兩種型全口義齒修復下頜Ⅳ類骨吸收的三維有限元分析

丁玉琳 袁 碩 江麗娟 沈文靜

隨著我國步入老齡化社會，牙列缺失逐漸成為老年人群的口腔常見病、多發(fā)病，其嚴重影響到老年患者的生活質量和身心健康[1]。研究表明及時口腔修復可以改善老年人口腔健康相關的生活質量[2，3]。隨著全口種植發(fā)展，全口種植修復為牙列缺失患者提供了一種新的可選擇修復方式，但我國可進行全口種植義齒修復的患者不足萬分之一[4]。因此，傳統(tǒng)全口義齒修復仍是目前牙列缺失患者的主要修復方式。

本研究選取一例全口牙列缺失且下頜牙槽骨吸收呈Ⅳ類的病人，進行全口義齒修復，經(jīng)CBCT 掃描構建解剖型和非解剖型對應的義齒基托、下頜骨的三維有限元模型，通過施加載荷，分析下頜牙槽骨重度吸收應用兩種型時黏膜及牙槽骨的應力分布情況，為牙槽骨重度吸收的全口牙列缺失病人修復時選擇人工牙提供理論依據(jù)。

資料和方法

一、原始數(shù)據(jù)獲取

1.實驗對象為一名就診于河北醫(yī)科大學口腔醫(yī)院修復科的全口牙列缺失患者，臨床檢查后根據(jù)Atwood 分類法判定其下頜牙槽骨吸收程度屬于Ⅳ類，即低平牙槽嵴，剩余牙槽嵴的高度和寬度均不足，已吸收至頜骨本體，CBCT 示右側相當于頦孔處呈凹坑狀，左側較右側稍寬大（圖1），已不具備種植的條件。

2.為患者制作下頜全口義齒，在義齒基托中加入顯影劑硫酸鋇（硫酸鋇能吸收X 射線從而使基托顯影）以滿足有限元建模的需要。患者戴入全口義齒基托進行CBCT 掃描，從而獲得下頜骨、基托、人工牙的數(shù)據(jù)。以上均已獲倫理委員會批準（2018031）。

二、建立模型

1.建模設備及圖像處理軟件：GE Light speed 64 排CT；Mimics21.0 軟件（Materialise 公司，比利時）；Geomagic Studio2014 軟件（Raindrop 公司，美國）；MSC.Patran2012 軟件（NASA 公司，美國）；Hypermesh14.0 軟件（Altair 公司，美國）；MSC.Nastran2012 軟件（NASA 公司，美國）。

2.初始模型獲取及處理優(yōu)化階段：將CT 掃描數(shù)據(jù)導入Mimics21.0 軟件進行數(shù)據(jù)提取，采用軟件內(nèi)部工具對影像進行相關的修補、擦除等命令，運行Caculate3D 功能生成目標結構組織的三角面幾何模型，使用STL Smoothener 進行平滑處理，得到精確的三維幾何STL 模型，包括無牙齒咬合面形態(tài)的義齒基托、下頜骨的數(shù)字化模型，并導出STL 格式文件。

3.模型建立階段：運用Geomagic Studio2014 軟件，對其進行曲面擬合、修補、降噪和光順化處理，形成幾何實體模型。在此基礎上逆向補充黏膜結構，將下頜骨皮質骨厚度設為2 mm，黏膜厚度根據(jù)義齒基托與下頜骨面之間的縫隙直接填充。將解剖型、非解剖型對應的人工牙咬合面形態(tài)數(shù)字圖形與無牙齒咬合面形態(tài)的模型進行擬合，形成兩種型對應的義齒基托幾何實體模型。分別導出相應的STP 格式文件。

4.模型導入前處理軟件：將STP 文件導入Hypermesh14.0 軟件中進行網(wǎng)格劃分，各模型的節(jié)點數(shù)和單元數(shù)見表1，得到有限元網(wǎng)格模型（圖2），并形成BDF 格式文件，再導入前處理軟件MSC.Patran2012 中進行有限元網(wǎng)格屬性設置，設置材料參數(shù)定義（表2），其中下頜骨（骨皮質、骨松質）假設為非均質、正交各向異性的非線性彈性材料[9]，其他材料假設為均勻、連續(xù)、各向同性的線彈性材料[10，11]，義齒基托與支持組織之間不相對滑動。

表1 解剖型、非解剖型義齒基托網(wǎng)格劃分

表1 解剖型、非解剖型義齒基托網(wǎng)格劃分

模型組別解剖images/BZ_47_1671_2254_1712_2288.png型非解剖images/BZ_47_1671_2254_1712_2288.png型節(jié)點數(shù)量（nodes）57383 57383單元數(shù)量（Tet4 elements）280208 285089

表2 義齒基托模型各結構材料參數(shù)

圖2 解剖型、非解剖型義齒基托對應的有限元網(wǎng)格模型

表3 施加載荷值（單位:N）

圖3 測量點位圖

6.模型導入后處理軟件：在有限元后處理軟件MSC.Nastran2012 中顯示計算結果并提取數(shù)據(jù)，進行計算分析得出Von Mises 等效應力云圖。

