两种型全口义齿修复下颌Ⅳ类骨吸收的三维有限元分析

丁玉琳 袁 硕 江丽娟 沈文静

随着我国步入老龄化社会，牙列缺失逐渐成为老年人群的口腔常见病、多发病，其严重影响到老年患者的生活质量和身心健康[1]。研究表明及时口腔修复可以改善老年人口腔健康相关的生活质量[2，3]。随着全口种植发展，全口种植修复为牙列缺失患者提供了一种新的可选择修复方式，但我国可进行全口种植义齿修复的患者不足万分之一[4]。因此，传统全口义齿修复仍是目前牙列缺失患者的主要修复方式。

本研究选取一例全口牙列缺失且下颌牙槽骨吸收呈Ⅳ类的病人，进行全口义齿修复，经CBCT 扫描构建解剖型和非解剖型对应的义齿基托、下颌骨的三维有限元模型，通过施加载荷，分析下颌牙槽骨重度吸收应用两种型时黏膜及牙槽骨的应力分布情况，为牙槽骨重度吸收的全口牙列缺失病人修复时选择人工牙提供理论依据。

资料和方法

一、原始数据获取

1.实验对象为一名就诊于河北医科大学口腔医院修复科的全口牙列缺失患者，临床检查后根据Atwood 分类法判定其下颌牙槽骨吸收程度属于Ⅳ类，即低平牙槽嵴，剩余牙槽嵴的高度和宽度均不足，已吸收至颌骨本体，CBCT 示右侧相当于颏孔处呈凹坑状，左侧较右侧稍宽大（图1），已不具备种植的条件。

2.为患者制作下颌全口义齿，在义齿基托中加入显影剂硫酸钡（硫酸钡能吸收X 射线从而使基托显影）以满足有限元建模的需要。患者戴入全口义齿基托进行CBCT 扫描，从而获得下颌骨、基托、人工牙的数据。以上均已获伦理委员会批准（2018031）。

二、建立模型

1.建模设备及图像处理软件：GE Light speed 64 排CT；Mimics21.0 软件（Materialise 公司，比利时）；Geomagic Studio2014 软件（Raindrop 公司，美国）；MSC.Patran2012 软件（NASA 公司，美国）；Hypermesh14.0 软件（Altair 公司，美国）；MSC.Nastran2012 软件（NASA 公司，美国）。

2.初始模型获取及处理优化阶段：将CT 扫描数据导入Mimics21.0 软件进行数据提取，采用软件内部工具对影像进行相关的修补、擦除等命令，运行Caculate3D 功能生成目标结构组织的三角面几何模型，使用STL Smoothener 进行平滑处理，得到精确的三维几何STL 模型，包括无牙齿咬合面形态的义齿基托、下颌骨的数字化模型，并导出STL 格式文件。

3.模型建立阶段：运用Geomagic Studio2014 软件，对其进行曲面拟合、修补、降噪和光顺化处理，形成几何实体模型。在此基础上逆向补充黏膜结构，将下颌骨皮质骨厚度设为2 mm，黏膜厚度根据义齿基托与下颌骨面之间的缝隙直接填充。将解剖型、非解剖型对应的人工牙咬合面形态数字图形与无牙齿咬合面形态的模型进行拟合，形成两种型对应的义齿基托几何实体模型。分别导出相应的STP 格式文件。

4.模型导入前处理软件：将STP 文件导入Hypermesh14.0 软件中进行网格划分，各模型的节点数和单元数见表1，得到有限元网格模型（图2），并形成BDF 格式文件，再导入前处理软件MSC.Patran2012 中进行有限元网格属性设置，设置材料参数定义（表2），其中下颌骨（骨皮质、骨松质）假设为非均质、正交各向异性的非线性弹性材料[9]，其他材料假设为均匀、连续、各向同性的线弹性材料[10，11]，义齿基托与支持组织之间不相对滑动。

表1 解剖型、非解剖型义齿基托网格划分

表1 解剖型、非解剖型义齿基托网格划分

模型组别解剖images/BZ_47_1671_2254_1712_2288.png型非解剖images/BZ_47_1671_2254_1712_2288.png型节点数量（nodes）57383 57383单元数量（Tet4 elements）280208 285089

