上頜竇氣化模型的建立及初步應力分析

蔣延波，陳東輝，李姣潔，周海倫，唐禮通訊作者）

（廣西醫(yī)科大學附屬口腔醫(yī)院；廣西口腔頜面修復與重建研究重點實驗室；廣西頜面外科疾病診治研究重點實驗室；廣西顱頜面畸形臨床醫(yī)學研究中心，廣西 南寧）

0 引言

在口腔種植學中，良好的軟硬組織條件，是種植修復成功的必要條件。而牙齒缺失通常導致缺牙區(qū)軟硬組織的改變。尤其在上頜后牙區(qū)，當牙齒缺失后，由于上頜竇的存在，通常會造成上頜后牙區(qū)牙槽骨缺損，影響標準種植體的植入。

而在人體的4 個鼻竇中，上頜竇因其最接近上頜后牙而占據(jù)重要位置。當上頜骨發(fā)育時，上頜竇腔形成并在呼吸運動中被空氣充滿，給上頜竇內(nèi)壁造成壓力，我們將這一生理過程稱為氣化。上頜竇氣化導致上頜竇向鄰近解剖結(jié)構(gòu)擴張，因此，上頜后牙區(qū)由于上頜竇的存在，是牙槽骨患病率最高的解剖區(qū)域。Chanavaz 報道上頜竇氣化是由呼吸引起的上頜竇正壓形成的，上頜竇正壓導致骨膜破骨細胞活性增加引起上頜竇擴張。尤其上頜骨后端的IV 型軟骨對這些過程的抵抗力較弱，更容易造成骨吸收。最后導致上頜后牙區(qū)牙槽骨的垂直高度下降。

目前，對上頜竇氣化的研究仍然較少，一些文獻報道，影響上頜竇氣化的因素可能是：遺傳、鼻粘膜氣化、顱面形態(tài)、骨密度、鼻竇手術(shù)、生長激素、竇腔內(nèi)氣壓和衰老過程。另一些研究表明，上頜后牙缺失也會影響上頜竇的氣化。據(jù)報道，上頜后牙種植體的失敗率高達30%-50%。

在一些研究中，三維有限元分析(FEA)已經(jīng)研究了上頜后牙區(qū)種植體周圍骨的受力分布。但是，目前對于上頜竇氣化的研究仍然較少，大多研究都基于上頜后牙區(qū)骨量不足的解決方式。因此對于上頜竇氣化發(fā)生的機制、預防、以及減少上頜竇氣化造成的骨量不足的研究非常重要。不同上頜竇形態(tài)的壓力是否不同，上頜竇骨移植物材料不同的形態(tài)是否產(chǎn)生不同的壓力，骨替代材料的高度或?qū)挾葹槎嗌倌苡行p小應力是尚需研究的中的。然而，上頜竇因其負雜的解剖結(jié)構(gòu)，封閉性，以及動物實驗模型操作的困難性。三維有限元方法建模可為上頜竇的相關(guān)研究提供更加簡便、可靠、精確的研究方式。

1 材料與方法

1.1 Mimics 19.0 建模過程

上頜竇形狀因人而異，呼吸時上頜竇底壓力不同。根據(jù)上頜竇壁和底部的形態(tài)，Lixuan Niu 將上頜竇分為A 型：淺凹形、B 型：深凹形、C 型：平坦形、D 型：方形、E 型：不規(guī)則。但是，A 型和B型根據(jù)實際實驗情況被歸為一類，E 型由于其不確定性而未被納入實驗。因此，將上頜竇分為A 型：淺凹，B 型：深凹，C 型：平坦進行實驗研究。對研究對象進行上頜竇周圍的螺旋CT 掃描，采集DICOM 格式原始數(shù)據(jù)，將原數(shù)據(jù)導入Mimics 軟件，依次進行如下處理（1）依據(jù)不同組織的灰度值進行自動化閾值分割區(qū)分，初步分離出上頜竇周圍組織，（2）利用mask 建立各個部分結(jié)構(gòu)模型，（3）利用手工編輯圖層工具擦除多余的部分或者補上缺失的部分，（4）對模型分別進行wrap 和smoothing 處理，填補孔和光滑表面，初步建立相應三維模型，導出STL 格式模型數(shù)據(jù)文件（圖1）。

