上颌窦气化模型的建立及初步应力分析

蒋延波，陈东辉，李姣洁，周海伦，唐礼通讯作者）

（广西医科大学附属口腔医院；广西口腔颌面修复与重建研究重点实验室；广西颌面外科疾病诊治研究重点实验室；广西颅颌面畸形临床医学研究中心，广西 南宁）

0 引言

在口腔种植学中，良好的软硬组织条件，是种植修复成功的必要条件。而牙齿缺失通常导致缺牙区软硬组织的改变。尤其在上颌后牙区，当牙齿缺失后，由于上颌窦的存在，通常会造成上颌后牙区牙槽骨缺损，影响标准种植体的植入。

而在人体的4 个鼻窦中，上颌窦因其最接近上颌后牙而占据重要位置。当上颌骨发育时，上颌窦腔形成并在呼吸运动中被空气充满，给上颌窦内壁造成压力，我们将这一生理过程称为气化。上颌窦气化导致上颌窦向邻近解剖结构扩张，因此，上颌后牙区由于上颌窦的存在，是牙槽骨患病率最高的解剖区域。Chanavaz 报道上颌窦气化是由呼吸引起的上颌窦正压形成的，上颌窦正压导致骨膜破骨细胞活性增加引起上颌窦扩张。尤其上颌骨后端的IV 型软骨对这些过程的抵抗力较弱，更容易造成骨吸收。最后导致上颌后牙区牙槽骨的垂直高度下降。

目前，对上颌窦气化的研究仍然较少，一些文献报道，影响上颌窦气化的因素可能是：遗传、鼻粘膜气化、颅面形态、骨密度、鼻窦手术、生长激素、窦腔内气压和衰老过程。另一些研究表明，上颌后牙缺失也会影响上颌窦的气化。据报道，上颌后牙种植体的失败率高达30%-50%。

在一些研究中，三维有限元分析(FEA)已经研究了上颌后牙区种植体周围骨的受力分布。但是，目前对于上颌窦气化的研究仍然较少，大多研究都基于上颌后牙区骨量不足的解决方式。因此对于上颌窦气化发生的机制、预防、以及减少上颌窦气化造成的骨量不足的研究非常重要。不同上颌窦形态的压力是否不同，上颌窦骨移植物材料不同的形态是否产生不同的压力，骨替代材料的高度或宽度为多少能有效减小应力是尚需研究的中的。然而，上颌窦因其负杂的解剖结构，封闭性，以及动物实验模型操作的困难性。三维有限元方法建模可为上颌窦的相关研究提供更加简便、可靠、精确的研究方式。

1 材料与方法

1.1 Mimics 19.0 建模过程

上颌窦形状因人而异，呼吸时上颌窦底压力不同。根据上颌窦壁和底部的形态，Lixuan Niu 将上颌窦分为A 型：浅凹形、B 型：深凹形、C 型：平坦形、D 型：方形、E 型：不规则。但是，A 型和B型根据实际实验情况被归为一类，E 型由于其不确定性而未被纳入实验。因此，将上颌窦分为A 型：浅凹，B 型：深凹，C 型：平坦进行实验研究。对研究对象进行上颌窦周围的螺旋CT 扫描，采集DICOM 格式原始数据，将原数据导入Mimics 软件，依次进行如下处理（1）依据不同组织的灰度值进行自动化阈值分割区分，初步分离出上颌窦周围组织，（2）利用mask 建立各个部分结构模型，（3）利用手工编辑图层工具擦除多余的部分或者补上缺失的部分，（4）对模型分别进行wrap 和smoothing 处理，填补孔和光滑表面，初步建立相应三维模型，导出STL 格式模型数据文件（图1）。

