在不對稱無牙下頜骨中進行種植固定修復的三維有限元分析

馮海楠　廖立凡　常曉峰　杜良智　趙寧波　賀龍龍

[摘要]目的：在下頜骨兩側(cè)骨高度嚴重不對稱時進行全口種植固定修復，使用三維有限元技術(shù)對修復體支架及種植體的受力進行分析。方法：虛擬下頜骨模型資料來源于臨床患者的CBCT資料，計劃通過All-on-4種植技術(shù)修復無牙頜。實驗組為一側(cè)牙槽突切除后進行種植修復;對照A組為雙側(cè)牙槽突切除后種植修復;對照B組為牙槽突無明顯缺損時進行種植固定修復。在指定區(qū)域單側(cè)加載150N、雙側(cè)各加載150N垂直力量模擬單側(cè)和雙側(cè)咬合力，觀察修復體、種植體周圍以及牙槽骨周圍的Von Mises應力集中情況。結(jié)果：在牙槽骨切除區(qū)域的種植體周圍會產(chǎn)生更多的Von Mises應力集中;種植體周圍骨質(zhì)和修復橋架的Von Mises應力要遠小于種植體周圍的應力。結(jié)論：種植固定修復后，種植體承受了主要的咬合應力，因牙槽骨高度缺損的增加會造成種植體及周圍骨組織的Von Mises應力增加，所以應當盡可能保留牙槽骨的高度。

[關(guān)鍵詞]無牙頜;種植修復;有限元分析;下頜骨;截骨

[中圖分類號]R782.12? ? [文獻標志碼]A? ? [文章編號]1008-6455（2019）10-0121-03

Abstract： Objective The purpose of this study was to evaluate the load transmission to the peri-implant bone under a framework supported by 4 implants placed in an edentulous mandible and to compare the stress distribution in an asymmetric mandibular alveolar bone model and controlled symmetric mandibular alveolar bone models via a 3-dimensional finite element analysis. Methods Computerized models of the mandible with a 4-implant-supported bridge following the All-on-4 concept were developed based on patients CBCT. The study mandible model was designed with an asymmetric alveolar bone to simulate partial mandibulectomy， and the control mandible models A and B were designed with a flat alveolar bone with different bone resorption.A 150N load was applied to each side of the prostheses， and the von Mises stress was analyzed along the implants， framework and bone. Results? More stress concertation would happen in models that implants surrounding bone was resorbed or resected， whether in asymmetric alveolar bone or fully resorbed alveolar bone; implant with better bone height would suffer more stress concertation in asymmetric alveolar bone model compared in symmetric alveolar bone model with better bone height. However， the stress on the bone surrounding the implant was lower in all mandible models， and the stress concentrated on the superstructure was low either. Conclusion? Based on this research， the All-on-4 plan is feasible for asymmetrical mandibles.Dentist should maintain bone height and width when possible.

Key words： edentulous;implant restoration;finite-element analysis;mandibular; osteotomy

本研究基于一個臨床病例，患者為66歲女性，10年前曾于頜面外科因下頜右側(cè)牙槽嵴黏膜大面積白斑行局部軟硬組織擴大切除術(shù)。因無法耐受活動牙，且余留天然牙松動而無法進食要求種植修復。口內(nèi)檢查見下頜骨雙側(cè)牙槽骨高度差超過8mm，余留牙松動無法保留，計劃使用All-on-4技術(shù)修復患者下頜牙列。

All-on-4技術(shù)通常會通過截骨獲得對稱的種植體植入平面，以獲得充足的頜間距離和更好的美學效果[1]。但截骨會造成該患者更嚴重的骨缺損，因此不適用于本病例。通過有限元技術(shù)可以有效模擬截骨效果，從而觀察截骨和不截骨時種植固定修復后各部分的受力情況，為類似患者的牙列修復治療方案提供力學研究基礎(chǔ)[2]。

