上頜竇底提升術(shù)后不同骨吸收高度種植體周圍應(yīng)力的三維有限元分析*

郭海濤 鄧引昕 馬 攀 劉長(zhǎng)營(yíng)

由于上頜骨內(nèi)存在著特殊的解剖結(jié)構(gòu)上頜竇，臨床上上頜后牙種植時(shí)常遇到牙槽骨高度不足，目前解決的方法主要是上頜竇底提升術(shù)[1，2]。但其臨床效果存在一定的局限性，部分患者經(jīng)上頜竇底提升術(shù)后出現(xiàn)不明原因的提升高度降低，長(zhǎng)期臨床觀察也發(fā)現(xiàn)上頜竇底提升術(shù)后提升部分存在骨吸收的情況較多[3]，使得種植體實(shí)際的骨結(jié)合高度小于自身長(zhǎng)度。研究認(rèn)為牙冠咬合負(fù)擔(dān)過(guò)重、應(yīng)力集中、上頜竇氣化等均會(huì)造成上頜竇內(nèi)新骨的吸收[4，5]。然而，目前關(guān)于負(fù)載后上頜竇內(nèi)骨吸收即新骨高度降低后種植體周圍應(yīng)力變化的研究相對(duì)較少。因此，本研究通過(guò)建立三維有限元模型，觀察經(jīng)上頜竇底提升術(shù)后發(fā)生竇內(nèi)骨吸收后種植體及其周圍剩余骨質(zhì)的應(yīng)力，分析不同骨吸收高度的種植體周圍應(yīng)力變化趨勢(shì)，為臨床提供一定的理論基礎(chǔ)。

1.材料與方法

1.1 材料

1.1.1 設(shè)備硬件NewTom VG CBCT (意大利)電壓110 kV，電流3.6 mA，重建層厚為0.125 mm。

1.1.2 軟件 建模軟件：Mimics 21.0 軟件（Materialise Company， Belgium）。 Geomagic Studio2014軟件（Raindrop Company，America）。Hypermesh14.0軟件（Altair Company， America）。有限元分析軟件：MSC.Patran2012前處理軟件（NASA Company，America）。MSC.Nastran2012后處理軟件（NASA Company， America）。

1.1.3 建模 選擇1 例僅上頜第一磨牙缺失的患者，此患者身體健康，顏面部外形基本正常，口頜系統(tǒng)基本正常，無(wú)明顯牙周病及牙槽骨吸收，咬合關(guān)系基本正常，無(wú)顳下頜關(guān)節(jié)疾病。拍攝CBCT。采用Mimics21.0 軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，重建出上頜竇及上頜骨三維幾何模型，并導(dǎo)出STL 格式文件。

1.1.4 網(wǎng)格劃分、材料參數(shù)設(shè)定以及邊界條件假設(shè) 在軟件中修補(bǔ)、降噪、曲面化，將處理后的幾何模型導(dǎo)出，將文件導(dǎo)入Hypermesh14.0 軟件，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，導(dǎo)出BDF 格式文件。在有限元軟件中定義材料參數(shù)、約束、載荷及工況計(jì)算（見表1）。

表1 上頜骨皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨，種植體、基臺(tái)及牙冠結(jié)構(gòu)材料參數(shù)[6]

1.2 方法

1.2.1 分組 建立經(jīng)上頜竇底提升術(shù)后，在理想軸向植入種植體模型，設(shè)定種植體直徑為4.5 mm，長(zhǎng)度為10 mm。按照經(jīng)上頜竇底提升骨結(jié)合良好并完成上部結(jié)構(gòu)修復(fù)（負(fù)載）后的骨吸收高度分組：0 mm組（無(wú)骨吸收）、2 mm組（骨吸收2 mm）、4 mm組（骨吸收4 mm）、6 mm組（骨吸收6 mm）。對(duì)各組種植體周圍的骨應(yīng)力進(jìn)行分析。

所有的有限元計(jì)算模型中，對(duì)骨骼上側(cè)進(jìn)行固定約束，對(duì)牙冠頂面分別施加垂直向和水平向的載荷，加載力量為正常人一般咀嚼力，兩個(gè)方向載荷均為200 N，均勻分布在牙冠的5個(gè)點(diǎn)上，見圖1。