1.2 Geomagic Studio 2013

将Mimics 生成的STL 格式文件导入Geomagic 软件中，抹去模型钉状物和多余特征处理，然后对模型进行优化光滑处理，使用精确曲面模块探测模型轮廓线，对变形或者不合理的轮廓进行编辑，适当添加轮廓线以方便生成曲面片；曲面片生成成功后拟合曲面，然后将拟合完成的曲面，将光滑后的模型导出为通用的STEP格式模型数据文件（图2）。

图1 Mimics 软件操作图示

图2 Geomagic 软件对上颌窦模型进行光滑处理

图3 SolidWorks 软件不同设定不同材料特性

1.3 Solidworks 2017 建模过程

将Geomagic 软件生成的几何模型格式文件导入SolidWorks软件中，对几何模型进行特征识别和曲面诊断，对有问题的曲面进行修复，再在零件界面使用特征/曲面等模块进行建立上颌窦其余模型，分别建立不同类型的松质骨、骨粉模型，再进入装配界面调整位置，与皮质骨、上颌窦膜装配为一个完整的实体。最后将模型保存为SLDPRT 零件格式文件，进行组合处理并保存（图3）。

1.4 ANSYS 17.0 有限元建模过程

将Solidworks 中生成的体网格模型导入ANSYS 软件中，建立Static Structural 分析类型，在分析材料库中分别建立皮质骨，松质骨，窦膜，骨粉等材料属性参数，进入Mechanical 工作界面（图4）。

第1 步：在geometry 中分别对皮质骨，松质骨，窦膜，骨粉等进行赋值。本次研究的窦膜弹性模量设置为58MPa、泊松比0.45，骨粉弹性模量10910 MPa、泊松比0.24。

第2 步：在connection 中定义模型间的接触类型，接触类型均设置为bone 绑定（即相互之间的关系为固定关系）；

第3 步：对模型进行网格划分。为了保证计算的精度达到分析的要求，对网格的类型和网格大小进行控制，其中网格类型设置为四面体网格，网格大小设置为2.0mm；

第4 步：设置边界条件和载荷。根据相关研究，边界条件定义最外层皮质骨底面为刚性约束，X、Y、Z 轴自由度为0，于窦膜内表面施加均匀分布的压力载荷，模拟气体从窦孔进去时上颌窦以及植入的骨粉的受力情况。

2 结果

2.1 标准的上颌窦三维有限元模型建立结果

成功建立了上颌窦及上颌窦提升后三维有限元模型（图5），可以有效模拟上颌窦气化时上颌窦底部受力状况以及上颌窦提升术后不同底部宽度或高度植骨材料表面所受应力变化，模拟上颌窦气化的发生机制以及气流的导向，还可模拟上颌后牙区不同牙槽骨高度的种植，评估不同牙槽骨垂直骨高度种植体的稳定性以及应力分布，以及进行上颌窦提升术后植骨的应力分析。

2.2 上颌窦三维有限元模型应力分析

利用自主建立的上颌窦三维有限元模型，通过ANSYS 软件施加应力，得到了三种上颌窦窦壁的应力分布，在三种不同底部形态上颌窦中，当施加压力都为100pa 时，平坦型上颌窦底部vion Mises 力最大，深凹型上颌窦底部vion Mises 最小（图6）。

3 讨论

上颌窦的形成开始于子宫内生活的第10 周，并在整个生命周期中扩张。Adibelli 等人报道说，上颌窦在出生时就已经开始气化了，并且由于持续的气化，上颌窦的体积迅速增大。上颌窦气化的机制、过程、以及影响是目前仍需研究的问题。

