上颌窦底提升术后不同骨吸收高度种植体周围应力的三维有限元分析*

郭海涛 邓引昕 马 攀 刘长营

由于上颌骨内存在着特殊的解剖结构上颌窦，临床上上颌后牙种植时常遇到牙槽骨高度不足，目前解决的方法主要是上颌窦底提升术[1，2]。但其临床效果存在一定的局限性，部分患者经上颌窦底提升术后出现不明原因的提升高度降低，长期临床观察也发现上颌窦底提升术后提升部分存在骨吸收的情况较多[3]，使得种植体实际的骨结合高度小于自身长度。研究认为牙冠咬合负担过重、应力集中、上颌窦气化等均会造成上颌窦内新骨的吸收[4，5]。然而，目前关于负载后上颌窦内骨吸收即新骨高度降低后种植体周围应力变化的研究相对较少。因此，本研究通过建立三维有限元模型，观察经上颌窦底提升术后发生窦内骨吸收后种植体及其周围剩余骨质的应力，分析不同骨吸收高度的种植体周围应力变化趋势，为临床提供一定的理论基础。

1.材料与方法

1.1 材料

1.1.1 设备硬件NewTom VG CBCT (意大利)电压110 kV，电流3.6 mA，重建层厚为0.125 mm。

1.1.2 软件 建模软件：Mimics 21.0 软件（Materialise Company， Belgium）。 Geomagic Studio2014软件（Raindrop Company，America）。Hypermesh14.0软件（Altair Company， America）。有限元分析软件：MSC.Patran2012前处理软件（NASA Company，America）。MSC.Nastran2012后处理软件（NASA Company， America）。

1.1.3 建模 选择1 例仅上颌第一磨牙缺失的患者，此患者身体健康，颜面部外形基本正常，口颌系统基本正常，无明显牙周病及牙槽骨吸收，咬合关系基本正常，无颞下颌关节疾病。拍摄CBCT。采用Mimics21.0 软件对其进行数据提取，重建出上颌窦及上颌骨三维几何模型，并导出STL 格式文件。

1.1.4 网格划分、材料参数设定以及边界条件假设 在软件中修补、降噪、曲面化，将处理后的几何模型导出，将文件导入Hypermesh14.0 软件，进行网格划分，导出BDF 格式文件。在有限元软件中定义材料参数、约束、载荷及工况计算（见表1）。

表1 上颌骨皮质骨、松质骨，种植体、基台及牙冠结构材料参数[6]

1.2 方法

1.2.1 分组 建立经上颌窦底提升术后，在理想轴向植入种植体模型，设定种植体直径为4.5 mm，长度为10 mm。按照经上颌窦底提升骨结合良好并完成上部结构修复（负载）后的骨吸收高度分组：0 mm组（无骨吸收）、2 mm组（骨吸收2 mm）、4 mm组（骨吸收4 mm）、6 mm组（骨吸收6 mm）。对各组种植体周围的骨应力进行分析。

所有的有限元计算模型中，对骨骼上侧进行固定约束，对牙冠顶面分别施加垂直向和水平向的载荷，加载力量为正常人一般咀嚼力，两个方向载荷均为200 N，均匀分布在牙冠的5个点上，见图1。

