上颌后牙区应用短种植体的优化分析①

王 晗，朱 杨，李鹤佳

(佳木斯大学附属口腔医院，黑龙江 佳木斯 154002)

上颌后牙区应用短种植体的优化分析①

王 晗，朱 杨，李鹤佳

(佳木斯大学附属口腔医院，黑龙江 佳木斯 154002)

目的：三维有限元分析上颌后牙区应用短种植体的最小长度和直径。方法：上颌后牙区CT扫描、建立带种植体-基台复合体的三维有限元模型，设置短种植体的直径变化范围为4～6mm和长度变化范围为6～8mm，模拟口内环境对种植体进行负载，调节直径和长度的值，分析种植体-基台复合体位移变化，对上颌后牙区应用的短种植体进行优化。结果：垂直(颊舌)向加载条件下，随着变量直径(D)和长度(L)的增加种植体-基台复合体位移峰值先增大后减小，变化范围分别为1.15～1.86(E-2)Mpa和1.90～4.97(E-2)MPa，下降幅度分别为38%和61%。变量D对其位移峰值的影响大于变量L。垂直向加载时，当D≥4.90mm且L≥4.75mm，种植体-基台复合体位移峰值曲线的曲率位于-1和0之间。颊舌向加载时，当D≥4.90mm且L≥4.90mm，种植体-基台复合体位移峰值曲线的曲率位于-1和0之间。结论：从生物力学角度考虑，上颌后牙区种植体要选择长度≥4.90mm，直径≥4.90mm的种植体。

短种植体；三维有限元分析；直径；长度

发生在上颌后牙区的牙列缺损占牙列缺损总数的30%[1]，由于上颌后牙区解剖学特点，天然牙缺失后牙槽骨的吸收，压力平衡被打破后发生的上颌窦气化，可用牙槽骨高度逐年降低，常达不到常规种植体的植入标准。这类患者虽然可以通过上颌窦提升技术，实现上颌后牙区的种植治疗，但是上颌窦提升技术操作复杂，患者损伤大，植入物通常为外源性生物材料，因此该文章采用上颌后牙区可用骨高度在7～10mm，宽度大于10mm的病例，建模，分析[2]能否采取应用短种植体，并讨论应用短种植体其长度和直径的范围。应用AnsysworkbenchDesignXplore平台，在workbench环境中设定直径和长度的为双变量，使两者之间既可以相关分析又能得到连续性结果，为短种植体的生物力学研究提供了新的思路[3]。

1 实验对象和方法

1.1 上颌骨实体模型和短种植体模型的建立

上颌骨实体模型的建立和短种植体模型(表面形状参考Bicon种植体)与课题组前期工作一致[4]。

1.2 三维有限元实验方法

将种植体直径(D)和长度(L)同时设为优化变量，D变化范围为4～6mm，L为6～8mm。在Ansysworkbench11.0模块中输入变量直径和长度，模拟短种植体直径和长度同时变化时在窦嵴距≥7mm的上颌骨模型中进行分析。

1.3 加载和边界约束

种植体上分别垂直向加载(AL)600N的静态载荷载荷。颊舌向加载(BL)300N的静态载荷载荷，方向与牙合平面成45°[5]。边界约束假设颌骨的近远中面所有节点的自由度为0。

1.4 统计学方法

采用Ansysworkbench11.0软件，通过布尔运算分析直径和长度对颌骨的等效应力峰值，结果用三维图表及曲线图分别得出垂直加载与斜向加载时对颌骨的等效应力。

2 结果

2.1 直接蒙特卡罗抽样(Monte Carlo，DMCS)

随机抽样，引入了Latin超立方抽样(LatinHybercubeSampling，LHS)抽样技术。该研究通过LHS列举了九个抽样结果来组成响应曲面，见表1。

表1 LHS抽样样本

2.2 垂直向加载时种植体-基台复合体位移

响应曲面图可见，随着变量D和L的增加种植体-基台复合体位移峰值先增大后减小，变化范围为1.15～1.86(E-2)MPa，下降幅度为38%(图1a)。单变量分析，当变量D≥4.90mm且L≥4.75mm时，种植体-基台复合体位移峰值曲线的曲率位于-1和0之间(图1b，1c)。敏感度分析显示，变量D对其位移峰值的影响大于变量L(图1d)。

图1 垂直向加载时种植体-基台复合体位移

2.2 颊舌向加载时种植体-基台复合体位移

响应曲面图可见，随着变量D和L的增加种植体-基台复合体位移峰值先增大后减小，变化范围为1.90～4.97(E-2)MPa，下降幅度为61%(图2a)。单变量分析，当变量D≥4.90且L≥4.90mm时，种植体-基台复合体位移峰值曲线的曲率位于-1和0之间(图2b，2c)。敏感度分析，变量D对其位移峰值的影响大于变量L(图2d)。

