解剖牙合型與舌側集中牙合型對下頜Ⅳ類無牙頜的牙槽骨和黏膜影響的三維有限元分析

張 晶,袁 碩,沈文靜

(1.河北醫科大學口腔醫學院,河北醫科大學口腔醫院修復科,河北省口腔醫學重點實驗室,河北省口腔疾病臨床醫學研究中心,河北 石家莊 050017;2.河北醫科大學口腔醫學院,河北省口腔醫學重點實驗室,河北省口腔疾病臨床醫學研究中心,河北 石家莊 050017)

無牙頜患者根據牙槽骨吸收程度將牙槽骨分為四類,其中Ⅳ類無牙頜牙槽骨由于上下牙槽骨吸收嚴重,不利于全口義齒修復后咀嚼過程中的固位及穩定。因此,提出了舌側集中牙合型,相對解剖牙合型可以最大限度地減少反牙合情況下產生的側向力[1],增加義齒咀嚼過程中的穩定性。近年來,國內外研究對舌側集中牙合型與解剖牙合型的患者滿意度、修復治療后的維護等進行了大量研究。認為舌側集中牙合型在無牙頜修復治療后患者滿意度、修理次數等方面擁有優勢[2-3]。然而,舌側集中牙合型對Ⅳ類無牙頜牙槽骨基托下黏膜及牙槽骨的應力如何分布、與解剖牙合型有何不同未見報道。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力的大小,為臨床Ⅳ類下頜牙槽骨嚴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。

1 資料與方法

1.1一般資料 河北醫科大學口腔醫院修復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,左側牙槽骨低平,右側牙槽骨稍凹陷,頦孔接近牙槽嵴頂。

本研究經醫院醫學倫理委員會審批通過[批準號:[2018]倫審字(031)號]。

1.2方法 為患者制作無牙齒咬合面形態的上、下頜全口義齒,在義齒基托中加入顯影劑硫酸鋇,應用錐形束投照計算機重組斷層影像設備(cone beam computer tomography,CBCT)進行掃描,取坐位,上下頜牙齒咬緊于咬合板,頭部固定,進行顱頜面的掃描。從而獲得下頜骨、基托、人工牙的數據。掃描參數: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數據導入Mimics21三維成像軟件,通過Geomagic Studio、MSC.Patran2012獲得其幾何實體模型。選取兩種不同數字化牙合面形態與幾何實體模型進行擬合,最終形成解剖牙合型、舌側集中牙合型2個模型。

1.4實驗條件設定

1.4.1材料屬性和網格劃分 有限元模型均采用實體單元網格(Tet4 Elements),當上下頜骨進行正中、側方咬合作用時,下頜骨處于相對靜止狀態,假設義齒基托與支持組織之間不相對滑動[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、舌側集中牙合型對應的下頜骨義齒基托結構模型網格劃分見表1。

表1 解剖牙合型、舌側集中牙合型義齒基托網格劃分

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

1.4.2組織材料力學參數 由于皮質骨具有更高的彈性模量,皮質骨中的應力遠高于松質骨中的應力,因此將實驗中下頜骨(骨皮質、骨松質)假設為非均質、各交各向異性的非線性彈性材料[7-9],下頜骨的高質量各向異性有限元模型使得實驗結果更為可靠。其他材料假設為均勻、連續、各向同性的線彈性材料[10-12]。

1.4.3加載方式 垂直加載,正中咬合時在后牙區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按照已有咬合實驗所測量位置施加(圖2A),舌側集中牙合型正中咬合加載作用點按照實際正中咬合實驗所測量位置施加(圖2B);由于側方加載荷載值目前尚無報道,具體按照實際側方咬合實驗測量位置設置(圖2C,2D),壓力與正中咬合載荷值大小相同。

圖2 咬合點位圖

2 結 果

2.1正中咬合 正中咬合時,舌側集中牙合型在下頜無牙頜黏膜及下頜牙槽骨應力分布更均勻。

正中咬合時,范式等效應力云圖和最大主應力云圖顯示,解剖牙合型與舌側集中牙合型下頜黏膜應力分布規律一致。范式等效應力云圖發現:前牙區舌側黏膜屈服應力集中,且屈服應力由前牙區向兩側后牙區逐漸減小;最大主應力云圖顯示下無牙頜黏膜頰側為拉應力,舌側為壓應力(圖3)。

圖3 解剖牙合型、舌側集中牙合型正中咬合時黏膜范式等效應力云圖及最大主應力云圖

正中咬合時,從最大主應力云圖上可以發現相對解剖牙合型的黏膜表面壓應力,舌側集中牙合型對應的黏膜壓應力下降0.6%～31.2%,在前牙區黏膜壓應力降低最顯著(圖4A);而舌側集中牙合型與解剖牙合型的黏膜壓應力,右側磨牙區均高于左側磨牙區(圖4B)。

圖4 解剖牙合型、舌側集中牙合型正中咬合時黏膜壓應力峰值對比圖A.正中咬合時相對解剖牙合型的黏膜壓應力增量百分比;B.正中咬合狀態下黏膜壓應力峰值(MPa)

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

圖5 解剖牙合型、舌側集中牙合型正中咬合時牙槽骨范式等效應力云圖及最大主應力云圖

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

圖6 解剖牙合型、舌側集中牙合型正中咬合時牙槽骨壓應力峰值對比圖A.正中咬合時相對解剖牙合型的牙槽骨壓應力增量百分比;B.正中咬合狀態下牙槽骨壓應力峰值(MPa)