图1 所有有限元模型中，对上颌骨顶部固定约束，在牙冠咬合面分别施加垂直向和水平向的载荷，两个方向载荷均为200 N，均匀分布在牙冠的5个点上。

2.结果

2.1 所建模型如下图：

2.1.1 牙冠、种植体、基台、上颌窦及上颌骨有限元模型，见图2。

图2 牙冠、种植体、基台、上颌骨的有限元模型

2.1.2 经上颌窦底提升术提升后不同骨吸收高度的应力分析模型，见图3。

图3 经上颌窦底提升术，负载后骨吸收0 mm、2 mm、4 mm、6 mm各组的三维有限元模型。

2.2 经上颌窦底提升术提升后不同骨吸收高度种植体周围剩余骨质的应力分析，见图4-11，表2，表3。

表2 理想位置植入种植体，水平向载荷200 N不同骨吸收高度时种植体、周围剩余骨质应力分布情况

表3 理想位置植入种植体，垂直向载荷200 N不同骨吸收高度时种植体及周围剩余骨质应力分布情况

1）理想位置植入种植体，负载后骨吸收0 mm（无骨吸收）时种植体、周围剩余骨质的应力分布，见图4、图5。最大应力发生在种植体与牙槽骨平面交接处（颈部）。

图4 骨吸收0 mm组，水平向载荷200 N，种植体的最大应力值为152 MPa，剩余骨质最大应力值为43 MPa。

图5 骨吸收0 mm组，垂直向载荷200 N，种植体最大应力值为57 MPa，剩余骨质的最大应力值为16 MPa。

2）理想位置植入种植体，负载后骨质吸收2 mm时种植体、周围剩余骨质应力分布，见图6、图7。最大应力发生在种植体与牙槽骨平面交接处（颈部），以及接近穿透上颌骨的部分（近上颌窦底处）。

图6 骨吸收2 mm组，水平向载荷200 N，种植体最大应力值为144 MPa，剩余骨质最大应力值为68 MPa。

图7 骨吸收2 mm组，垂直向载荷200 N，种植体最大应力值为55 MPa，剩余骨质最大应力值为32 MPa。

3）理想位置植入种植体，负载后骨质吸收4 mm时种植体、周围剩余骨质应力分布，见图8、图9。最大应力发生在种植体与牙槽骨平面交接处（颈部），以及接近穿透上颌骨的部分（近上颌窦底处）。

图8 骨吸收4 mm组，水平向载荷200 N，种植体最大应力值为129 MPa，剩余骨质最大应力值为74 MPa。

图9 骨吸收4 mm组，垂直向载荷200 N，种植体最大应力值为49 MPa，剩余骨质最大应力值为33 MPa。

4）理想位置植入种植体，负载后骨质吸收6 mm时种植体、周围剩余骨质应力分布，见图10、图11。最大应力主要发生在种植体与牙槽骨平面交接处（颈部）。水平载荷时种植体骨结合部分所受应力也较大。

图10 骨吸收6 mm组，水平向载荷200 N，种植体最大应力值为140 MPa，剩余骨质最大应力值为80 MPa。

图11 骨吸收6 mm组，垂直向载荷200 N，种植体最大应力值为45 MPa，剩余骨质最大应力值为36 MPa。

由此可见，水平向载荷200 N，随着种植体周围剩余骨高度的降低，剩余骨质所承受的应力值逐渐增大，最大应力发生在种植体与牙槽骨平面交接处（颈部），以及接近穿透上颌骨的部分（近上颌窦底处）；种植体所受的应力整体呈逐渐减小的趋势，而当骨吸收高度达6 mm 时，种植体被骨质包绕的部分（骨结合部分）所受应力也会变大。

由此可见，垂直向载荷200 N，随着种植体周围剩余骨高度的降低，剩余骨质所承受的应力值逐渐增大，最大应力发生在种植体与牙槽骨平面交接处（颈部），以及接近穿透上颌骨的部分（近上颌窦底处），而种植体所受的应力逐渐变小。

3.讨论

上颌窦底提升术是将上颌窦底黏膜从窦底分离、提升，植入骨移植材料，同期或分期植入种植体。主要有两种方式：穿牙槽嵴顶上颌窦底提升[7]和侧壁开窗上颌窦底提升[8]。在窦黏膜下空间、突入窦腔部分的种植体周围有新骨生成，长期临床观察发现种植体周围骨质存在一定的吸收，其影响因素有：上颌窦底的形态、窦底黏膜提升的高度、上颌窦内持续的气化压力等。目前，上颌窦区种植体周围骨吸收和改建的研究多集中于观察种植体颈部边缘骨水平的变化，也有关于上颌窦底提升后新生骨高度变化的研究，而关于负载后窦内骨高度吸收的研究相对较少。