1.2 Geomagic Studio 2013

將Mimics 生成的STL 格式文件導入Geomagic 軟件中，抹去模型釘狀物和多余特征處理，然后對模型進行優(yōu)化光滑處理，使用精確曲面模塊探測模型輪廓線，對變形或者不合理的輪廓進行編輯，適當添加輪廓線以方便生成曲面片；曲面片生成成功后擬合曲面，然后將擬合完成的曲面，將光滑后的模型導出為通用的STEP格式模型數(shù)據(jù)文件（圖2）。

圖1 Mimics 軟件操作圖示

圖2 Geomagic 軟件對上頜竇模型進行光滑處理

圖3 SolidWorks 軟件不同設(shè)定不同材料特性

1.3 Solidworks 2017 建模過程

將Geomagic 軟件生成的幾何模型格式文件導入SolidWorks軟件中，對幾何模型進行特征識別和曲面診斷，對有問題的曲面進行修復，再在零件界面使用特征/曲面等模塊進行建立上頜竇其余模型，分別建立不同類型的松質(zhì)骨、骨粉模型，再進入裝配界面調(diào)整位置，與皮質(zhì)骨、上頜竇膜裝配為一個完整的實體。最后將模型保存為SLDPRT 零件格式文件，進行組合處理并保存（圖3）。

1.4 ANSYS 17.0 有限元建模過程

將Solidworks 中生成的體網(wǎng)格模型導入ANSYS 軟件中，建立Static Structural 分析類型，在分析材料庫中分別建立皮質(zhì)骨，松質(zhì)骨，竇膜，骨粉等材料屬性參數(shù)，進入Mechanical 工作界面（圖4）。

第1 步：在geometry 中分別對皮質(zhì)骨，松質(zhì)骨，竇膜，骨粉等進行賦值。本次研究的竇膜彈性模量設(shè)置為58MPa、泊松比0.45，骨粉彈性模量10910 MPa、泊松比0.24。

第2 步：在connection 中定義模型間的接觸類型，接觸類型均設(shè)置為bone 綁定（即相互之間的關(guān)系為固定關(guān)系）；

第3 步：對模型進行網(wǎng)格劃分。為了保證計算的精度達到分析的要求，對網(wǎng)格的類型和網(wǎng)格大小進行控制，其中網(wǎng)格類型設(shè)置為四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小設(shè)置為2.0mm；

第4 步：設(shè)置邊界條件和載荷。根據(jù)相關(guān)研究，邊界條件定義最外層皮質(zhì)骨底面為剛性約束，X、Y、Z 軸自由度為0，于竇膜內(nèi)表面施加均勻分布的壓力載荷，模擬氣體從竇孔進去時上頜竇以及植入的骨粉的受力情況。

2 結(jié)果

2.1 標準的上頜竇三維有限元模型建立結(jié)果

成功建立了上頜竇及上頜竇提升后三維有限元模型（圖5），可以有效模擬上頜竇氣化時上頜竇底部受力狀況以及上頜竇提升術(shù)后不同底部寬度或高度植骨材料表面所受應力變化，模擬上頜竇氣化的發(fā)生機制以及氣流的導向，還可模擬上頜后牙區(qū)不同牙槽骨高度的種植，評估不同牙槽骨垂直骨高度種植體的穩(wěn)定性以及應力分布，以及進行上頜竇提升術(shù)后植骨的應力分析。

2.2 上頜竇三維有限元模型應力分析

利用自主建立的上頜竇三維有限元模型，通過ANSYS 軟件施加應力，得到了三種上頜竇竇壁的應力分布，在三種不同底部形態(tài)上頜竇中，當施加壓力都為100pa 時，平坦型上頜竇底部vion Mises 力最大，深凹型上頜竇底部vion Mises 最?。▓D6）。

3 討論

上頜竇的形成開始于子宮內(nèi)生活的第10 周，并在整個生命周期中擴張。Adibelli 等人報道說，上頜竇在出生時就已經(jīng)開始氣化了，并且由于持續(xù)的氣化，上頜竇的體積迅速增大。上頜竇氣化的機制、過程、以及影響是目前仍需研究的問題。

