頜牙槽骨內(nèi)重要解剖結(jié)構(gòu)，在臨床種植手術(shù)中，最常見的并發(fā)癥就是下牙頜神經(jīng)血管束的損傷，除了出血、下唇麻木外，也會影響牙種植體的骨整合[1]。且下頜神經(jīng)組織對機械張力反應(yīng)十分敏感，而下頜管位于張力相對恒定的下頜骨內(nèi)，骨的彈性變形只對神經(jīng)管產(chǎn)生很小的張力[2]。吳剛等[3]基于錐形束CT數(shù)據(jù)的下頜骨及神經(jīng)管重建和模型制作，使得醫(yī)生看到頜骨模型中下牙槽神經(jīng)管的走向，通過模擬拭鉆和定位，確定種植體長度，從而避免了對神經(jīng)管的損傷，大大降低手術(shù)風(fēng)險；鄧麗等[4]認(rèn)為下頜神經(jīng)管在第二磨牙區(qū)多數(shù)偏舌側(cè)，在第一磨牙區(qū)多數(shù)居中，在第二磨牙區(qū)及第一磨牙區(qū)偏頰側(cè)越過神經(jīng)管可得到的骨量理論上為10.46～11.19 mm。N.M.H. McLeod等[5]認(rèn)為，進行適當(dāng)?shù)男g(shù)前規(guī)劃是避免神經(jīng)管損傷的關(guān)鍵。目前對種植鉆孔時關(guān)于神經(jīng)管的研究多數(shù)集中于相關(guān)病例和實際解剖方面[6-8]，針對鉆孔時神經(jīng)管壁所受應(yīng)力的研究還較少。若能在鉆孔之前了解下頜神經(jīng)管壁所承受的節(jié)點最大應(yīng)力，將有助于鉆孔位置的選擇，提前避免對下頜神經(jīng)管的損傷。

基于此，本文首先根據(jù)下頜骨的CT文件建立了含單側(cè)下頜神經(jīng)管的松質(zhì)骨有限元模型，根據(jù)臨床中常用的種植體尺寸(10 mm)來模擬鉆孔深度，在ABAQUS軟件中進行仿真計算，獲得其不同深度時對應(yīng)神經(jīng)管壁所受最大應(yīng)力。依據(jù)計算結(jié)果分析種植鉆孔時下頜神經(jīng)管各區(qū)域所受到的不同影響程度，為實際種植手術(shù)提供參考數(shù)據(jù)。本文以Von Mises應(yīng)力作為衡量神經(jīng)管壁節(jié)點應(yīng)力的主要指標(biāo)，一般認(rèn)為，等效應(yīng)力能客觀反映所受應(yīng)力的情況[9]。

1 材料與方法

1.1 松質(zhì)骨有限元模型的建立

下頜骨分為皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨[10]，在下頜神經(jīng)管上部區(qū)域皮質(zhì)骨厚度較薄，平均為2 mm[11-12]，在皮質(zhì)骨內(nèi)的種植鉆孔過程中對神經(jīng)管的影響極小，可忽略皮質(zhì)骨部分的作用，將模型設(shè)為松質(zhì)骨內(nèi)的鉆孔對下頜神經(jīng)管的作用。

選取一名無牙列，牙頜各方面正常的患者CT數(shù)據(jù)。下頜骨的三維形狀由DICOM格式的CT文件導(dǎo)入到mimics軟件中建立，通過3-matic軟件的Hollow功能得到牙槽骨內(nèi)部的松質(zhì)骨模型，并在geomagic軟件中進行光順、去噪處理，生成igs曲面片格式文件導(dǎo)入到有限元分析軟件abaqus中做進一步的分析計算。下頜神經(jīng)管由下頜孔進入并在頦孔出來，距離尖牙根處最遠，距離為15.75 mm±4.01 mm，距離第二磨牙根處最近，距離為12.82 mm±1.99 mm[13]，且種植體端部距離神經(jīng)管的安全距離為2 mm[14-15]，選取其平均直徑為2.2 mm，在abaqus中建立含左側(cè)下頜神經(jīng)管的松質(zhì)骨有限元模型如圖1所示。

圖1 含左側(cè)神經(jīng)管的松質(zhì)骨有限元模型

松質(zhì)骨設(shè)為均勻、線彈性、各向同性材料，材料屬性為彈性模量1.37 GPa，泊松比0.3，有限元模型選取4節(jié)點4面體單元。種植體鉆孔的位置應(yīng)遵循生物力學(xué)原則，盡量避免應(yīng)力集中并分散合力，并參考臨床中使用的種植體尺寸[16]來模擬鉆孔深度。由此分別建立松質(zhì)骨第一磨牙區(qū)、第二磨牙區(qū)以及第一前磨牙區(qū)下各鉆孔深度分別為0 mm，2 mm，5 mm，8 mm的有限元模型，各模型單元數(shù)和節(jié)點數(shù)見表1。

1.2 鉆削力和邊界條件

選取鉆頭直徑4mm，轉(zhuǎn)速1 200r/min，進給速度50mm/min的醫(yī)用鉆頭，假設(shè)鉆頭在皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨時的鉆削力不改變，根據(jù)醫(yī)用鉆頭鉆削力的回歸方程[17]：

F=-71.20+17.98d+0.05n+1.12f-7.21×10-3dn-9.38×10-3df-2.90×10-4nf+4.13d2-1.37×10-5n2-1.04×10-3f2

