自然牙根支持及种植牙支持式下颌全口覆盖义齿的三维有限元分析

【摘要】　目的　研究自然牙根支持和种植基牙支持覆盖义齿在咀嚼过程中其周围骨皮质应力的差异，为改善种植覆盖义齿的修复效果提供依据。方法　借助于CT扫描与计算机辅助设计手段，用三维有限元方法比较自然牙根支持式与种植牙支持式覆盖义齿在采用不同固位装置，不同咬合力状态下，支持组织应力分布的差异。结果　①无论自然牙根支持式还是种植牙支持式覆盖义齿，在采用杆卡或按扣式附着体时，骨组织应力分布虽有不同，但这种不同与咬合力方向作用的结果相比是小的。在相同载荷下，20°斜向加载时基牙周围骨皮质层最大应力值是垂直加载的2.2～3倍。②种植基牙支持式覆盖义齿在两种不同上部结构设计，4种不同载荷条件下，基牙颈部周围骨质皮层最大应力值是自然牙支持式覆盖义齿的2.5倍～4倍。结论　为减少种植基牙周围骨皮质应力峰值，预防压力性骨吸收的产生，种植覆盖义齿设计时，应避免产生过大的侧方咬合力。同时，应考虑增加种植牙数目或在种植基牙上部结构中采用缓冲设计。
【关键词】　覆盖义齿种植体有限元法应力

Three dimensional finite element analysis on the mandibular complete overdenture supported by nature roots or implants　

Luo Xiaoping, Ouyang Guan, Ma Xuanxiang, et al. College of Stomatology, Fourth Military Medical University, Xi＇an 710032

【Abstract】　Objective　To investigate the stress distribution around the bone tissue of overdenture supported by teeth roots or implants in the process of mastication which may assist to improve the design of the dentures.Methods　By means of CT scan, CAD and a three distribution finite element methods to study the stress distribution of the supporting tissue of overdenture supported by roots or implants when various attachment retentive apparatus and various bite forces were applied.Results 　No matter overdenture supported by roots or implants the stress distribution on bone tissue are difference between the bar and stud attachments, However these difference were minor compared with the difference caused by the direction of force. The stress value of cortical bone around the roots or implants with twenty degree oblique force is 2.2～3 times higher than that with vertical force. Overdenture supported by implants produced 2.5～4 times higher stress in the cortical bone around than that of overdenture supported by roots when various superstructures or various loads were applied.Conclusion　It must consider to reduce the stress peaks and provent bone resorption by increasing the number of implants and using the force-breaking design of implant super-strcture when the overdenture were supported with implants only.

【Key words】　OverdentureImplantFinite element methodStress

一些研究表明，一部分全口义齿修复的患者对所戴用的义齿因固位、稳定性差，咀嚼效率低，常有疼痛、不舒适而感到不满意，这些问题多发生在下颌全口义齿［1，2］。为此，临床修复时常在下颌放置种植体来改善义齿的支持、固位和稳定。种植覆盖义齿与种植固定义齿相比，手术难度小，费用低，便于患者保持口腔清洁，减少种植体周围组织炎症的发生。在种植覆盖义齿上部结构设计中，按扣式附着体、磁附着体、杆卡式附着体常规用来改善义齿的固位功能［3］。但不同附着体的种植覆盖义齿对支持组织应力分布的影响，目前报道较少。我们采用三维有限元法比较了自然牙根与种植牙支持式覆盖义齿在不同附着体作固位装置及不同咬合状态下，支持组织的应力分布情况，为临床修复设计提供参考。

材料与方法

在作者所建的无牙下颌骨及全口义齿三维有限元模型的基础上［4］，将有限元网格根据设计要求进行细化，建立所需要的模型。

一、自然牙根支持式覆盖义齿三维有限元模型

根据王惠芸［5］对中国人离体牙测量的结果，采用Super-SAP有限元专用计算机辅助设计(computer-aided design, CAD)系统(Algor公司，美国)，设计出牙根结构并通过粘结方法转移到无牙下颌骨及全口义齿的三维有限元模型中，通过修改模型，设计出两种附着体式覆盖义齿的三维有限元模型。a按扣式覆盖义齿：此模型中共有10930个节点，8792个块单元；b杆卡式覆盖义齿：此模型中共有11018个节点， 8836个块单元。其中根内固位桩柱的直径为1.6mm，其根内部分长9mm，牙周膜厚0.25mm。按扣式附着体桩柱颈部台阶高1mm，直径3mm，固位球直径2.5mm，高为3.5mm；杆卡式附着体直径2mm，长20mm，夹卡长4mm，杆位于龈上2mm。

