張 晶,袁 碩,沈文靜

(1.河北醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院,河北醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)院修復(fù)科,河北省口腔醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北省口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心,河北 石家莊 050017;2.河北醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院,河北省口腔醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北省口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心,河北 石家莊 050017)

無(wú)牙頜患者根據(jù)牙槽骨吸收程度將牙槽骨分為四類,其中Ⅳ類無(wú)牙頜牙槽骨由于上下牙槽骨吸收嚴(yán)重,不利于全口義齒修復(fù)后咀嚼過(guò)程中的固位及穩(wěn)定。因此,提出了舌側(cè)集中牙合型,相對(duì)解剖牙合型可以最大限度地減少反牙合情況下產(chǎn)生的側(cè)向力[1],增加義齒咀嚼過(guò)程中的穩(wěn)定性。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外研究對(duì)舌側(cè)集中牙合型與解剖牙合型的患者滿意度、修復(fù)治療后的維護(hù)等進(jìn)行了大量研究。認(rèn)為舌側(cè)集中牙合型在無(wú)牙頜修復(fù)治療后患者滿意度、修理次數(shù)等方面擁有優(yōu)勢(shì)[2-3]。然而,舌側(cè)集中牙合型對(duì)Ⅳ類無(wú)牙頜牙槽骨基托下黏膜及牙槽骨的應(yīng)力如何分布、與解剖牙合型有何不同未見(jiàn)報(bào)道。本研究利用三維有限元分析兩種牙合型基托下黏膜及牙槽骨應(yīng)力的大小,為臨床Ⅳ類下頜牙槽骨嚴(yán)重吸收患者獲得更舒適的義齒,在人工牙合型選擇上提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1一般資料 河北醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)院修復(fù)科就診全口牙列缺失患者1例(2019年3月-2019年10月),65歲,女性,下頜牙槽骨吸收為Ⅳ類,左側(cè)牙槽骨低平,右側(cè)牙槽骨稍凹陷,頦孔接近牙槽嵴頂。

本研究經(jīng)醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)審批通過(guò)[批準(zhǔn)號(hào):[2018]倫審字(031)號(hào)]。

1.2方法 為患者制作無(wú)牙齒咬合面形態(tài)的上、下頜全口義齒,在義齒基托中加入顯影劑硫酸鋇,應(yīng)用錐形束投照計(jì)算機(jī)重組斷層影像設(shè)備(cone beam computer tomography,CBCT)進(jìn)行掃描,取坐位,上下頜牙齒咬緊于咬合板,頭部固定,進(jìn)行顱頜面的掃描。從而獲得下頜骨、基托、人工牙的數(shù)據(jù)。掃描參數(shù):電壓110 kV,層厚0.2 mm,以DICOM格式保存。

1.3有限元模型的建立 將DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics21三維成像軟件,通過(guò)Geomagic Studio、MSC.Patran2012獲得其幾何實(shí)體模型。選取兩種不同數(shù)字化牙合面形態(tài)與幾何實(shí)體模型進(jìn)行擬合,最終形成解剖牙合型、舌側(cè)集中牙合型2個(gè)模型。

1.4實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定

1.4.1材料屬性和網(wǎng)格劃分 有限元模型均采用實(shí)體單元網(wǎng)格(Tet4 Elements),當(dāng)上下頜骨進(jìn)行正中、側(cè)方咬合作用時(shí),下頜骨處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài),假設(shè)義齒基托與支持組織之間不相對(duì)滑動(dòng)[4-5],其他各體之間按綁定連接[6],以保證力的正常合理傳遞(圖1)。解剖牙合型、舌側(cè)集中牙合型對(duì)應(yīng)的下頜骨義齒基托結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分見(jiàn)表1。

表1 解剖牙合型、舌側(cè)集中牙合型義齒基托網(wǎng)格劃分

圖1 義齒基托有限元網(wǎng)格模型A.解剖牙合型;B.舌側(cè)集中牙合型Figure 1 Finite element mesh die for denture base

