上頜竇底提升術后不同骨吸收高度種植體周圍應力的三維有限元分析*

郭海濤 鄧引昕 馬 攀 劉長營

由于上頜骨內存在著特殊的解剖結構上頜竇，臨床上上頜后牙種植時常遇到牙槽骨高度不足，目前解決的方法主要是上頜竇底提升術[1，2]。但其臨床效果存在一定的局限性，部分患者經上頜竇底提升術后出現不明原因的提升高度降低，長期臨床觀察也發現上頜竇底提升術后提升部分存在骨吸收的情況較多[3]，使得種植體實際的骨結合高度小于自身長度。研究認為牙冠咬合負擔過重、應力集中、上頜竇氣化等均會造成上頜竇內新骨的吸收[4，5]。然而，目前關于負載后上頜竇內骨吸收即新骨高度降低后種植體周圍應力變化的研究相對較少。因此，本研究通過建立三維有限元模型，觀察經上頜竇底提升術后發生竇內骨吸收后種植體及其周圍剩余骨質的應力，分析不同骨吸收高度的種植體周圍應力變化趨勢，為臨床提供一定的理論基礎。

1.材料與方法

1.1 材料

1.1.1 設備硬件NewTom VG CBCT (意大利)電壓110 kV，電流3.6 mA，重建層厚為0.125 mm。

1.1.2 軟件 建模軟件：Mimics 21.0 軟件（Materialise Company， Belgium）。 Geomagic Studio2014軟件（Raindrop Company，America）。Hypermesh14.0軟件（Altair Company， America）。有限元分析軟件：MSC.Patran2012前處理軟件（NASA Company，America）。MSC.Nastran2012后處理軟件（NASA Company， America）。

1.1.3 建模 選擇1 例僅上頜第一磨牙缺失的患者，此患者身體健康，顏面部外形基本正常，口頜系統基本正常，無明顯牙周病及牙槽骨吸收，咬合關系基本正常，無顳下頜關節疾病。拍攝CBCT。采用Mimics21.0 軟件對其進行數據提取，重建出上頜竇及上頜骨三維幾何模型，并導出STL 格式文件。

1.1.4 網格劃分、材料參數設定以及邊界條件假設 在軟件中修補、降噪、曲面化，將處理后的幾何模型導出，將文件導入Hypermesh14.0 軟件，進行網格劃分，導出BDF 格式文件。在有限元軟件中定義材料參數、約束、載荷及工況計算（見表1）。

表1 上頜骨皮質骨、松質骨，種植體、基臺及牙冠結構材料參數[6]

1.2 方法

1.2.1 分組 建立經上頜竇底提升術后，在理想軸向植入種植體模型，設定種植體直徑為4.5 mm，長度為10 mm。按照經上頜竇底提升骨結合良好并完成上部結構修復（負載）后的骨吸收高度分組：0 mm組（無骨吸收）、2 mm組（骨吸收2 mm）、4 mm組（骨吸收4 mm）、6 mm組（骨吸收6 mm）。對各組種植體周圍的骨應力進行分析。

所有的有限元計算模型中，對骨骼上側進行固定約束，對牙冠頂面分別施加垂直向和水平向的載荷，加載力量為正常人一般咀嚼力，兩個方向載荷均為200 N，均勻分布在牙冠的5個點上，見圖1。