表2 义齿基托模型各结构材料参数

图2 解剖型、非解剖型义齿基托对应的有限元网格模型

表3 施加载荷值（单位:N）

图3 测量点位图

6.模型导入后处理软件：在有限元后处理软件MSC.Nastran2012 中显示计算结果并提取数据，进行计算分析得出Von Mises 等效应力云图。

结 果

图4 正中咬合下黏膜表面压应力峰值（MPa）

图5 正中咬合下牙槽骨压应力峰值（MPa）

图6 解剖型与非解剖型黏膜表面Von Mises 等效应力云图

图7 解剖型与非解剖型牙槽骨表面Von Mises 等效应力云图

图8 两种型在左、右侧磨牙区黏膜的压应力比较

图9 两种型在左、右侧磨牙区牙槽骨的压应力比较

图10 左/右侧侧方咬合下解剖型在黏膜表面压应力峰值对比

图11 左/右侧侧方咬合下解剖型在牙槽骨表面压应力峰值对比

讨 论

牙列缺失后，牙槽骨以每年约0.5 mm 的水平持续吸收和改建，丰满的剩余牙槽嵴有足够的固位力和抵抗侧向力的能力，此时解剖型全口义齿尚可获得足够的固位与稳定[6]。但剩余牙槽嵴重度吸收使牙槽骨高度宽度均不足时，解剖型全口义齿便无法获得良好的固位及稳定，很难满足患者的正常生理需求。为了改善Ⅳ类患者下颌全口义齿的稳定性，改良型被越来越多的临床医生选择[13]。研究表明改良型全口义齿虽然会损失部分咀嚼效率[14]，但可通过减小所受侧向力来改善无牙颌患者义齿的固位及稳定[15]，获得较高的患者满意度[16]。

全口义齿基托在黏膜表面的应力可以在一定程度上可以反映佩戴义齿后的舒适度。黄梅娥[17]在IV类骨吸收患者的全口义齿修复实践中表明，从患者的角度出发，无疼痛是评价全口义齿成功与否的标准之一。本研究发现相较于解剖型，非解剖型减少对黏膜的压应力，可获得较好的黏膜舒适性，提高患者佩戴义齿舒适度，从而降低义齿基托下黏膜疼痛的发生率，更容易为患者所适应。牙尖斜度为0度的人工牙义齿，在垂直力作用下黏膜产生的水平位移最小[18]，说明非解剖型更稳定。同时有研究表明非解剖型全口义齿咀嚼效率下降可通过增加咀嚼频率来缓解[19，20]。正中咬合下，等效应力云图显示两组义齿基托均在前牙区舌侧黏膜处出现了较大的应力集中现象，与刘洋[21]等人观点一致，提示临床工作中要注意加强该区域的基托强度，避免折裂。两组义齿基托在黏膜表面产生的最大压应力均位于牙槽骨吸收更多的右侧磨牙区，可能与基托下由于骨组织吸收严重导致支持面积变小有关，提示在临床工作中牙槽骨严重吸收者可以适当伸展基托范围。

应力可从大小、方向、持续时间等多方面影响剩余牙槽嵴的吸收，其中力的方向是造成骨吸收的主要因素，侧向力比垂直向力所造成的应力集中要大，会加速牙槽骨的非正常吸收，改良型可以减缓大部分侧向力从而减缓牙槽嵴的吸收。根据Wolff’s定律，骨组织上的压应力越大，越集中，骨吸收越多。本实验发现非解剖型在牙槽骨表面未见明显的应力集中现象，应力较均匀分布于两侧磨牙区，可以避免不利骨吸收，对于牙槽嵴严重吸收的患者似乎是一种合理的选择。本实验首次比较左右两侧骨吸收程度不同的Ⅳ类下颌骨吸收病人（左侧牙槽骨较丰满，而右侧吸收成凹陷状）戴用义齿后的应力分布，发现两组义齿基托在牙槽骨表面产生的最大压应力均位于左侧磨牙区，在黏膜表面最大压应力均位于右侧磨牙区，因此牙槽骨丰满则可承担较大的压应力，否则牙槽骨吸收严重，支持能力降低，使黏膜压力增高。

Hassler 等[22]提出了骨维持的量化指标：1.72 Mpa是骨维持的最佳量，大于4.83 Mpa 才会引起病理性骨吸收。本研究中正中咬合下两种型在牙槽骨表面的最大应力值均小于1.5 Mpa，均在骨维持最佳量左右，在牙槽骨可承担的范围内，临床中可通过增加基托面积、人工牙减数等方法减少牙槽骨的受力。

总之，三维有限元凭借其建模便捷、算法精准、研究成本低、可对模型进行应力分析的优点已逐步被口腔多个领域广泛应用[23]，虽然其反映的静载结果与口内运动状态下的实际受力情况会有一定的差异，但仍可以反映不同型全口义齿在受力后黏膜和牙槽骨的应力规律。本研究利用三维有限元分析解剖型、非解剖型全口义齿受力后在黏膜和牙槽骨表面的应力分布，发现正中咬合时，与解剖型相比，非解剖型在黏膜和牙槽骨表面的应力分布更均匀；侧方咬合时，解剖型在黏膜及牙槽骨均承担比正中咬合时更大的压应力，而非解剖型无侧向力。为临床医师针对Ⅳ类骨吸收的下颌牙列缺失病人选择非解剖型全口义齿提供理论依据。