淺論三維有限元方法在口腔種植修復領域的應用及展

1、淺論三維有限元方法在口腔種植修復領域的應用及展         【關鍵詞】  三維有限元方法 口腔種植修復種植義齒是采用人工種植體，植入頜骨獲取固位支持的修復體。目前的臨床應用證明根狀和柱狀種植體能取得良好長期的骨結合。國內(nèi)外對種植體的研究主要集中在骨結合界面的研究、種植體生物力學的研究，還有種植體材料及表面工藝的研究。對于生物力學的研究主要集中在如何分散頜力減小應力集中引起的骨質(zhì)病理性吸收。   有限元方法( Finite ElementMethod ,FEM) ，是從工程數(shù)學分析發(fā)

2、展起來的求解連續(xù)介質(zhì)力學問題的數(shù)值分析方法,它與電子計算機技術相結合,能夠有效的對結構性能較為復雜的物體進行應力分析，其原理是將連續(xù)的彈性體分割成有限個力學單元,以其結合體來代替原彈性體,并逐個研究多個單元的性質(zhì),從而獲得整個彈性體的性質(zhì)。Clough 等于1960 年明確提出有限元方法的概念，并在1973年由美國密執(zhí)安大學的Farah，將FEM引入了口腔醫(yī)學研究。自1983年后，F(xiàn)EM在口腔生物力學，特別是口腔修復學應力分析研究中作為一種有效的數(shù)學工具得到了廣泛的應用。近幾年被引入到了種植修復體的應力分析當中。本文就三維有限元方法在口腔種植修復領域的應用作一綜述。   有

3、限元分析在口腔種植修復領域，主要涉及以下幾個方面。    1  種植體骨界面應力分析   包括載荷、種植體材料屬性、幾何形態(tài)、表面外形、直徑、長度，以及頜骨質(zhì)量等對界面應力的影響。研究的主要目的在于改善種植體的外形及材料性質(zhì)從而使該界面在不同的載荷作用下獲得更佳的應力分布狀態(tài)。目前對頜骨受力的研究比較一致的結論是在垂直加載下,種植體頸部周圍的骨皮質(zhì)和根尖部的骨松質(zhì)出現(xiàn)應力集中1。在斜向加載下，種植體的唇側頸部骨皮質(zhì)出現(xiàn)應力集中。   關于長度對于骨界面的影響有兩種結論，一種是認為影響不大，比如Meijer和Sert

4、goz1165認為隨著長度的增加，應力降低不明顯，說明種植體長短對骨界面最大應力值影響不大，臨床上進行口腔種植手術設計時無須過分強調(diào)種植體的長度選擇。另一種是張少峰認為骨界面應力與種植體長度呈負相關關系。關于直徑對種植體應力的影響，目前有兩個結論。Matsushita等采用二維有限元方法對種植體的直徑進行了研究，發(fā)現(xiàn)在垂直加載和水平加載下，種植體頸部周圍的骨皮質(zhì)出現(xiàn)應力峰值，而且應力峰值都與種植體的直徑成反比，但是種植體直徑對于應力分布的總體規(guī)律影響不大，這與Mailath研究的結果一致，因此建議臨床上使用大直徑的種植體從而降低種植體頸部周圍的骨皮質(zhì)應力峰值以及減小骨界面的應力峰值。但是張少鋒

5、采用三維有限元方法比較種植體長度對種植全口義齒的應力影響，發(fā)現(xiàn)骨界面應力與種植體直徑關系不大99。   2  種植體外形及材料學性質(zhì)的研究   早期種植體有葉狀，片狀，圓柱狀或是錐形螺紋狀。到了近年來，由于減緩應力峰值的需要，圓柱狀，錐形螺紋狀較為常見，對于此類種植體的研究也比較多。一個是圓柱狀種植體的表面溝槽設計，有溝槽種植體顯示出更大的應力變化梯度；另一個就是螺紋狀種植體的螺紋參數(shù)，其中Hurson對螺紋種植體進行了研究，闡述了螺紋設計原則，材料的強度，力學疲勞分析，提出了螺紋設計的標準。但國內(nèi)有研究發(fā)現(xiàn)，不同螺紋間距對種植體骨界面應力分布