图4 ANSYS 软件设置边界条件和载荷

图5 三种形态上颌窦三维有限元模型A:浅凹型上颌窦B：深凹型上颌窦 C：平坦型上颌窦

图6 三种上颌窦窦底应力分布 A：浅凹型 B：深凹型 C：平坦型

在口腔生物力学研究中，FEM 是一种重要的研究方法，其结果除了与有限元模型的准确性相关外，还与模型相关材料性能的结构研究及模型边界条件的设定密切相关，而本实验假设所有材料为连续、均质、各向同性的弹性材料。目前国内学者大多运用Dicom 格式数据文件直接建模，直接读取数据以及处理，避免数据的反复传导，文件格式的转换造成的数据失真或丢失。本实验即运用CBCT 扫描数据，重建上颌窦三维模型，充分利用了各建模软件，简化了图像处理和转化繁琐的过程，显著的提高了模型的精度。实验应用Mimics 软件快速、精确的建立人体上颌窦初步模型，然后再用Geomagic 软件对模型进行优化光滑处理，再用SolidWorks 软件设定了不同材料特性，成功的建立了上颌窦的三维有限元模型，最后进行相关的应力分析，可测量每个点或面的应力，也可模拟任何形式的压力情况。

FEA 只是尽可能的模仿临床实际情况，由三维有限元模型得出的理论分析计算结果，因此，必须结合临床实践或动物实验等具体分析，以印证补充理论结果。而在过去的三十年中，有限元分析(FEA)虽然被广泛用于预测各种临床因素对种植成功的生物力学性能，但后上颌骨窦区十分复杂，很难得到准确的三维模型，且每个病人上颌窦解剖结构差异较大，只能大致模拟几种不同上颌窦形态的模型。而在模拟上颌窦气化的过程中，由于上颌窦动态气流的复杂性，以及每个患者呼吸功能、呼吸习惯、发音方式、以及解剖结构的不同，无法真实模拟上颌窦内部的气流导向以及真实压力大小。此外，实验中对于弹性形变材料，例如窦底黏膜的设定仅采用了正常未植骨，未受任何压力的情况下的窦底黏膜物理参数，对于窦底黏膜的个体差异，以及其在植骨条件下和气化环境下的物理性能还未深入探究和细化设定。在气化环境的模拟中，Mimics 软件未能模拟具体气流在腔体内的运动和流体力学的仿生。这将会是我们在未来的研究有待中细化和探讨。有研究报道，在上颌骨窦区种植体的有限元研究中，传统的简化三维有限元模型与CBCT DICOM 数据建立的完整上颌骨模型并无太大差异。

本实验建立上颌窦气化模型，不仅可以模拟上颌窦气化时的应力分布，还有助于根据不同上颌窦形态、不同上颌骨高度制定不同的种植方案。在目前种植领域，越来越多临床医生使用短种植体以及倾斜种植避免行上颌窦提升术，不仅可减少患者费用以及时间，还可避免上颌窦提升术后并发症的发生。Hurzeleret 等报道正压促进上颌窦骨移植术后骨吸收。这会导致种植体周围边缘骨吸收的形成，影响种植体的长期稳定性，甚至导致种植体的失败。而在使用不同方案前，种植体以及周围骨组织的应力分布都是未知，由于动物实验的局限性，无法准确模拟人体上颌窦后牙区种植，因此，三维有限元分析对新的种植方案的实施非常重要。

本实验进一步对三种不同窦底形态上颌窦进行初步的应力分析，结果显示，平坦型上颌窦底部所受到的应力最大，且远大于浅凹型和深凹型上颌窦。而浅凹和深凹型上颌窦受到的应力大小类似。因此，在患者上颌窦为平坦型时，应更注意上颌窦气化带来的骨吸收的风险，当患者上颌后牙需拔除时，可考虑行位点保存术，或者即刻种植、即刻负载等减少骨吸收的发生。而当行上颌窦提升术时，应适当增加植骨材料的高度和宽度，以应对骨吸收的发生。当患者上颌窦形态为浅凹型或深凹型时，可考虑拔牙后三月行种植术，减少患者的费用以及时间。

本实验成功建立了上颌窦气化模型，并初步分析了三种不同上颌窦窦底的应力，为研究上颌窦气化提供了基础，为不同上颌窦形态的种植方案提供了理论依据。