2.2側方咬合 側方咬合時,解剖牙合型和舌側集中牙合型工作側下頜黏膜及牙槽骨的應力分布均較集中。

左側方咬合時,黏膜范式等效應力云圖顯示:應力分布趨勢較一致,兩種牙合型應力均集中于左側牙槽嵴頂黏膜,右側應力逐漸減小;而舌側集中牙合在側方合時應力分布更均勻;最大主應力云圖顯示:在左側方咬合時,兩種牙合型均顯示左側壓應力較集中,對側應力減少;而舌側集中牙合在左側側方咬合時,左右側黏膜應力分布更均勻(圖7)。右側側方咬合時結果同左側側方咬合結果趨勢相同(圖8)。

圖7 解剖牙合型、舌側集中牙合型左側側方咬合時黏膜范式等效應力云圖及最大主應力云圖

圖8 解剖牙合型、舌側集中牙合型右側側方咬合時黏膜范式等效應力云圖及最大主應力云圖

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

圖9 左、右側側方咬合狀態下黏膜表面壓應力峰值

左側方咬合時,牙槽骨范式等效應力云圖顯示:應力分布趨勢較一致,兩種牙合型應力均集中于左側牙槽嵴頂,右側應力逐漸減小;而舌側集中牙合在側方合時應力分布更均勻;最大主應力云圖顯示:在左側側方咬合時,兩種牙合型均顯示左側壓應力較集中,對側應力減少;而舌側集中牙合在左側側方咬合時,左右側牙槽骨應力分布更均勻(圖10)。右側側方咬合時結果同左側側方咬合結果相同(圖11)。

圖10 解剖牙合型、舌側集中牙合型左側側方咬合時牙槽骨范式等效應力云圖及最大主應力云圖

圖11 解剖牙合型、舌側集中牙合型右側側方咬合時牙槽骨范式等效應力云圖及最大主應力云圖

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

圖12 左、右側側方咬合狀態下牙槽骨表面壓應力峰值

3 討 論

根據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,牙槽嵴吸收嚴重時,下頜全口義齒不穩定,受力后易產生壓痛,是全口義齒制作的難點。有限元分析作為一種準確的形態及力學分析手段,目前廣泛用于生物力學行為的研究,并提供相應部位應力分布情況和應力大小[9,13-14]。使用三維有限元分析可以更準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等對黏膜及牙槽骨應力分布的影響,實驗結果具代表性,減小了實驗對患者的依賴性。因此本研究選用下頜Ⅳ類無牙頜牙槽嵴患者一例,創建下頜骨有限元模型,研究兩種不同牙合型全口義齒修復對下頜Ⅳ類無牙頜牙槽骨及黏膜應力分布趨勢,為臨床下頜牙槽骨吸收嚴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點:保留了部分牙尖形態,牙齒更美觀、自然;有較高的咀嚼效能和較好的食物穿透力;可以在正中關系附近建立平衡牙合,提高義齒穩定性;減少下頜殘余牙槽嵴上的側向力和中心垂直力[1]。

Patel等[16]在隨機交叉實驗中比較了患者在使用后對兩種牙合型總義齒的總體滿意度、舒適度、說話能力、穩定性、美觀、易于清潔和咀嚼能力,結果表明兩種牙合型的全口義齒在說話能力、舒適度、咀嚼能力[17-18]和假牙清潔的難易度方面差異無統計學意義?？梢娚鄠燃醒篮闲团c解剖牙合型修復患者無牙頜均可獲得患者的認同。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黏膜是否發生壓痛。本研究通過對兩種牙合型模型的分析,發現正中咬合狀態下,前牙區舌側局部解剖牙合型黏膜表面出現較大的應力集中,舌側集中牙合型前牙區舌側應力集中減少,說明正中咬合時解剖牙合型易致前牙區舌側黏膜損傷,舌側集中牙合型可降低前牙區黏膜的壓應力,在一定程度上減少對黏膜的損傷;由于患者下頜牙槽脊屬于分類中的第Ⅳ類,且左側牙槽骨低平,右側牙槽骨表面呈凹陷狀,吸收近下頜神經管,在正中咬合時解剖牙合型表現為右側黏膜壓應力高于左側,右側牙槽骨壓應力低于左側,說明在第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力相應增高,牙槽骨壓應力相應降低,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,舌側集中牙合型的右側磨牙區黏膜壓應力降低、牙槽骨壓應力升高,從而使左右側黏膜及牙槽骨壓應力更均勻,相比解剖牙合型,舌側集中牙合型在正中咬合時戴用更舒適[19]。

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

總之,Kawai等[21]認為舌側集中牙合型全口義齒可降低全口義齒戴用時產生的壓痛,當下頜牙槽骨重度吸收,尤其是高度小于20 mm的患者,應該優先選用舌側集中牙合型全口義齒修復無牙頜。然而,最近Alsaggaf等[24]在病例對照研究中發現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間的推移而持續,直到戴用全口義齒的患者牙槽嵴嚴重吸收,而不戴用全口義齒的患者牙槽嵴的吸收隨著時間的推移保持穩定。這一研究更加證明了牙槽脊吸收嚴重時,使用壓應力小的舌側集中牙合型的重要性[15]。本研究通過創建患者的下頜骨有限元模型,分析解剖牙合型和舌側集中牙合型修復Ⅳ類下頜無牙頜后黏膜和牙槽骨的應力分布情況,發現舌側集中牙合型在正中咬合與側方咬合時的黏膜及牙槽骨應力分布更均勻,更適用于牙槽骨吸收較嚴重的患者。

綜上所述,下頜無牙頜全口義齒修復中,舌側集中牙合型有利于獲得更好的應力分布;相對解剖牙合型,舌側集中牙合型可減少正中咬合時前牙區、左側后牙區以及側方咬合時前牙區、工作側、非工作側黏膜和牙槽骨壓應力,降低患者不舒適感,為臨床下頜牙槽骨吸收嚴重患者選擇合適人工牙合型提供理論參考。