圖4 ANSYS 軟件設(shè)置邊界條件和載荷

圖5 三種形態(tài)上頜竇三維有限元模型A:淺凹型上頜竇B：深凹型上頜竇 C：平坦型上頜竇

圖6 三種上頜竇竇底應力分布 A：淺凹型 B：深凹型 C：平坦型

在口腔生物力學研究中，F(xiàn)EM 是一種重要的研究方法，其結(jié)果除了與有限元模型的準確性相關(guān)外，還與模型相關(guān)材料性能的結(jié)構(gòu)研究及模型邊界條件的設(shè)定密切相關(guān)，而本實驗假設(shè)所有材料為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的彈性材料。目前國內(nèi)學者大多運用Dicom 格式數(shù)據(jù)文件直接建模，直接讀取數(shù)據(jù)以及處理，避免數(shù)據(jù)的反復傳導，文件格式的轉(zhuǎn)換造成的數(shù)據(jù)失真或丟失。本實驗即運用CBCT 掃描數(shù)據(jù)，重建上頜竇三維模型，充分利用了各建模軟件，簡化了圖像處理和轉(zhuǎn)化繁瑣的過程，顯著的提高了模型的精度。實驗應用Mimics 軟件快速、精確的建立人體上頜竇初步模型，然后再用Geomagic 軟件對模型進行優(yōu)化光滑處理，再用SolidWorks 軟件設(shè)定了不同材料特性，成功的建立了上頜竇的三維有限元模型，最后進行相關(guān)的應力分析，可測量每個點或面的應力，也可模擬任何形式的壓力情況。

FEA 只是盡可能的模仿臨床實際情況，由三維有限元模型得出的理論分析計算結(jié)果，因此，必須結(jié)合臨床實踐或動物實驗等具體分析，以印證補充理論結(jié)果。而在過去的三十年中，有限元分析(FEA)雖然被廣泛用于預測各種臨床因素對種植成功的生物力學性能，但后上頜骨竇區(qū)十分復雜，很難得到準確的三維模型，且每個病人上頜竇解剖結(jié)構(gòu)差異較大，只能大致模擬幾種不同上頜竇形態(tài)的模型。而在模擬上頜竇氣化的過程中，由于上頜竇動態(tài)氣流的復雜性，以及每個患者呼吸功能、呼吸習慣、發(fā)音方式、以及解剖結(jié)構(gòu)的不同，無法真實模擬上頜竇內(nèi)部的氣流導向以及真實壓力大小。此外，實驗中對于彈性形變材料，例如竇底黏膜的設(shè)定僅采用了正常未植骨，未受任何壓力的情況下的竇底黏膜物理參數(shù)，對于竇底黏膜的個體差異，以及其在植骨條件下和氣化環(huán)境下的物理性能還未深入探究和細化設(shè)定。在氣化環(huán)境的模擬中，Mimics 軟件未能模擬具體氣流在腔體內(nèi)的運動和流體力學的仿生。這將會是我們在未來的研究有待中細化和探討。有研究報道，在上頜骨竇區(qū)種植體的有限元研究中，傳統(tǒng)的簡化三維有限元模型與CBCT DICOM 數(shù)據(jù)建立的完整上頜骨模型并無太大差異。

本實驗建立上頜竇氣化模型，不僅可以模擬上頜竇氣化時的應力分布，還有助于根據(jù)不同上頜竇形態(tài)、不同上頜骨高度制定不同的種植方案。在目前種植領(lǐng)域，越來越多臨床醫(yī)生使用短種植體以及傾斜種植避免行上頜竇提升術(shù)，不僅可減少患者費用以及時間，還可避免上頜竇提升術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生。Hurzeleret 等報道正壓促進上頜竇骨移植術(shù)后骨吸收。這會導致種植體周圍邊緣骨吸收的形成，影響種植體的長期穩(wěn)定性，甚至導致種植體的失敗。而在使用不同方案前，種植體以及周圍骨組織的應力分布都是未知，由于動物實驗的局限性，無法準確模擬人體上頜竇后牙區(qū)種植，因此，三維有限元分析對新的種植方案的實施非常重要。

本實驗進一步對三種不同竇底形態(tài)上頜竇進行初步的應力分析，結(jié)果顯示，平坦型上頜竇底部所受到的應力最大，且遠大于淺凹型和深凹型上頜竇。而淺凹和深凹型上頜竇受到的應力大小類似。因此，在患者上頜竇為平坦型時，應更注意上頜竇氣化帶來的骨吸收的風險，當患者上頜后牙需拔除時，可考慮行位點保存術(shù)，或者即刻種植、即刻負載等減少骨吸收的發(fā)生。而當行上頜竇提升術(shù)時，應適當增加植骨材料的高度和寬度，以應對骨吸收的發(fā)生。當患者上頜竇形態(tài)為淺凹型或深凹型時，可考慮拔牙后三月行種植術(shù)，減少患者的費用以及時間。

本實驗成功建立了上頜竇氣化模型，并初步分析了三種不同上頜竇竇底的應力，為研究上頜竇氣化提供了基礎(chǔ)，為不同上頜竇形態(tài)的種植方案提供了理論依據(jù)。