下頜二植體支持式種植覆蓋義齒的臨床及骨改建模擬研究

張燕 李愷 霍麗

[摘要]目的：研究骨改建模擬方法在口腔種植修復中的可靠性。方法：采用臨床下頜二植體支持式種植覆蓋義齒數(shù)據(jù)建立骨改建模型，通過骨改建模擬實驗結(jié)果與臨床結(jié)果的對比驗證骨改建模擬方法的可靠性。結(jié)果：在24個月時，骨改建模型中種植體周圍皮質(zhì)骨密度最終達到1.899g/cm3，松質(zhì)骨密度最終達到1.136g/cm3，均比起始數(shù)值高，臨床回訪病例X線片顯示種植體周圍未見明顯骨吸收。結(jié)論：骨改建研究與臨床病例結(jié)果高度一致，骨改建模擬在口腔種植修復中高度可靠，該方法可以為種植術(shù)后種植體周圍骨水平的變化提供準確預測。

[關(guān)鍵詞]種植覆蓋義齒;有限元;應變能密度;骨改建

[中圖分類號]R783.6? ? [文獻標志碼]A? ?[文章編號]1008-6455（2019）04-0099-04

Abstract： Objective? To study the reliability of bone remodeling simulation in dental implant restoration.? Methods? A bone remodeling model was established through clinical data of mandibular two implant supported overdenture， and the reliability of bone remodeling simulation method was verified by comparing the results of bone remodeling simulation with clinical results. Results? In the 24 month bone remodeling model， the cortical bone density around the implant eventually reached 1.899 g/cm3， and the density of the cancellous bone reached 1.136 g/cm3， both the data were higher than the initial value. The X-ray data showed no obvious bone resorption around the implant. Conclusion? The bone remodeling study is highly consistent with the clinical case results. Bone remodeling simulation is highly reliable in dental implant restoration.This method can provide accurate prediction for the changes of bone level around the implant.

Key words： implant supported overdenture; finite element analysis（FEA）; strain energy density（SED）; bone remodeling

牙列缺失患者在全口義齒修復后，其牙槽骨由于生理性的骨吸收以及不良力學刺激而產(chǎn)生的應力性骨吸收都會導致牙槽嵴，尤其是下頜牙槽嵴的加速吸收。對于此類下頜牙槽嵴低平的患者，學者普遍推薦使用二植體支持的下頜種植覆蓋義齒進行修復[1]。兩顆種植體支持的覆蓋義齒，其咬合力是否會對種植體周圍骨產(chǎn)生不良刺激導致骨吸收以至于修復的失??？成為臨床醫(yī)生所關(guān)注的問題。當前，骨改建理論中應用應變能密度變化模擬骨改建的方法廣泛應用于牙槽骨改建的計算中[2-3]。因此，本研究將臨床二植體支持的下頜種植覆蓋義齒修復患者的臨床資料與骨改建實驗結(jié)果相互印證，在直觀顯示應力刺激對種植體周圍骨改建影響的同時，驗證骨改建模擬研究的可靠性。

1? 一般資料

1.1 研究對象：選擇1例擬行下頜種植覆蓋義齒修復的患者董某，女，57歲。因所佩戴下頜總義齒經(jīng)常脫落來筆者醫(yī)院要求重做義齒?？趦?nèi)檢查見全口無牙頜，下頜牙槽嵴低平，舊義齒在下頜無明顯固位力。修復方式擬定為2枚太極扣種植體，附著體為ERA彈性附著體，種植位點為下頜雙側(cè)尖牙區(qū)的下頜二植體支持的種植覆蓋義齒。在征得患者同意后將患者下頜骨及其所佩戴義齒進行三維錐形束計算機斷層（CBCT）掃描，掃描數(shù)據(jù)作為本實驗建模原始數(shù)據(jù)。術(shù)后對患者行為期2年的回訪，記錄患者口內(nèi)術(shù)后3個月、6個月、12個月及24個月復查時軟組織狀態(tài)及X線片所示患者種植體周圍骨高度的變化。

1.2 實驗材料及設(shè)備：Zimmer種植體（直徑：3.25mm，長度：10mm Zimmer，美國）;彈性附著體 （Zimmer，美國）;三維錐形束CT（Sirona，德國）;惠普臺式電腦（Hewlett-Packard，美國）。

1.3 實驗軟件：Mimics 10.11軟件（Materialise公司，比利時）;Geomagic Studio 12.0軟件（Raindrop，美國）;Abaqus 6.12 （Dassault，美國）;UG NX7.0軟件 （Siemens，德國）;Visual Fortran Compiler Profession 13.0。