結 果

圖4 正中咬合下黏膜表面壓應力峰值（MPa）

圖5 正中咬合下牙槽骨壓應力峰值（MPa）

圖6 解剖型與非解剖型黏膜表面Von Mises 等效應力云圖

圖7 解剖型與非解剖型牙槽骨表面Von Mises 等效應力云圖

圖8 兩種型在左、右側磨牙區(qū)黏膜的壓應力比較

圖9 兩種型在左、右側磨牙區(qū)牙槽骨的壓應力比較

圖10 左/右側側方咬合下解剖型在黏膜表面壓應力峰值對比

圖11 左/右側側方咬合下解剖型在牙槽骨表面壓應力峰值對比

討 論

牙列缺失后，牙槽骨以每年約0.5 mm 的水平持續(xù)吸收和改建，豐滿的剩余牙槽嵴有足夠的固位力和抵抗側向力的能力，此時解剖型全口義齒尚可獲得足夠的固位與穩(wěn)定[6]。但剩余牙槽嵴重度吸收使牙槽骨高度寬度均不足時，解剖型全口義齒便無法獲得良好的固位及穩(wěn)定，很難滿足患者的正常生理需求。為了改善Ⅳ類患者下頜全口義齒的穩(wěn)定性，改良型被越來越多的臨床醫(yī)生選擇[13]。研究表明改良型全口義齒雖然會損失部分咀嚼效率[14]，但可通過減小所受側向力來改善無牙頜患者義齒的固位及穩(wěn)定[15]，獲得較高的患者滿意度[16]。

全口義齒基托在黏膜表面的應力可以在一定程度上可以反映佩戴義齒后的舒適度。黃梅娥[17]在IV類骨吸收患者的全口義齒修復實踐中表明，從患者的角度出發(fā)，無疼痛是評價全口義齒成功與否的標準之一。本研究發(fā)現(xiàn)相較于解剖型，非解剖型減少對黏膜的壓應力，可獲得較好的黏膜舒適性，提高患者佩戴義齒舒適度，從而降低義齒基托下黏膜疼痛的發(fā)生率，更容易為患者所適應。牙尖斜度為0度的人工牙義齒，在垂直力作用下黏膜產(chǎn)生的水平位移最小[18]，說明非解剖型更穩(wěn)定。同時有研究表明非解剖型全口義齒咀嚼效率下降可通過增加咀嚼頻率來緩解[19，20]。正中咬合下，等效應力云圖顯示兩組義齒基托均在前牙區(qū)舌側黏膜處出現(xiàn)了較大的應力集中現(xiàn)象，與劉洋[21]等人觀點一致，提示臨床工作中要注意加強該區(qū)域的基托強度，避免折裂。兩組義齒基托在黏膜表面產(chǎn)生的最大壓應力均位于牙槽骨吸收更多的右側磨牙區(qū)，可能與基托下由于骨組織吸收嚴重導致支持面積變小有關，提示在臨床工作中牙槽骨嚴重吸收者可以適當伸展基托范圍。

應力可從大小、方向、持續(xù)時間等多方面影響剩余牙槽嵴的吸收，其中力的方向是造成骨吸收的主要因素，側向力比垂直向力所造成的應力集中要大，會加速牙槽骨的非正常吸收，改良型可以減緩大部分側向力從而減緩牙槽嵴的吸收。根據(jù)Wolff’s定律，骨組織上的壓應力越大，越集中，骨吸收越多。本實驗發(fā)現(xiàn)非解剖型在牙槽骨表面未見明顯的應力集中現(xiàn)象，應力較均勻分布于兩側磨牙區(qū)，可以避免不利骨吸收，對于牙槽嵴嚴重吸收的患者似乎是一種合理的選擇。本實驗首次比較左右兩側骨吸收程度不同的Ⅳ類下頜骨吸收病人（左側牙槽骨較豐滿，而右側吸收成凹陷狀）戴用義齒后的應力分布，發(fā)現(xiàn)兩組義齒基托在牙槽骨表面產(chǎn)生的最大壓應力均位于左側磨牙區(qū)，在黏膜表面最大壓應力均位于右側磨牙區(qū)，因此牙槽骨豐滿則可承擔較大的壓應力，否則牙槽骨吸收嚴重，支持能力降低，使黏膜壓力增高。

Hassler 等[22]提出了骨維持的量化指標：1.72 Mpa是骨維持的最佳量，大于4.83 Mpa 才會引起病理性骨吸收。本研究中正中咬合下兩種型在牙槽骨表面的最大應力值均小于1.5 Mpa，均在骨維持最佳量左右，在牙槽骨可承擔的范圍內(nèi)，臨床中可通過增加基托面積、人工牙減數(shù)等方法減少牙槽骨的受力。

總之，三維有限元憑借其建模便捷、算法精準、研究成本低、可對模型進行應力分析的優(yōu)點已逐步被口腔多個領域廣泛應用[23]，雖然其反映的靜載結果與口內(nèi)運動狀態(tài)下的實際受力情況會有一定的差異，但仍可以反映不同型全口義齒在受力后黏膜和牙槽骨的應力規(guī)律。本研究利用三維有限元分析解剖型、非解剖型全口義齒受力后在黏膜和牙槽骨表面的應力分布，發(fā)現(xiàn)正中咬合時，與解剖型相比，非解剖型在黏膜和牙槽骨表面的應力分布更均勻；側方咬合時，解剖型在黏膜及牙槽骨均承擔比正中咬合時更大的壓應力，而非解剖型無側向力。為臨床醫(yī)師針對Ⅳ類骨吸收的下頜牙列缺失病人選擇非解剖型全口義齒提供理論依據(jù)。