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(fù)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(guò)骨改建模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與臨床結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證骨改建模擬方法的可靠性。結(jié)果：在24個(gè)月時(shí)，骨改建模型中種植體周圍皮質(zhì)骨密度最終達(dá)到1.899g/cm3，松質(zhì)骨密度最終達(dá)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(jiàn)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(fù)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(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

[關(guān)鍵詞]種植覆蓋義齒;有限元;應(yīng)變能密度;骨改建

[中圖分類號(hào)]R783.6? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A? ?[文章編號(hào)]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(fù)后，其牙槽骨由于生理性的骨吸收以及不良力學(xué)刺激而產(chǎn)生的應(yīng)力性骨吸收都會(huì)導(dǎo)致牙槽嵴，尤其是下頜牙槽嵴的加速吸收。對(duì)于此類下頜牙槽嵴低平的患者，學(xué)者普遍推薦使用二植體支持的下頜種植覆蓋義齒進(jìn)行修復(fù)[1]。兩顆種植體支持的覆蓋義齒，其咬合力是否會(huì)對(duì)種植體周圍骨產(chǎn)生不良刺激導(dǎo)致骨吸收以至于修復(fù)的失?。砍蔀榕R床醫(yī)生所關(guān)注的問(wèn)題。當(dāng)前，骨改建理論中應(yīng)用應(yīng)變能密度變化模擬骨改建的方法廣泛應(yīng)用于牙槽骨改建的計(jì)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(fù)患者的臨床資料與骨改建實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互印證，在直觀顯示應(yīng)力刺激對(duì)種植體周圍骨改建影響的同時(shí)，驗(yàn)證骨改建模擬研究的可靠性。

1? 一般資料

1.1 研究對(duì)象：選擇1例擬行下頜種植覆蓋義齒修復(fù)的患者董某，女，57歲。因所佩戴下頜總義齒經(jīng)常脫落來(lái)筆者醫(yī)院要求重做義齒?？趦?nèi)檢查見(jiàn)全口無(wú)牙頜，下頜牙槽嵴低平，舊義齒在下頜無(wú)明顯固位力。修復(fù)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(diǎn)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(jìn)行三維錐形束計(jì)算機(jī)斷層（CBCT）掃描，掃描數(shù)據(jù)作為本實(shí)驗(yàn)建模原始數(shù)據(jù)。術(shù)后對(duì)患者行為期2年的回訪，記錄患者口內(nèi)術(shù)后3個(gè)月、6個(gè)月、12個(gè)月及24個(gè)月復(fù)查時(shí)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(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備：Zimmer種植體（直徑：3.25mm，長(zhǎng)度：10mm Zimmer，美國(guó)）;彈性附著體 （Zimmer，美國(guó)）;三維錐形束CT（Sirona，德國(guó)）;惠普臺(tái)式電腦（Hewlett-Packard，美國(guó)）。

1.3 實(shí)驗(yàn)軟件：Mimics 10.11軟件（Materialise公司，比利時(shí)）;Geomagic Studio 12.0軟件（Raindrop，美國(guó)）;Abaqus 6.12 （Dassault，美國(guó)）;UG NX7.0軟件 （Siemens，德國(guó)）;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(dǎo)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(jìn)一步導(dǎo)入Geomagic Studio 12.0軟件，得到.iges格式數(shù)據(jù)。同時(shí)，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(guò)剪裁、加厚、平滑等操作得到口底黏膜。最終將數(shù)據(jù)導(dǎo)入U(xiǎn)G 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(shí)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(shí)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(yùn)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(shí)體模型。最后，將模型導(dǎo)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(duì)義齒全牙列加載載荷大小為600N的垂直向載荷。為了便于計(jì)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(fù)后義齒行使咬合功能時(shí)與下頜骨之間相對(duì)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(duì)下頜角及下頜骨下緣等肌肉附著點(diǎn)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(yīng)變能密度的數(shù)值模擬骨改建技術(shù)路線：在基于應(yīng)變能密度的數(shù)值模擬骨改建實(shí)驗(yàn)中，首先通過(guò)有限元模型中不同網(wǎng)格單元的應(yīng)變能密度（U）及其對(duì)應(yīng)部位骨密度（ρ）信息得到代表每單位骨的應(yīng)變能（SED）[9]，即? ? 。同時(shí)，骨組織的密度與相對(duì)應(yīng)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(lái)表達(dá)：? ? 。其中，C值為3.79GPa（g/cm3）-2[10]。因此，應(yīng)變能密度與應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系可以表達(dá)為：? ? ? ? 。σ為模型單元中的應(yīng)力值，由此建立應(yīng)力與對(duì)應(yīng)單元骨密度的關(guān)系。至此，基于有限元分析的應(yīng)力值即可與骨密度的變化建立聯(lián)系。骨改建方程可表達(dá)為：? ? ? ? ? ? ? ?。