圖1 所有有限元模型中，對(duì)上頜骨頂部固定約束，在牙冠咬合面分別施加垂直向和水平向的載荷，兩個(gè)方向載荷均為200 N，均勻分布在牙冠的5個(gè)點(diǎn)上。

2.結(jié)果

2.1 所建模型如下圖：

2.1.1 牙冠、種植體、基臺(tái)、上頜竇及上頜骨有限元模型，見圖2。

圖2 牙冠、種植體、基臺(tái)、上頜骨的有限元模型

2.1.2 經(jīng)上頜竇底提升術(shù)提升后不同骨吸收高度的應(yīng)力分析模型，見圖3。

圖3 經(jīng)上頜竇底提升術(shù)，負(fù)載后骨吸收0 mm、2 mm、4 mm、6 mm各組的三維有限元模型。

2.2 經(jīng)上頜竇底提升術(shù)提升后不同骨吸收高度種植體周圍剩余骨質(zhì)的應(yīng)力分析，見圖4-11，表2，表3。

表2 理想位置植入種植體，水平向載荷200 N不同骨吸收高度時(shí)種植體、周圍剩余骨質(zhì)應(yīng)力分布情況

表3 理想位置植入種植體，垂直向載荷200 N不同骨吸收高度時(shí)種植體及周圍剩余骨質(zhì)應(yīng)力分布情況

1）理想位置植入種植體，負(fù)載后骨吸收0 mm（無(wú)骨吸收）時(shí)種植體、周圍剩余骨質(zhì)的應(yīng)力分布，見圖4、圖5。最大應(yīng)力發(fā)生在種植體與牙槽骨平面交接處（頸部）。

圖4 骨吸收0 mm組，水平向載荷200 N，種植體的最大應(yīng)力值為152 MPa，剩余骨質(zhì)最大應(yīng)力值為43 MPa。

圖5 骨吸收0 mm組，垂直向載荷200 N，種植體最大應(yīng)力值為57 MPa，剩余骨質(zhì)的最大應(yīng)力值為16 MPa。

2）理想位置植入種植體，負(fù)載后骨質(zhì)吸收2 mm時(shí)種植體、周圍剩余骨質(zhì)應(yīng)力分布，見圖6、圖7。最大應(yīng)力發(fā)生在種植體與牙槽骨平面交接處（頸部），以及接近穿透上頜骨的部分（近上頜竇底處）。

圖6 骨吸收2 mm組，水平向載荷200 N，種植體最大應(yīng)力值為144 MPa，剩余骨質(zhì)最大應(yīng)力值為68 MPa。

圖7 骨吸收2 mm組，垂直向載荷200 N，種植體最大應(yīng)力值為55 MPa，剩余骨質(zhì)最大應(yīng)力值為32 MPa。

3）理想位置植入種植體，負(fù)載后骨質(zhì)吸收4 mm時(shí)種植體、周圍剩余骨質(zhì)應(yīng)力分布，見圖8、圖9。最大應(yīng)力發(fā)生在種植體與牙槽骨平面交接處（頸部），以及接近穿透上頜骨的部分（近上頜竇底處）。

圖8 骨吸收4 mm組，水平向載荷200 N，種植體最大應(yīng)力值為129 MPa，剩余骨質(zhì)最大應(yīng)力值為74 MPa。

圖9 骨吸收4 mm組，垂直向載荷200 N，種植體最大應(yīng)力值為49 MPa，剩余骨質(zhì)最大應(yīng)力值為33 MPa。

4）理想位置植入種植體，負(fù)載后骨質(zhì)吸收6 mm時(shí)種植體、周圍剩余骨質(zhì)應(yīng)力分布，見圖10、圖11。最大應(yīng)力主要發(fā)生在種植體與牙槽骨平面交接處（頸部）。水平載荷時(shí)種植體骨結(jié)合部分所受應(yīng)力也較大。

圖10 骨吸收6 mm組，水平向載荷200 N，種植體最大應(yīng)力值為140 MPa，剩余骨質(zhì)最大應(yīng)力值為80 MPa。

圖11 骨吸收6 mm組，垂直向載荷200 N，種植體最大應(yīng)力值為45 MPa，剩余骨質(zhì)最大應(yīng)力值為36 MPa。

由此可見，水平向載荷200 N，隨著種植體周圍剩余骨高度的降低，剩余骨質(zhì)所承受的應(yīng)力值逐漸增大，最大應(yīng)力發(fā)生在種植體與牙槽骨平面交接處（頸部），以及接近穿透上頜骨的部分（近上頜竇底處）；種植體所受的應(yīng)力整體呈逐漸減小的趨勢(shì)，而當(dāng)骨吸收高度達(dá)6 mm 時(shí)，種植體被骨質(zhì)包繞的部分（骨結(jié)合部分）所受應(yīng)力也會(huì)變大。