1? 材料和方法

1.1 材料：以患者的CBCT為原始資料定義數(shù)字化下頜骨模型的外形結(jié)構(gòu)以及皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨分布。因本研究僅為比較在咬合力作用時下頜骨牙槽骨高低及是否對稱會影響修復體、種植體及周圍骨質(zhì)的Von Mises應力分布，種植體基臺及修復體的細節(jié)沒有完全展現(xiàn)，模擬植入的種植體型號與該患者的手術(shù)計劃相同，模型中修復體結(jié)構(gòu)僅展現(xiàn)義齒中的金屬支架部分。Mimics軟件（Materialise Interactive Medical Image Control System; Leuven， Belgium），AutoCAD 2015（Autodesk Computer Aided Design Inc.， California， USA，和Creo 3.0 （PTC Inc.， Needham， USA）被用來創(chuàng)建數(shù)字化下頜骨模型，下頜骨前部的皮質(zhì)骨厚度設(shè)定為2mm，下頜骨后補的皮質(zhì)骨厚度設(shè)定為2.5mm。

1.2 方法：原始下頜骨模型為下頜骨右側(cè)牙槽突切除，下頜骨左側(cè)與右側(cè)高度差別為8mm，定義為實驗組模型;通過原始模型修整，模擬下頜骨雙側(cè)牙槽突完整，定義為對照A組;通過原始模型修整，模擬下頜骨兩側(cè)牙槽突手術(shù)切除缺失，定義為對照B組。對照A組和對照B組下頜骨高度差別為8mm（見圖1）。

按照患者的實際情況以及Malo等制定的All-on-4原則[1，3]模擬植入四顆種植體（BEGO Implant Systems GmbH & Co.KG，Germany），下頜骨前部直立的種植體型號為直徑4.1mm×長度13mm，下頜骨后部傾斜30°種植的型號為直徑4.5mm×長度15mm，在前牙區(qū)的兩枚種植體分別連接穿齦高度為3mm的無角度多牙基臺，后牙區(qū)兩枚傾斜種植體分別連接穿齦高度為4.0～1.5mm，30°多牙基臺（見圖2）。根據(jù)患者的牙弓情況，計劃修復至雙側(cè)第一磨牙位置，計算上部結(jié)構(gòu)的周邊長度為65mm。上部結(jié)構(gòu)的遠中懸臂長度為8mm。

種植體、基臺和橋架的幾何結(jié)構(gòu)采用正向設(shè)計方法，在Cero中繪制出它們的幾何結(jié)構(gòu)。將模型導入至ABAQUS 6.13軟件（Dassault Systèmes Simulia Corp.， Providence， RI， USA）進行生物力學分析，這些區(qū)域中的節(jié)點運動被完全約束。種植體與多牙基臺的連接和多牙基臺與上部結(jié)構(gòu)的連接定義為系桿連接。

研究模型的四面體單元的網(wǎng)格值為185 531個單位，節(jié)點數(shù)量為56 757個。下頜骨模型的平均單元尺寸為0.2mm，種植體和上部結(jié)構(gòu)模型的平均尺寸為0.1mm。上部結(jié)構(gòu)的金屬支架、基臺和金屬托架的彈性模量和泊松比[4-5]分別為108.5GPa和0.3。皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的彈性模量分別為20 000 MPa和2 000 MPa，泊松比分別為0.3和0.4（見表1）。

咬合力加載計劃[6-9]：①右側(cè)加載：于上部結(jié)構(gòu)右側(cè)第一磨牙中心點加載100N，右側(cè)第一前磨牙中心點加載50N，模擬右側(cè)單側(cè)垂直咬合狀態(tài);②左側(cè)加載：于上部結(jié)構(gòu)左側(cè)第一磨牙中心點加載100N，左側(cè)第一前磨牙中心點加載50N，模擬左側(cè)單側(cè)垂直咬合狀態(tài);③雙側(cè)加載：分別于左側(cè)、右側(cè)第一磨牙中心點各加載100N，左側(cè)、右側(cè)第一前磨牙中心點各加載50N，模擬雙側(cè)垂直咬合狀態(tài)。

使用三維有限元分析軟件包（ABAQUS V6.13;Dassault Systèmes Simulia Corp.， Providence， RI， USA）進行3種模型的分析。分別測量皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、種植體、基臺和上部結(jié)構(gòu)的Von Mises應力數(shù)據(jù)。