2? 方法

2.1 有限元模型的建立：將CBCT掃描生成的.dicom格式數(shù)據(jù)導入Mimics 10.11軟件，重建出患者下頜骨與原有義齒的表面形態(tài)，生成.stl數(shù)據(jù)。然后將上一步所得.stl數(shù)據(jù)進一步導入Geomagic Studio 12.0軟件，得到.iges格式數(shù)據(jù)。同時，在該軟件中制作義齒下口底黏膜：選擇義齒邊緣外2mm的下頜骨骨面，通過剪裁、加厚、平滑等操作得到口底黏膜。最終將數(shù)據(jù)導入UG NX7.0軟件，分別得到義齒、黏膜松質(zhì)骨（厚2mm）及皮質(zhì)骨（厚2mm）的實體結(jié)構(gòu)。并在軟件中繪制與臨床所使用的種植體及彈性附著外形態(tài)參數(shù)一致的實體模型。將兩枚種植體置于與臨床病例一致的雙側(cè)下頜尖牙處，經(jīng)布爾運算，裝配等操作最終建立起由2枚種植體支持并以彈性附著體連接的下頜種植覆蓋義齒的實體模型。最后，將模型導入Abaqus/CAE 6.10軟件中，劃分網(wǎng)格，定義接觸面，賦予各部分材料屬性，定義邊界條件，最終建立起有限元模型。

根據(jù)全口義齒平衡牙合的咬合原則，模型模擬平衡牙合咬合關(guān)系，對義齒全牙列加載載荷大小為600N的垂直向載荷。為了便于計算，模型中牙槽骨組織設(shè)置為各向同性的線彈性材料。為了模擬修復后義齒行使咬合功能時與下頜骨之間相對靜止的狀態(tài)，模型中用綁定、接觸的約束關(guān)系定義不同部件之間的接觸關(guān)系。對下頜角及下頜骨下緣等肌肉附著點采用了位移和旋轉(zhuǎn)的剛性約束。模型中各部件材料屬性如表1所示[4-8]。

2.2 基于應變能密度的數(shù)值模擬骨改建技術(shù)路線：在基于應變能密度的數(shù)值模擬骨改建實驗中，首先通過有限元模型中不同網(wǎng)格單元的應變能密度（U）及其對應部位骨密度（ρ）信息得到代表每單位骨的應變能（SED）[9]，即? ? 。同時，骨組織的密度與相對應部位的彈性模量的關(guān)系用方程可用代表骨彈性模量的E與代表骨的材料的常數(shù)C來表達：? ? 。其中，C值為3.79GPa（g/cm3）-2[10]。因此，應變能密度與應力的函數(shù)關(guān)系可以表達為：? ? ? ? 。σ為模型單元中的應力值，由此建立應力與對應單元骨密度的關(guān)系。至此，基于有限元分析的應力值即可與骨密度的變化建立聯(lián)系。骨改建方程可表達為：? ? ? ? ? ? ? ?。

代表每個單元骨密度的變化速率，B為骨改建常數(shù)，B=1g/cm3，K為引起骨改建機械刺激不同的閾值。Kmin表示達到骨改建時最小的機械刺激刺激閾值，Kmin=0.0036J/g。Kmax表示骨改建過程中最大的機械刺激閾值，Kmax=0.0044J/g。Koverloading表示過載時骨受到的機械刺激閾值，Koverloading=0.0358J/g。

本實驗在有限元分析的基礎(chǔ)上進行24個迭代步的分析計算，以模擬在24個月內(nèi)下頜骨改建的過程。為了簡化計算過程，本實驗在模擬分析中分別將下頜皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨密度設(shè)置均勻一致的骨密度，皮質(zhì)骨密度為1.74g/cm3，松質(zhì)骨密度為0.90g/cm3[11]。松質(zhì)骨密度變化范圍為0.9～1.2g/cm3，皮質(zhì)骨密度變化范圍為1.74～2.0g/cm3。而當皮質(zhì)骨的骨組織密度小于1.74g/cm3，松質(zhì)骨的骨組織密度小于0.9cm3時，則認為該單元出現(xiàn)了骨吸收。

3? 結(jié)果

3.1 患者X線片結(jié)果顯示骨高度的變化：選取患者術(shù)后12個月、24個月復查影像資料，對比觀察雙側(cè)種植體周圍骨高度的變化。

術(shù)后兩年內(nèi)同一位置的影像學資料對比可見，二植體支持的下頜種植覆蓋義齒修復后的24個月內(nèi)，雙側(cè)種植體周圍骨水平高度并未見明顯改變。