由此可見，垂直向載荷200 N，隨著種植體周圍剩余骨高度的降低，剩余骨質(zhì)所承受的應(yīng)力值逐漸增大，最大應(yīng)力發(fā)生在種植體與牙槽骨平面交接處（頸部），以及接近穿透上頜骨的部分（近上頜竇底處），而種植體所受的應(yīng)力逐漸變小。

3.討論

上頜竇底提升術(shù)是將上頜竇底黏膜從竇底分離、提升，植入骨移植材料，同期或分期植入種植體。主要有兩種方式：穿牙槽嵴頂上頜竇底提升[7]和側(cè)壁開窗上頜竇底提升[8]。在竇黏膜下空間、突入竇腔部分的種植體周圍有新骨生成，長(zhǎng)期臨床觀察發(fā)現(xiàn)種植體周圍骨質(zhì)存在一定的吸收，其影響因素有：上頜竇底的形態(tài)、竇底黏膜提升的高度、上頜竇內(nèi)持續(xù)的氣化壓力等。目前，上頜竇區(qū)種植體周圍骨吸收和改建的研究多集中于觀察種植體頸部邊緣骨水平的變化，也有關(guān)于上頜竇底提升后新生骨高度變化的研究，而關(guān)于負(fù)載后竇內(nèi)骨高度吸收的研究相對(duì)較少。

國(guó)內(nèi)李德華教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)84 例患者，共103枚種植體三年的隨訪觀察，分別測(cè)量了新骨近中、遠(yuǎn)中和種植體根尖方的高度，發(fā)現(xiàn)3 年后新骨近中吸收率為23.27%，遠(yuǎn)中吸收率為20.16%，種植體根尖方新骨吸收率為39.6%[3]。國(guó)外Bragger 等通過(guò)對(duì)經(jīng)上頜竇底提升并植入骨移植材料的19 名患者，共25 顆種植體一年的隨訪觀察，發(fā)現(xiàn)在種植體根尖部可看到新骨影像，分別測(cè)量了新骨至種植體根部近中和遠(yuǎn)中的高度，術(shù)后新骨上緣到種植體根部近中的高度為（1.52±2.48）mm，3 個(gè)月后此區(qū)域新骨高度降低到（1.24±1.30）mm，而12 個(gè)月后新骨高度降低到（0.29±1.91）mm，在種植體根部遠(yuǎn)中同樣觀察到相似的變化[9]。以上研究均發(fā)現(xiàn)功能負(fù)載后上頜竇內(nèi)新骨高度發(fā)生變化，然而，關(guān)于更大范圍的竇內(nèi)骨高度降低的研究尚未見報(bào)道，而且關(guān)于種植體及其周圍應(yīng)力的情況分析也未見報(bào)道。因此，本研究重點(diǎn)是觀察經(jīng)上頜竇底提升術(shù)并功能負(fù)載，上頜竇內(nèi)發(fā)生骨吸收以后種植體及其周圍支持骨的應(yīng)力變化。我們?cè)谂R床觀察中發(fā)現(xiàn)，以常規(guī)植入長(zhǎng)度10 mm 種植體為例，當(dāng)上頜竇內(nèi)骨吸收2 mm 時(shí)，種植體周圍仍有8 mm 高度的支持骨，載荷時(shí)理論上咬合力主要分布在種植體冠方范圍，對(duì)其周圍應(yīng)力影響不大，此類患者復(fù)診時(shí)無(wú)需對(duì)咬合進(jìn)行過(guò)大的調(diào)整；而隨著竇內(nèi)骨吸收的增加，當(dāng)骨吸收6 mm 時(shí)，種植體周圍僅剩余4 mm高度的支持骨時(shí)，咬合力對(duì)其應(yīng)力分布影響可能比較大，臨床上也經(jīng)常遇到此類病例，但是種植體是否能夠長(zhǎng)期存留并發(fā)揮作用尚存疑義[10，11]。因此本研究根據(jù)不同上頜竇內(nèi)骨吸收的高度進(jìn)行了分組，希望能為臨床提供一定的理論依據(jù)。