1.4.2組織材料力學(xué)參數(shù) 由于皮質(zhì)骨具有更高的彈性模量,皮質(zhì)骨中的應(yīng)力遠(yuǎn)高于松質(zhì)骨中的應(yīng)力,因此將實(shí)驗(yàn)中下頜骨(骨皮質(zhì)、骨松質(zhì))假設(shè)為非均質(zhì)、各交各向異性的非線性彈性材料[7-9],下頜骨的高質(zhì)量各向異性有限元模型使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為可靠。其他材料假設(shè)為均勻、連續(xù)、各向同性的線彈性材料[10-12]。

1.4.3加載方式 垂直加載,正中咬合時(shí)在后牙區(qū)自第二磨牙至第一前磨牙上分別垂直加載[5],其中前牙咬合力為0,兩側(cè)同名牙從第一前磨牙依次為66 N、85 N、94 N、58 N。其解剖牙合型正中咬合加載作用點(diǎn)按照已有咬合實(shí)驗(yàn)所測(cè)量位置施加(圖2A),舌側(cè)集中牙合型正中咬合加載作用點(diǎn)按照實(shí)際正中咬合實(shí)驗(yàn)所測(cè)量位置施加(圖2B);由于側(cè)方加載荷載值目前尚無(wú)報(bào)道,具體按照實(shí)際側(cè)方咬合實(shí)驗(yàn)測(cè)量位置設(shè)置(圖2C,2D),壓力與正中咬合載荷值大小相同。

圖2 咬合點(diǎn)位圖

2 結(jié) 果

2.1正中咬合 正中咬合時(shí),舌側(cè)集中牙合型在下頜無(wú)牙頜黏膜及下頜牙槽骨應(yīng)力分布更均勻。

正中咬合時(shí),范式等效應(yīng)力云圖和最大主應(yīng)力云圖顯示,解剖牙合型與舌側(cè)集中牙合型下頜黏膜應(yīng)力分布規(guī)律一致。范式等效應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn):前牙區(qū)舌側(cè)黏膜屈服應(yīng)力集中,且屈服應(yīng)力由前牙區(qū)向兩側(cè)后牙區(qū)逐漸減小;最大主應(yīng)力云圖顯示下無(wú)牙頜黏膜頰側(cè)為拉應(yīng)力,舌側(cè)為壓應(yīng)力(圖3)。

圖3 解剖牙合型、舌側(cè)集中牙合型正中咬合時(shí)黏膜范式等效應(yīng)力云圖及最大主應(yīng)力云圖

正中咬合時(shí),從最大主應(yīng)力云圖上可以發(fā)現(xiàn)相對(duì)解剖牙合型的黏膜表面壓應(yīng)力,舌側(cè)集中牙合型對(duì)應(yīng)的黏膜壓應(yīng)力下降0.6%～31.2%,在前牙區(qū)黏膜壓應(yīng)力降低最顯著(圖4A);而舌側(cè)集中牙合型與解剖牙合型的黏膜壓應(yīng)力,右側(cè)磨牙區(qū)均高于左側(cè)磨牙區(qū)(圖4B)。

圖4 解剖牙合型、舌側(cè)集中牙合型正中咬合時(shí)黏膜壓應(yīng)力峰值對(duì)比圖A.正中咬合時(shí)相對(duì)解剖牙合型的黏膜壓應(yīng)力增量百分比;B.正中咬合狀態(tài)下黏膜壓應(yīng)力峰值(MPa)

在正中咬合狀態(tài)下,解剖牙合型、舌側(cè)集中牙合型牙槽骨應(yīng)力分布在范式等效應(yīng)力云圖和最大主應(yīng)力云圖上分布規(guī)律基本一致。兩種牙合型正中咬合時(shí)牙槽骨應(yīng)力分布較均勻,未見(jiàn)應(yīng)力集中區(qū);左側(cè)牙槽骨及牙槽嵴頂屈服應(yīng)力較大,其余部分應(yīng)力逐漸減少;左側(cè)牙槽骨唇頰側(cè)的拉應(yīng)力較大,其余部分的拉應(yīng)力逐漸減少,前牙舌側(cè)分布為壓應(yīng)力(圖5)。