3.2 臨床資料與模型的對比：患者術(shù)后24個月復查時口內(nèi)狀態(tài)，可見種植體位于雙側(cè)尖牙區(qū)，種植體周圍黏膜未見充血、紅腫及潰爛，種植體周圍軟組織健康狀態(tài)良好;模型中種植體相對于下頜骨的種植位點?？梢哉J為模型中，種植體位于下頜骨雙側(cè)尖牙區(qū)，與臨床資料一致。

3.3 下頜骨應力分布結(jié)果：由應力分布云圖可見，下頜皮質(zhì)骨所受到的應力刺激比松質(zhì)骨大，應力主要分布于兩枚種植體周圍種植窩洞的骨組織，且種植窩洞遠中部分骨組織應力值較大。同時，后端牙槽骨頂部與義齒基托接觸部分也有低應力分布。

3.4 下頜骨骨改建結(jié)果：由24個迭代步時所示下頜骨骨密度云圖可見，下頜骨的骨密度變化主要集中于種植窩洞周圍牙槽骨，窩洞附近皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨均未見明顯的骨密度下降。后端牙槽骨頂部未見有明顯骨密度的改變。

由骨改建模型中種植體周圍骨密度變化曲線可見，在24個迭代步的骨改建過程中，松質(zhì)骨與皮質(zhì)骨骨密度均表現(xiàn)為緩慢上升的趨勢。皮質(zhì)骨的密度變化從第7個月開始，骨密度由初始值1.740g/cm?上升到1.899g/cm?。松質(zhì)骨的骨密度變化則開始于從第8個迭代步，骨密度從初始值0.900g/cm?上升到1.136g/cm?。

4? 討論

下頜牙槽骨低平的無牙頜患者的修復是臨床修復難點。隨著種植修復的出現(xiàn)，可以通過種植體為義齒提供必要的固位及穩(wěn)定，因此，下頜種植覆蓋義齒成為解決此類問題的最佳選擇。但植入種植體的數(shù)目一度成為學界爭論的焦點，當在下頜骨中線植入1枚種植體，雖然能為義齒提供必要的固位力，但義齒在行使咬合功能的過程中還是無法避免擺動、撬動等不良影響，使得種植體受到諸多無法預測的力學刺激，降低了種植體的使用壽命[12-13]。3枚種植體支持的修復方式也會導致中間種植體的受力過大，降低其使用壽命[14]。而4枚種植體修復方式，咬合過程中的咬合力完全由種植體分擔，會導致種植體受力過大，產(chǎn)生種植體周圍骨吸收[15-16]。因此，2002年的McGill大會推薦使用2枚種植體支持的下頜種植覆蓋義齒。此修復方式使得咬合力由種植體和剩余牙槽嵴共同分擔，避免了種植體受到較大的力學刺激，同時解決了單種植體修復出現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)支點的問題，也最大限度地降低了患者的經(jīng)濟壓力。因此，本實驗在充分考慮到患者牙槽嵴狀況和家庭經(jīng)濟條件的情況下，采取了二植體支持的種植覆蓋義齒修復方案。

種植體周圍炎和不良的力學刺激是導致種植體周圍骨吸收的兩大重要原因[17]。本實驗中，患者種植體周圍軟組織狀態(tài)保持良好，復診期間未見紅腫。因此，可以認為患者種植體周圍骨組織的改建是由力學刺激所產(chǎn)生。在2年的回訪期內(nèi)，X線片顯示兩側(cè)種植體周圍骨高度未見明顯變化，說明種植體周圍骨密度未出現(xiàn)顯著降低。骨改建模擬實驗結(jié)果表明，由同一臨床資料來源的模型在24個月的模擬中，皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的密度均有一定程度的上升，與X線片所示骨高度未見降低一致。模擬實驗的結(jié)果與臨床資料的一致性說明了基于應變能密度的骨改建理論對種植覆蓋義齒種植體周圍骨改建預測的可靠性。數(shù)值模擬實驗作為一種實驗方法，在精確建模的基礎(chǔ)上，可以為臨床醫(yī)生提供種植修復預后的較為準確的預測。

由于本實驗所采用的X線片的臨床資料僅能提示種植體周圍骨高度的變化而無法準確顯示種植體周圍骨密度的變化，成為本實驗中的一項不足。但通過骨高度的不變，至少驗證了種植體周圍骨密度沒有明顯的降低，側(cè)面印證了模擬實驗中骨密度逐漸上升的實驗結(jié)果。后續(xù)實驗臨床資料中種植體周圍骨密度的獲取將是實驗改進的一個重要方向。

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[收稿日期]2018-10-19