6、無明顯影響，但是螺紋頂角角度的改變，可以導致種植體在支持組織的應力分布水平的改變，螺紋頂角為60°的種植體應力分布較合理10，為種植體的設計和應用提供了理論依據(jù)。   關于材料屬性，早期種植體的研究嘗試過多種材料屬性，比如金銀，生物陶瓷，含碳纖維，高分子材料等。但只有鈦金屬能有較好的生物相容性，所以鈦合金成為目前應用最多的種植體材料。鈦合金作為種植體存在的問題就是鈦合金的彈性模量與骨組織差別較大，造成應力集中，從而損傷頜骨。曾有德國的種植體生產(chǎn)廠家在早年開發(fā)過一種內(nèi)襯高分子材料的種植體，但終因內(nèi)襯材料較高損壞率而沒有使這種種植體得到普及。近年來隨著高分子材料的研究

7、進展，有望改用其他材料制作種植體Meijer11通過動物試驗對聚丁烯對二苯酸鹽（酯）聚合物（PEO:PBT）進行了研究，結果顯示PEO:PBT是一種柔韌材料，能降低種植體頸部應力峰值，也有利于應力向周圍骨組織傳導，從組織學上觀察，柔韌材料同樣能與骨組織形成較好的骨整合。這應該是種植材料發(fā)展的重要方向之一。    3  種植修復方式的研究   目前有學者認為對于后牙單冠缺失，可采用大直徑種植體，或者是雙根單冠的種植修復方法，并測算出雙根等長種植體聚合度為10°時，種植體周圍組織應力分布最佳12。王偉13等采用三維有限元研究種植

8、體的骨外段基莊不同高度對下頜覆蓋義齒應力分布的影響，認為臨床在保證義齒固位穩(wěn)定的前提下，在一定范圍內(nèi)降低種植體骨外段基樁高度，有利于保護種植體及其周圍軟硬組織的健康。   對于后牙非游離缺失，爭論比較多的是種植體天然牙聯(lián)合固定修復方式是否可行。有學者認為這種修復方式不可行，因為天然牙的咀嚼時的生理動度這會導致種植修復體的“早接觸”從而造成頸部骨組織的應力大于天然牙頸部骨組織的應力，雖然垂直加載時種植體頸部的應力分布均勻，但在斜向加載時種植體的頰舌側骨組織有明顯的應力集中區(qū)，說明側向力對種植體頸部骨組織損傷較大14。但巢永烈15等應用三維有限元分析設計下頜第二磨牙為種植牙和天

9、然第二雙尖牙作為基牙固定修復下頜第一磨牙，結果發(fā)現(xiàn)因為天然雙尖牙的最大位移值較大，由于固定橋的支架作用，在垂直分散載荷下天然基牙和種植基牙的位移均值之間的差異無顯著性，故認為天然牙種植體固定橋是可行的。   對于后牙游離缺失，通過對天然牙-種植體的三維有限元分析，發(fā)現(xiàn)咬合時力點遠離種植體，種植體骨界面應力值明顯增加16，建議臨床設計天然牙種植體聯(lián)合固定修復時要消除咬合早接觸點。也有學者為避免天然牙種植體聯(lián)合固定修復兩基牙受力不均勻，設計可動連接裝置來均衡它們之間的受力，但這種設計能否造成應力分布的差異，結論尚不統(tǒng)一。周振平17等對天然牙游離端Branemark種植體聯(lián)合支持