代表每個(gè)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(jī)械刺激不同的閾值。Kmin表示達(dá)到骨改建時(shí)最小的機(jī)械刺激刺激閾值，Kmin=0.0036J/g。Kmax表示骨改建過(guò)程中最大的機(jī)械刺激閾值，Kmax=0.0044J/g。Koverloading表示過(guò)載時(shí)骨受到的機(jī)械刺激閾值，Koverloading=0.0358J/g。

本實(shí)驗(yàn)在有限元分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行24個(gè)迭代步的分析計(jì)算，以模擬在24個(gè)月內(nèi)下頜骨改建的過(guò)程。為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，本實(shí)驗(yàn)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(dāng)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(shí)，則認(rèn)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(gè)月、24個(gè)月復(fù)查影像資料，對(duì)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(xué)資料對(duì)比可見(jiàn)，二植體支持的下頜種植覆蓋義齒修復(fù)后的24個(gè)月內(nèi)，雙側(cè)種植體周圍骨水平高度并未見(jiàn)明顯改變。

3.2 臨床資料與模型的對(duì)比：患者術(shù)后24個(gè)月復(fù)查時(shí)口內(nèi)狀態(tài)，可見(jiàn)種植體位于雙側(cè)尖牙區(qū)，種植體周圍黏膜未見(jiàn)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(duì)于下頜骨的種植位點(diǎn)?？梢哉J(rèn)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(yīng)力分布結(jié)果：由應(yīng)力分布云圖可見(jiàn)，下頜皮質(zhì)骨所受到的應(yīng)力刺激比松質(zhì)骨大，應(yīng)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(yuǎn)中部分骨組織應(yīng)力值較大。同時(shí)，后端牙槽骨頂部與義齒基托接觸部分也有低應(yīng)力分布。

3.4 下頜骨骨改建結(jié)果：由24個(gè)迭代步時(shí)所示下頜骨骨密度云圖可見(jiàn)，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(jiàn)明顯的骨密度下降。后端牙槽骨頂部未見(jiàn)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(jiàn)，在24個(gè)迭代步的骨改建過(guò)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(shì)。皮質(zhì)骨的密度變化從第7個(gè)月開(kāi)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(kāi)始于從第8個(gè)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(wú)牙頜患者的修復(fù)是臨床修復(fù)難點(diǎn)。隨著種植修復(fù)的出現(xiàn)，可以通過(guò)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(wèn)題的最佳選擇。但植入種植體的數(shù)目一度成為學(xué)界爭(zhēng)論的焦點(diǎn)，當(dāng)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(guò)程中還是無(wú)法避免擺動(dòng)、撬動(dòng)等不良影響，使得種植體受到諸多無(wú)法預(yù)測(cè)的力學(xué)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(fù)方式也會(huì)導(dǎo)致中間種植體的受力過(guò)大，降低其使用壽命[14]。而4枚種植體修復(fù)方式，咬合過(guò)程中的咬合力完全由種植體分擔(dān)，會(huì)導(dǎo)致種植體受力過(guò)大，產(chǎn)生種植體周圍骨吸收[15-16]。因此，2002年的McGill大會(huì)推薦使用2枚種植體支持的下頜種植覆蓋義齒。此修復(fù)方式使得咬合力由種植體和剩余牙槽嵴共同分擔(dān)，避免了種植體受到較大的力學(xué)刺激，同時(shí)解決了單種植體修復(fù)出現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)的問(wèn)題，也最大限度地降低了患者的經(jīng)濟(jì)壓力。因此，本實(shí)驗(yàn)在充分考慮到患者牙槽嵴狀況和家庭經(jīng)濟(jì)條件的情況下，采取了二植體支持的種植覆蓋義齒修復(fù)方案。

種植體周圍炎和不良的力學(xué)刺激是導(dǎo)致種植體周圍骨吸收的兩大重要原因[17]。本實(shí)驗(yàn)中，患者種植體周圍軟組織狀態(tài)保持良好，復(fù)診期間未見(jiàn)紅腫。因此，可以認(rèn)為患者種植體周圍骨組織的改建是由力學(xué)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(jiàn)明顯變化，說(shuō)明種植體周圍骨密度未出現(xiàn)顯著降低。骨改建模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由同一臨床資料來(lái)源的模型在24個(gè)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(jiàn)降低一致。模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與臨床資料的一致性說(shuō)明了基于應(yīng)變能密度的骨改建理論對(duì)種植覆蓋義齒種植體周圍骨改建預(yù)測(cè)的可靠性。數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)作為一種實(shí)驗(yàn)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(fù)預(yù)后的較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

由于本實(shí)驗(yàn)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(wú)法準(zhǔn)確顯示種植體周圍骨密度的變化，成為本實(shí)驗(yàn)中的一項(xiàng)不足。但通過(guò)骨高度的不變，至少驗(yàn)證了種植體周圍骨密度沒(méi)有明顯的降低，側(cè)面印證了模擬實(shí)驗(yàn)中骨密度逐漸上升的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。后續(xù)實(shí)驗(yàn)臨床資料中種植體周圍骨密度的獲取將是實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的一個(gè)重要方向。

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[收稿日期]2018-10-19