計算可得鉆削力F為106.6N。

其中：d為鉆頭直徑，n為鉆頭轉(zhuǎn)速，f為鉆頭進給速度。

以此力作為各不同深度下的鉆削力，來比較相同鉆削力下各區(qū)域鉆孔時對下頜神經(jīng)管的影響，并在牙根軸線方向施加。將松質(zhì)骨底部表面設(shè)為ENCASTER約束。

表1 各區(qū)域下不同鉆孔深度時模型的單元數(shù)和節(jié)點數(shù)

2 鉆孔深度分析

確定各不同區(qū)域下不同鉆孔深度時下頜神經(jīng)管壁節(jié)點最大應(yīng)力。選取鄰近鉆孔底面的神經(jīng)管壁各節(jié)點，得出鉆孔深度為0mm、2mm、5mm、8mm時各鉆孔區(qū)域節(jié)點最大應(yīng)力值，如表2所示。

表2 各鉆孔深度下不同鉆孔區(qū)域管壁節(jié)點最大應(yīng)力值

3 結(jié)果分析

如圖6所示為各磨牙區(qū)鉆孔時，對應(yīng)不同深度下頜神經(jīng)管壁最大節(jié)點應(yīng)力折線圖。由圖2可知，在靠近上頜孔的第二磨牙區(qū)實施種植鉆孔時，隨著鉆孔深度的增加，下頜神經(jīng)管壁節(jié)點最大應(yīng)力隨之增加，且增加幅度明顯高于第一磨牙區(qū)與第一前磨牙區(qū)時的應(yīng)力值，在深度為8 mm時，管壁節(jié)點應(yīng)力值最大。在實施種植鉆孔時需充分考慮鉆頭距離神經(jīng)管位置，避免造成損傷。而在鄰近的第一磨牙區(qū)鉆孔時，管壁節(jié)點最大應(yīng)力值增加幅度減小，在鉆孔深度為8 mm時最大應(yīng)力值為1.176 MPa，低于相同深度下第二磨牙區(qū)的最大應(yīng)力，相對更安全。而在第一前磨牙區(qū)鉆孔時，由下頜神經(jīng)管的空間走向可知[4]，其距離第一前磨牙根處較遠，而計算結(jié)果也符合這一預(yù)估。在鉆孔深度為2～4 mm時，距離最近的神經(jīng)管壁節(jié)點最大應(yīng)力變化較為平緩，且隨著深度的增加。管壁節(jié)點應(yīng)力值變化幅度相對第二、一磨牙區(qū)最小，在鉆孔最大深度8 mm時，下頜神經(jīng)管壁節(jié)點最大應(yīng)力僅為0.911 MPa，表明在第一前磨牙區(qū)實施種植鉆孔時最為安全，可鉆骨量更充足。

圖2 各區(qū)域不同鉆孔深度下管壁最大節(jié)點應(yīng)力折線圖

下頜神經(jīng)管是一種骨密質(zhì)管道并存在于松質(zhì)骨內(nèi)，在種植鉆孔時需充分考慮頜骨上緣至神經(jīng)管壁的距離，這一距離是牙種植鉆孔深度的安全范圍，取決于存在兩者之間的骨量多少。松質(zhì)骨具有較大的體積量，其內(nèi)部應(yīng)力較小并向根部遞減[13]。選取下頜松質(zhì)骨作為鉆孔的主要模型，采用遞增的鉆孔深度，考慮到松質(zhì)骨表面的皮質(zhì)骨層厚度為2 mm左右，臨床使用的種植體長度多為10 mm左右。選擇松質(zhì)骨內(nèi)最大鉆孔深度為8 mm，此結(jié)果與范錫印等[18]認(rèn)為的最大深度9.5～12.0 mm相符，符合臨床情況。最終仿真計算結(jié)果表明：在第二磨牙區(qū)實施鉆孔時，下頜神經(jīng)管距離鉆頭最近，受到的影響程度最大；在第一前磨牙區(qū)時，神經(jīng)管距離鉆頭最遠，受到的影響程度也最小，因此在實際種植鉆孔，需在第二、一磨牙區(qū)鉆孔時，應(yīng)選擇與軸線傾斜一定的角度種植，以避免對神經(jīng)管的損傷，保證充分的種植效果，這一點也與馮文顥等[13]對下頜神經(jīng)管的解剖研究一致。本文的研究結(jié)果對臨床牙種植鉆孔提供了參考數(shù)據(jù)，并具有一定的指導(dǎo)意義。例如在臨床中，選擇不同型號鉆頭鉆孔時，可先建立仿真模型，模擬不同區(qū)域鉆孔時，下頜神經(jīng)管受到的影響程度，以調(diào)整鉆頭的鉆削方向，保證鉆孔的有效進行。

4 結(jié)語

鉆孔的位置選擇對下頜神經(jīng)管的影響至關(guān)重要，相同鉆孔深度下，靠近下頜孔的第二磨牙、第一磨牙區(qū)鉆孔對其下部區(qū)域神經(jīng)管影響較大?？拷W孔的前磨牙區(qū)鉆孔對其影響更小，可允許的鉆孔骨量更大。在磨牙區(qū)實施種植鉆孔時，鉆頭可與牙根軸線成一定角度，以減小對其下部區(qū)域神經(jīng)管的損傷程度。

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