二、种植牙支持式覆盖义齿三维有限元模型

根据临床种植覆盖义齿常规设计，用CAD系统设计出种植体，通过粘结方法转移至无牙下颌骨全口义齿的三维有限元模型中，通过修改模型设计出两种附着体式种植覆盖义齿。c按扣式种植覆盖义齿：此模型共有10258个节点，8114个单元。d杆卡式种植覆盖义齿：此模型中共有10304个节点，8134个单元。种植体放置在尖牙区域距中线12mm处，种植体直径3.75mm，长20mm。杆式结构中，杆位于龈上2mm，直径2mm，长24mm，夹卡长 4mm；按扣式结构中，附着球的高度为3.5mm，直径2.5mm。

三、选用材料的力学参数

与本实验有关材料的力学参数均引自己有的报道［6，7］。

四、约束条件及加载方式

为了分析比较，将下颌骨下缘嚼肌附丽处Z方向位移约束。根据Brigolf［8］所测杆关节覆盖义齿的最大咬合力值，作为本研究的加载载荷。为模拟不同咬合状态设计了4种工况，见表1。

表1　4种不同的加载工况
工况     加载部位     载荷大小     方向
工况Ⅰ     下颌前牙　　　     150N     垂直
工况Ⅱ     右下第一磨牙　     150N     垂直
工况Ⅲ     双侧下颌一磨牙     300N     垂直
工况Ⅳ     右下第一磨牙　     150N     与下颌平面成20°角

五、分析方法

采用Super-SAP分析软件，在COMPQ486/50型(Compq公司，美国)计算机上进行有限元计算。分别取牙根颈部和种植体颈部骨皮质层最大主应力和最小主应力为研究对象，分析比较自然牙根支持式和种植牙支持式覆盖义齿，在选用不同形式的附着体作固位装置及不同咬合状态下，对基牙周围支持组织应力分布的影响。

结果

表2～5 列出了4种不同工况条件下，自然牙根覆盖义齿和种植牙覆盖义齿基牙颈部骨皮质层应力的分布情况。可以看出，种植体周围骨皮质层的应力显著高于自然牙根周围骨皮质层应力；斜向加载时，无论自然牙根支持还是种植牙支持的覆盖义齿，其基牙周围骨皮质层的应力均显著高于垂直加载时基牙周围骨皮质层应力。在前牙垂直加载和双侧后牙垂直加载时，杆卡式自然牙根覆盖义齿基牙周围骨皮质层的应力略高于按扣式自然牙根覆盖义齿；而杆卡式种植覆盖义齿基牙周围骨皮质层的应力略小于按扣式种植覆盖义齿。单侧后牙垂直加载或斜向加载时，自然牙根支持和种植牙根支持式覆盖义齿采用杆式附着体固位时，其加载侧基牙周围骨皮质层的应力略小于用按扣式附着体固位者；而非加载侧基牙周围骨皮质层应力略高于用按扣式附着体固位者。

表2　前牙区垂直加载时基牙颈部骨皮质层的应力分布(MPa)
修复形式     最大主应力     最小主应力
按扣式自然牙根覆盖义齿     2.89     -2.42
杆卡式自然牙根覆盖义齿     3.05     -2.64
按扣式种植覆盖义齿     8.60     -13.06
杆卡式种植覆盖义齿     8.05     -11.30

表3　双侧后牙区垂直加载时基牙颈部骨皮质层的应力分布(MPa)
修复形式     最大主应力     最小主应力
按扣式自然牙根覆盖义齿     2.68     -4.13
杆卡式自然牙根覆盖义齿     2.91     -4.25
按扣式种植覆盖义齿     12.21     -11.57
杆卡式种植覆盖义齿     10.47     -11.85


表4　单侧后牙区垂直加载时基牙颈部骨皮质层的应力分布(MPa)
修复形式　　　     加载侧基牙     非加载侧基牙
最大
主应力     最小
主应力     最大
主应力     最小
主应力
按扣式自然牙根覆盖义齿    

1.93
   

-3.31
   

1.94
   

-1.44
杆卡式自然牙根覆盖义齿     1.60     -2.54     2.12     -2.29
按扣式种植覆盖义齿　　     8.18