圖5 解剖牙合型、舌側(cè)集中牙合型正中咬合時(shí)牙槽骨范式等效應(yīng)力云圖及最大主應(yīng)力云圖

正中咬合時(shí),舌側(cè)集中牙合型在左側(cè)磨牙區(qū)和前牙區(qū)相對(duì)解剖牙合型的牙槽骨應(yīng)力下降19.0%～35.1%,但在右側(cè)磨牙區(qū)升高約53.3%(圖6A);舌側(cè)集中牙合型與解剖牙合型的牙槽骨壓應(yīng)力,右側(cè)磨牙區(qū)均低于左側(cè)磨牙區(qū)(圖6B),因此,舌側(cè)集中牙合型左右側(cè)牙槽骨的壓應(yīng)力峰值較均勻,而解剖牙合型左右兩側(cè)壓應(yīng)力峰值差別較大。

圖6 解剖牙合型、舌側(cè)集中牙合型正中咬合時(shí)牙槽骨壓應(yīng)力峰值對(duì)比圖A.正中咬合時(shí)相對(duì)解剖牙合型的牙槽骨壓應(yīng)力增量百分比;B.正中咬合狀態(tài)下牙槽骨壓應(yīng)力峰值(MPa)

2.2側(cè)方咬合 側(cè)方咬合時(shí),解剖牙合型和舌側(cè)集中牙合型工作側(cè)下頜黏膜及牙槽骨的應(yīng)力分布均較集中。

左側(cè)方咬合時(shí),黏膜范式等效應(yīng)力云圖顯示:應(yīng)力分布趨勢(shì)較一致,兩種牙合型應(yīng)力均集中于左側(cè)牙槽嵴頂黏膜,右側(cè)應(yīng)力逐漸減小;而舌側(cè)集中牙合在側(cè)方合時(shí)應(yīng)力分布更均勻;最大主應(yīng)力云圖顯示:在左側(cè)方咬合時(shí),兩種牙合型均顯示左側(cè)壓應(yīng)力較集中,對(duì)側(cè)應(yīng)力減少;而舌側(cè)集中牙合在左側(cè)側(cè)方咬合時(shí),左右側(cè)黏膜應(yīng)力分布更均勻(圖7)。右側(cè)側(cè)方咬合時(shí)結(jié)果同左側(cè)側(cè)方咬合結(jié)果趨勢(shì)相同(圖8)。

圖7 解剖牙合型、舌側(cè)集中牙合型左側(cè)側(cè)方咬合時(shí)黏膜范式等效應(yīng)力云圖及最大主應(yīng)力云圖

圖8 解剖牙合型、舌側(cè)集中牙合型右側(cè)側(cè)方咬合時(shí)黏膜范式等效應(yīng)力云圖及最大主應(yīng)力云圖

側(cè)方咬合時(shí),工作側(cè)黏膜應(yīng)力均比非工作側(cè)應(yīng)力大;左側(cè)側(cè)方咬合時(shí),舌側(cè)集中牙合型在黏膜上的壓應(yīng)力相對(duì)解剖牙合型的應(yīng)力下降41.1%～65.9%,下頜牙槽骨Ⅳ類吸收(左側(cè)牙槽骨)時(shí),相比解剖牙合型舌側(cè)集中牙合型黏膜應(yīng)力均減小;右側(cè)側(cè)方咬合時(shí),舌側(cè)集中牙合型在黏膜上的壓應(yīng)力相對(duì)解剖牙合型的應(yīng)力下降24.4%～34.9%,相比解剖牙合型,舌側(cè)集中牙合型在黏膜的應(yīng)力分布均減小。而相同牙合型比較,牙槽骨條件較差的右側(cè)作為工作側(cè)時(shí),工作側(cè)黏膜壓應(yīng)力均高于牙槽骨較豐滿的左側(cè)作為工作側(cè)時(shí)的工作側(cè)黏膜壓應(yīng)力(圖9)。