圖1 所有有限元模型中，對上頜骨頂部固定約束，在牙冠咬合面分別施加垂直向和水平向的載荷，兩個方向載荷均為200 N，均勻分布在牙冠的5個點上。

2.結果

2.1 所建模型如下圖：

2.1.1 牙冠、種植體、基臺、上頜竇及上頜骨有限元模型，見圖2。

圖2 牙冠、種植體、基臺、上頜骨的有限元模型

2.1.2 經上頜竇底提升術提升后不同骨吸收高度的應力分析模型，見圖3。

圖3 經上頜竇底提升術，負載后骨吸收0 mm、2 mm、4 mm、6 mm各組的三維有限元模型。

2.2 經上頜竇底提升術提升后不同骨吸收高度種植體周圍剩余骨質的應力分析，見圖4-11，表2，表3。

表2 理想位置植入種植體，水平向載荷200 N不同骨吸收高度時種植體、周圍剩余骨質應力分布情況

表3 理想位置植入種植體，垂直向載荷200 N不同骨吸收高度時種植體及周圍剩余骨質應力分布情況

1）理想位置植入種植體，負載后骨吸收0 mm（無骨吸收）時種植體、周圍剩余骨質的應力分布，見圖4、圖5。最大應力發生在種植體與牙槽骨平面交接處（頸部）。

圖4 骨吸收0 mm組，水平向載荷200 N，種植體的最大應力值為152 MPa，剩余骨質最大應力值為43 MPa。

圖5 骨吸收0 mm組，垂直向載荷200 N，種植體最大應力值為57 MPa，剩余骨質的最大應力值為16 MPa。

2）理想位置植入種植體，負載后骨質吸收2 mm時種植體、周圍剩余骨質應力分布，見圖6、圖7。最大應力發生在種植體與牙槽骨平面交接處（頸部），以及接近穿透上頜骨的部分（近上頜竇底處）。

圖6 骨吸收2 mm組，水平向載荷200 N，種植體最大應力值為144 MPa，剩余骨質最大應力值為68 MPa。

圖7 骨吸收2 mm組，垂直向載荷200 N，種植體最大應力值為55 MPa，剩余骨質最大應力值為32 MPa。

3）理想位置植入種植體，負載后骨質吸收4 mm時種植體、周圍剩余骨質應力分布，見圖8、圖9。最大應力發生在種植體與牙槽骨平面交接處（頸部），以及接近穿透上頜骨的部分（近上頜竇底處）。

圖8 骨吸收4 mm組，水平向載荷200 N，種植體最大應力值為129 MPa，剩余骨質最大應力值為74 MPa。

圖9 骨吸收4 mm組，垂直向載荷200 N，種植體最大應力值為49 MPa，剩余骨質最大應力值為33 MPa。

4）理想位置植入種植體，負載后骨質吸收6 mm時種植體、周圍剩余骨質應力分布，見圖10、圖11。最大應力主要發生在種植體與牙槽骨平面交接處（頸部）。水平載荷時種植體骨結合部分所受應力也較大。

圖10 骨吸收6 mm組，水平向載荷200 N，種植體最大應力值為140 MPa，剩余骨質最大應力值為80 MPa。

圖11 骨吸收6 mm組，垂直向載荷200 N，種植體最大應力值為45 MPa，剩余骨質最大應力值為36 MPa。

由此可見，水平向載荷200 N，隨著種植體周圍剩余骨高度的降低，剩余骨質所承受的應力值逐漸增大，最大應力發生在種植體與牙槽骨平面交接處（頸部），以及接近穿透上頜骨的部分（近上頜竇底處）；種植體所受的應力整體呈逐漸減小的趨勢，而當骨吸收高度達6 mm 時，種植體被骨質包繞的部分（骨結合部分）所受應力也會變大。

由此可見，垂直向載荷200 N，隨著種植體周圍剩余骨高度的降低，剩余骨質所承受的應力值逐漸增大，最大應力發生在種植體與牙槽骨平面交接處（頸部），以及接近穿透上頜骨的部分（近上頜竇底處），而種植體所受的應力逐漸變小。

3.討論

上頜竇底提升術是將上頜竇底黏膜從竇底分離、提升，植入骨移植材料，同期或分期植入種植體。主要有兩種方式：穿牙槽嵴頂上頜竇底提升[7]和側壁開窗上頜竇底提升[8]。在竇黏膜下空間、突入竇腔部分的種植體周圍有新骨生成，長期臨床觀察發現種植體周圍骨質存在一定的吸收，其影響因素有：上頜竇底的形態、竇底黏膜提升的高度、上頜竇內持續的氣化壓力等。目前，上頜竇區種植體周圍骨吸收和改建的研究多集中于觀察種植體頸部邊緣骨水平的變化，也有關于上頜竇底提升后新生骨高度變化的研究，而關于負載后竇內骨高度吸收的研究相對較少。