由于人體的特殊性以及醫(yī)學(xué)倫理的要求，無(wú)法直接分析正常的口腔生物組織的受力變化，也不可能直接進(jìn)行大規(guī)模的臨床實(shí)驗(yàn)，而三維有限元分析無(wú)侵入性和傷害性，成為目前口腔生物力學(xué)最普遍的研究手段。在上頜竇底提升術(shù)生物力學(xué)研究中，已經(jīng)有學(xué)者對(duì)手術(shù)后骨組織與種植體應(yīng)力分布進(jìn)行了有限元分析[12，13]，并得出許多對(duì)臨床工作具有指導(dǎo)意義的結(jié)果。但是上頜竇底提升術(shù)后、竇內(nèi)骨吸收對(duì)種植體及其周圍支持骨的應(yīng)力變化，此類研究鮮有報(bào)道。

正常人的咬合力平均值為22.4-68.3kg[14]，一般情況下日常食物所需的咬合力范圍3-30 kg（30-300 N）[15]。大多數(shù)三維有限元實(shí)驗(yàn)在加載負(fù)荷時(shí)選擇150-200 N[16]，也有些實(shí)驗(yàn)選擇垂直向加載300 N，或者斜向45°加載200 N[17]，而關(guān)于水平向加載的研究相對(duì)較少。本實(shí)驗(yàn)選取分別進(jìn)行垂直向加載和水平向加載，均為200 N，能夠更直接地模擬咬合時(shí)垂直向承載的負(fù)荷和水平向承載的剪切力。本研究通過(guò)三維有限元分析，觀察上頜竇內(nèi)發(fā)生骨吸收以后種植體及周圍骨組織的應(yīng)力變化，發(fā)現(xiàn)無(wú)論是水平向加載還是垂直向加載時(shí)，隨著種植體周圍骨高度的降低，剩余骨質(zhì)所承受的應(yīng)力值逐漸增大。最大應(yīng)力發(fā)生在種植體與牙槽骨平面交接處（頸部），以及接近穿透上頜骨的部分（近上頜竇底處）；種植體所受的應(yīng)力整體呈逐漸減小的趨勢(shì)。當(dāng)種植體周圍骨吸收6 mm，僅剩余4 mm 骨高度時(shí)，種植體周圍剩余骨質(zhì)的Von Mises應(yīng)力最大，特別是水平向載荷200 N 時(shí)，Von Mises 應(yīng)力約80 Mpa。這提示我們?cè)谂R床上遇到上頜竇底提升后新生骨量降低明顯時(shí)，需注意減小牙冠所承載的水平力和剪切力。種植體周圍剩余骨質(zhì)應(yīng)力的加大可能會(huì)進(jìn)一步加重骨吸收，如何有效降低種植體周圍骨質(zhì)的應(yīng)力，尚需進(jìn)一步研究。同時(shí)，為了更好的指導(dǎo)臨床，未來(lái)我們將對(duì)不同體積的牙冠、種植體的基臺(tái)和中央螺絲的應(yīng)力情況做進(jìn)一步研究分析。

為了取得更好的提升效果，臨床上常采用提升同時(shí)植入骨移植材料，研究發(fā)現(xiàn)是否植入骨移植材料對(duì)種植體的長(zhǎng)期存留無(wú)顯著影響，但新骨形成的效果卻不同[18-21]。無(wú)論是否植入骨移植材料，此類手術(shù)都會(huì)給患者帶來(lái)不同程度的痛苦和創(chuàng)傷，以及伴隨的一些術(shù)中和術(shù)后并發(fā)癥，特別是對(duì)于一些有上頜竇內(nèi)病變?nèi)缟项M竇炎、上頜竇囊腫及腫瘤等的患者。在特殊情況下無(wú)法進(jìn)行上頜竇底提升時(shí)，如何最大限度的減少患者的痛苦和縮短治療周期，是否有更有效、更合理的技術(shù)來(lái)代替上頜竇底提升術(shù)，并能夠獲得良好的長(zhǎng)期效果，尚需進(jìn)一步研究。