圖9 左、右側(cè)側(cè)方咬合狀態(tài)下黏膜表面壓應(yīng)力峰值

左側(cè)方咬合時(shí),牙槽骨范式等效應(yīng)力云圖顯示:應(yīng)力分布趨勢(shì)較一致,兩種牙合型應(yīng)力均集中于左側(cè)牙槽嵴頂,右側(cè)應(yīng)力逐漸減小;而舌側(cè)集中牙合在側(cè)方合時(shí)應(yīng)力分布更均勻;最大主應(yīng)力云圖顯示:在左側(cè)側(cè)方咬合時(shí),兩種牙合型均顯示左側(cè)壓應(yīng)力較集中,對(duì)側(cè)應(yīng)力減少;而舌側(cè)集中牙合在左側(cè)側(cè)方咬合時(shí),左右側(cè)牙槽骨應(yīng)力分布更均勻(圖10)。右側(cè)側(cè)方咬合時(shí)結(jié)果同左側(cè)側(cè)方咬合結(jié)果相同(圖11)。

圖10 解剖牙合型、舌側(cè)集中牙合型左側(cè)側(cè)方咬合時(shí)牙槽骨范式等效應(yīng)力云圖及最大主應(yīng)力云圖

圖11 解剖牙合型、舌側(cè)集中牙合型右側(cè)側(cè)方咬合時(shí)牙槽骨范式等效應(yīng)力云圖及最大主應(yīng)力云圖

側(cè)方咬合時(shí),工作側(cè)牙槽骨應(yīng)力均比非工作側(cè)應(yīng)力大;左側(cè)側(cè)方咬合時(shí),舌側(cè)集中牙合型在牙槽骨上的壓應(yīng)力相對(duì)解剖牙合型的應(yīng)力下降47.7%～70.2%,下頜牙槽骨Ⅳ類吸收(左側(cè)牙槽骨)時(shí),相比解剖牙合型,舌側(cè)集中牙合型牙槽骨壓應(yīng)力下降明顯。右側(cè)側(cè)方咬合時(shí),舌側(cè)集中牙合型在黏膜上的壓應(yīng)力相對(duì)解剖牙合型的應(yīng)力下降43.0%～63.8%;相比解剖牙合型,舌側(cè)集中牙合型黏膜壓應(yīng)力下降明顯(圖12)。而相同牙合型比較,牙槽骨條件較差的右側(cè)作為工作側(cè)時(shí),工作側(cè)牙槽骨的壓應(yīng)力均低于牙槽骨較豐滿的左側(cè)作為工作側(cè)時(shí)的工作側(cè)牙槽骨壓應(yīng)力(圖12)。

圖12 左、右側(cè)側(cè)方咬合狀態(tài)下牙槽骨表面壓應(yīng)力峰值

3 討 論

根據(jù)Atwood和Cawood的分類法,將牙槽嵴吸收分為四類,其中Ⅳ類牙槽嵴為扁平狀或凹形牙槽嵴(剩余牙槽嵴高度和寬度均重度吸收或吸收達(dá)基骨及基骨以下),由于下頜全口義齒基托面積小,牙槽嵴吸收嚴(yán)重時(shí),下頜全口義齒不穩(wěn)定,受力后易產(chǎn)生壓痛,是全口義齒制作的難點(diǎn)。有限元分析作為一種準(zhǔn)確的形態(tài)及力學(xué)分析手段,目前廣泛用于生物力學(xué)行為的研究,并提供相應(yīng)部位應(yīng)力分布情況和應(yīng)力大小[9,13-14]。使用三維有限元分析可以更準(zhǔn)確的分析不同咬合力、不同頜骨條件、不同人工牙牙合面形態(tài)等對(duì)黏膜及牙槽骨應(yīng)力分布的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果具代表性,減小了實(shí)驗(yàn)對(duì)患者的依賴性。因此本研究選用下頜Ⅳ類無(wú)牙頜牙槽嵴患者一例,創(chuàng)建下頜骨有限元模型,研究?jī)煞N不同牙合型全口義齒修復(fù)對(duì)下頜Ⅳ類無(wú)牙頜牙槽骨及黏膜應(yīng)力分布趨勢(shì),為臨床下頜牙槽骨吸收嚴(yán)重患者選擇合適人工牙合型提供理論參考[15]。