国内李德华教授团队通过对84 例患者，共103枚种植体三年的随访观察，分别测量了新骨近中、远中和种植体根尖方的高度，发现3 年后新骨近中吸收率为23.27%，远中吸收率为20.16%，种植体根尖方新骨吸收率为39.6%[3]。国外Bragger 等通过对经上颌窦底提升并植入骨移植材料的19 名患者，共25 颗种植体一年的随访观察，发现在种植体根尖部可看到新骨影像，分别测量了新骨至种植体根部近中和远中的高度，术后新骨上缘到种植体根部近中的高度为（1.52±2.48）mm，3 个月后此区域新骨高度降低到（1.24±1.30）mm，而12 个月后新骨高度降低到（0.29±1.91）mm，在种植体根部远中同样观察到相似的变化[9]。以上研究均发现功能负载后上颌窦内新骨高度发生变化，然而，关于更大范围的窦内骨高度降低的研究尚未见报道，而且关于种植体及其周围应力的情况分析也未见报道。因此，本研究重点是观察经上颌窦底提升术并功能负载，上颌窦内发生骨吸收以后种植体及其周围支持骨的应力变化。我们在临床观察中发现，以常规植入长度10 mm 种植体为例，当上颌窦内骨吸收2 mm 时，种植体周围仍有8 mm 高度的支持骨，载荷时理论上咬合力主要分布在种植体冠方范围，对其周围应力影响不大，此类患者复诊时无需对咬合进行过大的调整；而随着窦内骨吸收的增加，当骨吸收6 mm 时，种植体周围仅剩余4 mm高度的支持骨时，咬合力对其应力分布影响可能比较大，临床上也经常遇到此类病例，但是种植体是否能够长期存留并发挥作用尚存疑义[10，11]。因此本研究根据不同上颌窦内骨吸收的高度进行了分组，希望能为临床提供一定的理论依据。

由于人体的特殊性以及医学伦理的要求，无法直接分析正常的口腔生物组织的受力变化，也不可能直接进行大规模的临床实验，而三维有限元分析无侵入性和伤害性，成为目前口腔生物力学最普遍的研究手段。在上颌窦底提升术生物力学研究中，已经有学者对手术后骨组织与种植体应力分布进行了有限元分析[12，13]，并得出许多对临床工作具有指导意义的结果。但是上颌窦底提升术后、窦内骨吸收对种植体及其周围支持骨的应力变化，此类研究鲜有报道。

正常人的咬合力平均值为22.4-68.3kg[14]，一般情况下日常食物所需的咬合力范围3-30 kg（30-300 N）[15]。大多数三维有限元实验在加载负荷时选择150-200 N[16]，也有些实验选择垂直向加载300 N，或者斜向45°加载200 N[17]，而关于水平向加载的研究相对较少。本实验选取分别进行垂直向加载和水平向加载，均为200 N，能够更直接地模拟咬合时垂直向承载的负荷和水平向承载的剪切力。本研究通过三维有限元分析，观察上颌窦内发生骨吸收以后种植体及周围骨组织的应力变化，发现无论是水平向加载还是垂直向加载时，随着种植体周围骨高度的降低，剩余骨质所承受的应力值逐渐增大。最大应力发生在种植体与牙槽骨平面交接处（颈部），以及接近穿透上颌骨的部分（近上颌窦底处）；种植体所受的应力整体呈逐渐减小的趋势。当种植体周围骨吸收6 mm，仅剩余4 mm 骨高度时，种植体周围剩余骨质的Von Mises应力最大，特别是水平向载荷200 N 时，Von Mises 应力约80 Mpa。这提示我们在临床上遇到上颌窦底提升后新生骨量降低明显时，需注意减小牙冠所承载的水平力和剪切力。种植体周围剩余骨质应力的加大可能会进一步加重骨吸收，如何有效降低种植体周围骨质的应力，尚需进一步研究。同时，为了更好的指导临床，未来我们将对不同体积的牙冠、种植体的基台和中央螺丝的应力情况做进一步研究分析。

为了取得更好的提升效果，临床上常采用提升同时植入骨移植材料，研究发现是否植入骨移植材料对种植体的长期存留无显著影响，但新骨形成的效果却不同[18-21]。无论是否植入骨移植材料，此类手术都会给患者带来不同程度的痛苦和创伤，以及伴随的一些术中和术后并发症，特别是对于一些有上颌窦内病变如上颌窦炎、上颌窦囊肿及肿瘤等的患者。在特殊情况下无法进行上颌窦底提升时，如何最大限度的减少患者的痛苦和缩短治疗周期，是否有更有效、更合理的技术来代替上颌窦底提升术，并能够获得良好的长期效果，尚需进一步研究。