國內李德華教授團隊通過對84 例患者，共103枚種植體三年的隨訪觀察，分別測量了新骨近中、遠中和種植體根尖方的高度，發現3 年后新骨近中吸收率為23.27%，遠中吸收率為20.16%，種植體根尖方新骨吸收率為39.6%[3]。國外Bragger 等通過對經上頜竇底提升并植入骨移植材料的19 名患者，共25 顆種植體一年的隨訪觀察，發現在種植體根尖部可看到新骨影像，分別測量了新骨至種植體根部近中和遠中的高度，術后新骨上緣到種植體根部近中的高度為（1.52±2.48）mm，3 個月后此區域新骨高度降低到（1.24±1.30）mm，而12 個月后新骨高度降低到（0.29±1.91）mm，在種植體根部遠中同樣觀察到相似的變化[9]。以上研究均發現功能負載后上頜竇內新骨高度發生變化，然而，關于更大范圍的竇內骨高度降低的研究尚未見報道，而且關于種植體及其周圍應力的情況分析也未見報道。因此，本研究重點是觀察經上頜竇底提升術并功能負載，上頜竇內發生骨吸收以后種植體及其周圍支持骨的應力變化。我們在臨床觀察中發現，以常規植入長度10 mm 種植體為例，當上頜竇內骨吸收2 mm 時，種植體周圍仍有8 mm 高度的支持骨，載荷時理論上咬合力主要分布在種植體冠方范圍，對其周圍應力影響不大，此類患者復診時無需對咬合進行過大的調整；而隨著竇內骨吸收的增加，當骨吸收6 mm 時，種植體周圍僅剩余4 mm高度的支持骨時，咬合力對其應力分布影響可能比較大，臨床上也經常遇到此類病例，但是種植體是否能夠長期存留并發揮作用尚存疑義[10，11]。因此本研究根據不同上頜竇內骨吸收的高度進行了分組，希望能為臨床提供一定的理論依據。

由于人體的特殊性以及醫學倫理的要求，無法直接分析正常的口腔生物組織的受力變化，也不可能直接進行大規模的臨床實驗，而三維有限元分析無侵入性和傷害性，成為目前口腔生物力學最普遍的研究手段。在上頜竇底提升術生物力學研究中，已經有學者對手術后骨組織與種植體應力分布進行了有限元分析[12，13]，并得出許多對臨床工作具有指導意義的結果。但是上頜竇底提升術后、竇內骨吸收對種植體及其周圍支持骨的應力變化，此類研究鮮有報道。

正常人的咬合力平均值為22.4-68.3kg[14]，一般情況下日常食物所需的咬合力范圍3-30 kg（30-300 N）[15]。大多數三維有限元實驗在加載負荷時選擇150-200 N[16]，也有些實驗選擇垂直向加載300 N，或者斜向45°加載200 N[17]，而關于水平向加載的研究相對較少。本實驗選取分別進行垂直向加載和水平向加載，均為200 N，能夠更直接地模擬咬合時垂直向承載的負荷和水平向承載的剪切力。本研究通過三維有限元分析，觀察上頜竇內發生骨吸收以后種植體及周圍骨組織的應力變化，發現無論是水平向加載還是垂直向加載時，隨著種植體周圍骨高度的降低，剩余骨質所承受的應力值逐漸增大。最大應力發生在種植體與牙槽骨平面交接處（頸部），以及接近穿透上頜骨的部分（近上頜竇底處）；種植體所受的應力整體呈逐漸減小的趨勢。當種植體周圍骨吸收6 mm，僅剩余4 mm 骨高度時，種植體周圍剩余骨質的Von Mises應力最大，特別是水平向載荷200 N 時，Von Mises 應力約80 Mpa。這提示我們在臨床上遇到上頜竇底提升后新生骨量降低明顯時，需注意減小牙冠所承載的水平力和剪切力。種植體周圍剩余骨質應力的加大可能會進一步加重骨吸收，如何有效降低種植體周圍骨質的應力，尚需進一步研究。同時，為了更好的指導臨床，未來我們將對不同體積的牙冠、種植體的基臺和中央螺絲的應力情況做進一步研究分析。

為了取得更好的提升效果，臨床上常采用提升同時植入骨移植材料，研究發現是否植入骨移植材料對種植體的長期存留無顯著影響，但新骨形成的效果卻不同[18-21]。無論是否植入骨移植材料，此類手術都會給患者帶來不同程度的痛苦和創傷，以及伴隨的一些術中和術后并發癥，特別是對于一些有上頜竇內病變如上頜竇炎、上頜竇囊腫及腫瘤等的患者。在特殊情況下無法進行上頜竇底提升時，如何最大限度的減少患者的痛苦和縮短治療周期，是否有更有效、更合理的技術來代替上頜竇底提升術，并能夠獲得良好的長期效果，尚需進一步研究。