2? 結(jié)果

2.1 種植體和上部結(jié)構(gòu)中的Von Mises應力分布：如圖1和表1所示，在實驗組中，在加載方案A時，應力集中主要出現(xiàn)在右側(cè)種植體的頸部，在加載方案B時，應力主要集中在左側(cè)種植體的頸部，在加載方案C時，雙側(cè)種植體頸部均出現(xiàn)應力集中，因為咬合力主要加載于后牙區(qū)，應力在末端種植體頸部有明顯集中。左側(cè)牙槽骨雖然高于右側(cè)8mm，但應力數(shù)值僅略低于右側(cè)。

對照A組中，所有加載方案下其應力均明顯小于實驗組;對照B組中，所有加載方案下其應力數(shù)值均略高于實驗組數(shù)據(jù)。修復體支架的應力集中要明顯小于種植體及基臺部分的應力集中（見圖2），且應力分布特點與種植體及基臺的應力分布特點相同。最大應力值均出現(xiàn)在末端傾斜種植體周圍。

2.2 種植體周圍骨組織的Von Mises應力分布：見表2。相對于種植體周圍的應力，種植體周圍骨組織的應力非常低，應力主要集中于皮質(zhì)骨部分。最大應力均出現(xiàn)在末端傾斜種植體周圍，當有骨缺損時，應力會相應增大。

3? 討論

近年來，All-on-4的種植理念非常流行，也有充分的證據(jù)表明這是一種可行的解決無牙頜患者牙列修復的手段[10]。下頜骨All-on-4全口固定修復體支架及種植體受力分析是一個非常復雜的臨床問題，對于有限元力學分析而言也應當充分考慮到種植體型號，不同骨質(zhì)情況下的頜骨，基臺的連接方式和類型，修復體的類型，中央螺絲的受力情況。由于有限元模型的局限性，本研究中報道的實驗結(jié)果只能在所述的制定范圍內(nèi)進行預測和分析。骨組織是一種復雜的生物結(jié)構(gòu)，沒有固定的力學模式，其特征因個體而異。本研究所使用的有限元模型假設(shè)所有種植體在加載前形成完全的骨整合，種植體、基臺和上部結(jié)構(gòu)支架完美匹配（無間隙或摩擦系數(shù)）。假設(shè)組件之間的完全被動性，以避免出現(xiàn)可能干擾分析的內(nèi)部張力。

為了完成整體支架式種植固定修復，通常在前牙區(qū)域需要15mm，后牙區(qū)域需要12mm以上的頜間距離[11]。當考慮到美觀因素時，常常需要更多的頜間距離，有時候會伴隨激進的大面積垂直截骨手術(shù)方案。在臨床工作中，大多數(shù)醫(yī)生和患者都會在美觀和功能之間做出一定的取舍和妥協(xié)。通過本研究，筆者認為應當在滿足美觀和咀嚼功能恢復的前提下盡可能地保存頜骨的高度，以減少種植體周圍的Von Mises應力集中，從而減少種植體機械并發(fā)癥及周圍骨吸收的發(fā)生。

雖然本研究得出修復體支架在咬合加載時的Von Mises應力集中數(shù)值較小，但臨床中常常會因患者折斷臨時修復體或者永久修復體損壞而導致種植體失敗[12]。臨時過渡修復體折斷是這類患者最常見的一種修復并發(fā)癥，對于這一問題主要的原因應當是因為垂直距離有限，修復體的強度無法充分支撐咬合力導致，從這一角度上來說，應當有充分的頜間距離后再進行臨時固定修復;如果咬合距離不足時，則可能需要醫(yī)生選擇強度更大的臨時修復體材料。

4? 結(jié)論

通過本研究發(fā)現(xiàn)，在進行種植體支持的一段式全牙弓固定義齒修復中，當種植體植入?yún)^(qū)域的骨吸收或骨缺損增加時，種植體及周圍組織和部件受到的Von Mises應力會增大。因此，建議臨床醫(yī)生在保證美觀和功能的前提下盡可能保存骨高度而不是進行激進的截骨手術(shù)。

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[收稿日期]2019-07-12

本文引用格式：馮海楠，廖立凡，常曉峰，等.在不對稱無牙下頜骨中進行種植固定修復的三維有限元分析[J].中國美容醫(yī)學，2019，28（10）：121-124.