眾多牙合型中舌側(cè)集中牙合型是以上頜的牙尖與下頜的牙合面窩建牙合,從而保留了解剖式牙合全口義齒和非解剖式牙合全口義齒的大部分優(yōu)點(diǎn):保留了部分牙尖形態(tài),牙齒更美觀、自然;有較高的咀嚼效能和較好的食物穿透力;可以在正中關(guān)系附近建立平衡牙合,提高義齒穩(wěn)定性;減少下頜殘余牙槽嵴上的側(cè)向力和中心垂直力[1]。

Patel等[16]在隨機(jī)交叉實(shí)驗(yàn)中比較了患者在使用后對(duì)兩種牙合型總義齒的總體滿意度、舒適度、說(shuō)話能力、穩(wěn)定性、美觀、易于清潔和咀嚼能力,結(jié)果表明兩種牙合型的全口義齒在說(shuō)話能力、舒適度、咀嚼能力[17-18]和假牙清潔的難易度方面差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。可見(jiàn)舌側(cè)集中牙合型與解剖牙合型修復(fù)患者無(wú)牙頜均可獲得患者的認(rèn)同。其中,患者的整體滿意度包括全口義齒戴用舒適度[19-20],而全口義齒戴用的舒適度又取決于患者在戴用全口義齒時(shí)黏膜是否發(fā)生壓痛。本研究通過(guò)對(duì)兩種牙合型模型的分析,發(fā)現(xiàn)正中咬合狀態(tài)下,前牙區(qū)舌側(cè)局部解剖牙合型黏膜表面出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中,舌側(cè)集中牙合型前牙區(qū)舌側(cè)應(yīng)力集中減少,說(shuō)明正中咬合時(shí)解剖牙合型易致前牙區(qū)舌側(cè)黏膜損傷,舌側(cè)集中牙合型可降低前牙區(qū)黏膜的壓應(yīng)力,在一定程度上減少對(duì)黏膜的損傷;由于患者下頜牙槽脊屬于分類中的第Ⅳ類,且左側(cè)牙槽骨低平,右側(cè)牙槽骨表面呈凹陷狀,吸收近下頜神經(jīng)管,在正中咬合時(shí)解剖牙合型表現(xiàn)為右側(cè)黏膜壓應(yīng)力高于左側(cè),右側(cè)牙槽骨壓應(yīng)力低于左側(cè),說(shuō)明在第Ⅳ類牙槽脊中,低平牙槽脊黏膜及牙槽骨受力均勻,而凹陷狀牙槽脊黏膜壓應(yīng)力相應(yīng)增高,牙槽骨壓應(yīng)力相應(yīng)降低,戴用解剖牙合型全口義齒后,第Ⅳ類牙槽脊中凹陷狀牙槽脊黏膜更易壓痛,有趣的是,相比解剖牙合型,舌側(cè)集中牙合型的右側(cè)磨牙區(qū)黏膜壓應(yīng)力降低、牙槽骨壓應(yīng)力升高,從而使左右側(cè)黏膜及牙槽骨壓應(yīng)力更均勻,相比解剖牙合型,舌側(cè)集中牙合型在正中咬合時(shí)戴用更舒適[19]。