10、的修復體結構進行分析，設計四種連接裝置（固定連接，冠外貫通式附著體，鉸鏈式附著體，緩沖式附著體），結果發(fā)現(xiàn)，冠外貫通式附著體的應力最大，緩沖式附著體的應力最小，且分布均勻，起到了保護種植體的作用。     4 應用在口腔種植修復領域的有限元方法的局限和研究方向展望4.1  系統(tǒng)誤差的消除與控制   種植體有限元分析是一種在模擬天然牙槽骨及牙列形態(tài)的模型上做理論力學分析的研究方法。這種方法的精確性受建模方法、網(wǎng)格劃分、軟件參數(shù)等等的影響，存在一定的系統(tǒng)誤差。目前臨床上對于有限元分析是否正確的驗證僅僅是頸部附近蝶形吸收或者根尖區(qū)

11、陰影等等。且關于建模假設也大多是基于100%結合率及頜骨個方向的同向性而進行的。這些都對試驗結果有著一些影響，很多實驗都因此實際上地成為了定性研究。目前有國內(nèi)學者建議將無限剖分的思路應用在三維有限元的研究中，能進一步的將力學分析的結果精細化，所以長久來看有限元與無限元方法的結合會成為一個研究方向，從而進一步地促進就如何消除，恒定，或是在方法上控制系統(tǒng)誤差做進一步研究。   4.2  頜骨重建   天然牙槽骨及牙列的形態(tài)比較復雜，目前國內(nèi)試驗的頜骨重建主要以下頜骨為主，而上頜骨因為解剖結構層次不清，重疊結構比較多，故研究上頜骨重建的模型比較少。而

12、上頜后牙區(qū)因為上頜竇的存在造成骨質(zhì)情況比較復雜，急需對上頜骨的模型重建做進一步研究。            4.3  牙尖斜度的優(yōu)化設計及帶有真實牙尖斜度的牙體應力分析   正常牙體在咀嚼狀態(tài)下的牙體受力大小和方向是由不同牙尖斜度的咬合面決定的，且隨著磨耗進展，牙尖斜度不斷變化而變化。這就對種植-修復體上部的冠結構提出了更高的要求，故應對牙尖斜度的優(yōu)化設計做進一步的研究。   4.4  硬質(zhì)骨情況對有限元分析的影響  

13、; 國內(nèi)現(xiàn)有模型種植體周圍頜骨應力分布情況與硬質(zhì)骨的情況直接相關，硬質(zhì)骨的厚度，力學參數(shù)，對于硬質(zhì)骨網(wǎng)格劃分方法都會對實驗結果產(chǎn)生較大影響，故應做一些實驗將硬質(zhì)骨情況對應力分析的影響細化，以求模擬分析的結果更加真實。   4.5  牙周膜面積的相關性   國內(nèi)有學者經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)不同牙位的牙周膜面積有著一定程度的相關性，正比于不同牙位的牙體在行使不同的咀嚼功能時所受頜力，并可能與該處頜骨力學性狀直接相關。若能根據(jù)掃描CT掃描鄰牙的結果，快速的知道所要種植修復牙位的牙周膜面積范圍，就有可能知道該處的頜骨性狀，更有利于種植修復長期成功率的提高。

14、0;  4.6  種植修復流程設計   種植修復發(fā)展方向之一為即刻負重。反應了患者對于治療速度的要求。若能以CT掃描為基礎，完善的有限元分析方法為依托，并根據(jù)牙位、頜骨力學性狀的不同輔助以個性化的種植體頸部、根尖部及種植體中部螺紋、表面涂層材料的設計，就可以大大加快種植修復的流程，從而讓牙列缺失的治療水平上一個新臺階。   綜上所述，對于種植修復技術的三維有限元研究目前并不深入，且由于頜骨形態(tài)復雜及實驗人員的設計理念差異等因素使得建立模型沒有通用的標準。尚有許多影響因素沒有被發(fā)現(xiàn)，有待進一步研究?！緟⒖嘉墨I】  1 Sert

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