臨床上,佩戴全口義齒的患者面臨的最大問(wèn)題是牙槽骨的持續(xù)吸收[21]。側(cè)向力是導(dǎo)致牙槽骨吸收的主要原因之一。Kelly等[22]發(fā)現(xiàn)在研究骨骼受到應(yīng)力后的變化時(shí),使用最大主應(yīng)力可以得到更準(zhǔn)確的研究結(jié)果。本研究中側(cè)方咬合狀態(tài)下,對(duì)解剖牙合型及舌側(cè)集中牙合型進(jìn)行側(cè)方咬合加載時(shí),黏膜上最大壓應(yīng)力位于工作側(cè)的磨牙區(qū),黏膜上壓應(yīng)力分布整體呈現(xiàn)“工作側(cè)磨牙區(qū)>前牙區(qū)及非工作側(cè)磨牙區(qū)”趨勢(shì);兩種牙合型的牙槽骨上最大壓應(yīng)力均位于工作側(cè)的磨牙區(qū),且壓應(yīng)力分布整體呈現(xiàn)“工作側(cè)磨牙區(qū)>前牙區(qū)及非工作側(cè)磨牙區(qū)”趨勢(shì)。舌側(cè)集中牙合型在前牙區(qū)、后牙區(qū)比解剖牙合型對(duì)應(yīng)的黏膜及牙槽骨表面壓應(yīng)力值均降低且分布較均勻,提示側(cè)方咬合狀態(tài)下,工作側(cè)黏膜及牙槽骨承受最大壓力,舌側(cè)集中牙合型有利于減少咀嚼時(shí)前牙區(qū)及后牙區(qū)黏膜與牙槽骨的受力,有利于維護(hù)口腔黏膜以及牙槽骨的健康;而右側(cè)側(cè)方咬合時(shí),由于牙槽骨條件差,右側(cè)黏膜及牙槽骨壓應(yīng)力明顯升高。與患者的臨床表現(xiàn)為黏膜或牙槽骨壓痛相一致。但牙槽骨條件差的右側(cè)作為工作側(cè)時(shí),舌側(cè)集中牙合型比解剖牙合型在黏膜及牙槽骨的應(yīng)力分布趨勢(shì)更均勻。本研究結(jié)果與之相同,Kawai等[21]研究發(fā)現(xiàn)舌側(cè)集中牙合型有利于減少側(cè)向力,同時(shí)在臨床患者使用過(guò)程中,研究同樣發(fā)現(xiàn)在剩余牙槽骨條件較差的情況下,患者更傾向于使用舌側(cè)集中牙合型全口義齒,以獲得可接受的穩(wěn)定性、咀嚼效率和固位力[15,23]。因此,臨床上牙槽骨條件差時(shí)建議采用舌側(cè)集中牙合型修復(fù)全口義齒。

總之,Kawai等[21]認(rèn)為舌側(cè)集中牙合型全口義齒可降低全口義齒戴用時(shí)產(chǎn)生的壓痛,當(dāng)下頜牙槽骨重度吸收,尤其是高度小于20 mm的患者,應(yīng)該優(yōu)先選用舌側(cè)集中牙合型全口義齒修復(fù)無(wú)牙頜。然而,最近Alsaggaf等[24]在病例對(duì)照研究中發(fā)現(xiàn)戴用全口義齒的患者剩余牙槽嵴在五年后的再吸收明顯高于不戴用全口義齒的患者。牙槽嵴的吸收隨著時(shí)間的推移而持續(xù),直到戴用全口義齒的患者牙槽嵴嚴(yán)重吸收,而不戴用全口義齒的患者牙槽嵴的吸收隨著時(shí)間的推移保持穩(wěn)定。這一研究更加證明了牙槽脊吸收嚴(yán)重時(shí),使用壓應(yīng)力小的舌側(cè)集中牙合型的重要性[15]。本研究通過(guò)創(chuàng)建患者的下頜骨有限元模型,分析解剖牙合型和舌側(cè)集中牙合型修復(fù)Ⅳ類下頜無(wú)牙頜后黏膜和牙槽骨的應(yīng)力分布情況,發(fā)現(xiàn)舌側(cè)集中牙合型在正中咬合與側(cè)方咬合時(shí)的黏膜及牙槽骨應(yīng)力分布更均勻,更適用于牙槽骨吸收較嚴(yán)重的患者。

綜上所述,下頜無(wú)牙頜全口義齒修復(fù)中,舌側(cè)集中牙合型有利于獲得更好的應(yīng)力分布;相對(duì)解剖牙合型,舌側(cè)集中牙合型可減少正中咬合時(shí)前牙區(qū)、左側(cè)后牙區(qū)以及側(cè)方咬合時(shí)前牙區(qū)、工作側(cè)、非工作側(cè)黏膜和牙槽骨壓應(yīng)力,降低患者不舒適感,為臨床下頜牙槽骨吸收嚴(yán)重患者選擇合適人工牙合型提供理論參考。