图2 颊舌向加载时种植体-基台复合体位移

3 讨论

目前上颌后牙区的骨量不足的牙种植治疗已经不再是种植禁忌，但是如何通过简单、高效的手段进行牙种植治疗一直是学者们努力的方向，短种植体的应用是一个解决该问题的方法，临床上也有成功的案例，五年的种植体存留率达到97.4%以上[6,7]。该实验通过Ansysworkbench11.0软件探讨上颌后牙区垂直骨高度≥7mm时，应用短种植体直径和长度的变化对颌骨等效应力峰值的影响。与以往多数实验采用的选取几个数值进行离散性分析不同的是，该实验采用连续性的双变量分析。双变量时，颊舌向加载时皮质骨和松质骨等效应力值的下降幅度大于垂直加载，表示直径和长度的增加容易影响颊舌向应力的传递。期望在种植治疗之前进行三维有限元的分析，提高短种植体的生物力学相容性，为临床应用短种植体进行上颌后牙区种植提供保障。众所周知，通过改变种植体的外形形态能改变种植体骨接触面积，增大种植体与骨的接触面积，能提高种植体存留率。以圆柱状种植为例，种植体表面积算法：2πR2+2πRL，短种植体在长度上存在劣势，但是我们可以通过增加种植体直径来弥补这一劣势。尽管种植体的存留率还与种植体骨界面的应力密切相关，但是种植体骨界面应力主要集中于种植体颈部而非均匀分布于整个种植体周围，因此短种植体在修复牙列缺失，甚至在冠根比例失衡的缺牙修复在临床上是可行的[8]，在临床应用中也是成功的。

应用短种植体进行种植治疗，符合种植治疗的简单化原则，能够减少因为可用骨量不足而采用各种骨增量技术带来的并发症[9]。临床研究已经证明了短种植体种植的成功率与常规种植体无显著差别，但在生物力学方面的研究存在一定的欠缺，所以需要更多合理的生物应力学方面的研究来指导短种植体在临床上的设计与应用。该实验通过实体颌骨CT扫描后，建立与真实颌骨模型相似的模型，模拟真实的口腔生理状态，利用ANSYS软件进行短种植体长度及直径的优化分析，为临床应用提供参考。

[1]朱杨,李鹤佳,李德超.上颌后牙区牙种植体会[J].黑龙江医药科学,2013,36(6):110-111

[2]臧晓霞,孔亮,刘宝林,等.包含直径和长度连续变化种植体骨块三维有限元模型的建立[J].中国组织工程研究与临床康复,2007, 11(1): 115-117

[3]毕振宇,刘阳,黄文华.有限元分析法在口腔生物力学领域的应用[J].解剖学新进展,2009, 15(4): 427-431

[4]王晗,李德超,朱杨,等.Ⅱ类骨质下上颌窦区垂直骨高度不足时应用短种植体长度和直径的研究[J].中国组织工程研究与临床康复,2011,15(22) :4069-4072

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[6]RenouardF,NisandD.Impactofimplantlengthanddiameteronsurvivalrates[J].ClinOralImplantsRes, 2006, 7 (2): 35-51

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[9]薛洪权.短种植体的研究进展与应用现状[J].口腔医学研究,2010,26(5):756-758

Optimization analysis of short implant in maxillary posterior region

WANGHan,ZHUYang,LIHe-jia

(The Affiliated Stomatological Hospital of Jiamusi University，Jiamusi 154002, China)

Objective:Using 3D finite element model to analayzeysis the least length and diameter of short implant in maxillary posterior region by using 3D finite element model. Methods:Constructing tThe posterior maxilla-implant-abutment complex 3D finite element model after CT scanning was constructed. We Setrangedting the short implant diameter and length variation range werefrom 4～6mm andto 6～8mm.Analyzing implant- abutment complex displacement changes in simulated intraoral environment were analyzed when adjusting the short implant diameter and length under the loading.Short implant in maxillary posterior region was optimization analyzsised. Results: Under vertical (buccal-lingual) loading condition, the implant- abutment complex displacement peak increaseds first and then decreaseds,coupling with diameter and length increasing. The change range wasis 1.15～1.86 (E-2) Mpa and 1.90～4.97(E-2) Mpa, respectively, and decreased 38% and 61%, respectively And the variation of the peak displacement was more sensitive to diameter than to length.Under vertical loading condition, the response curve curvatures of the implant- abutment complex displacement peak ranged from-1 to 0, when D≥4.90mm and L≥4.75mm. Under buccal-lingual loading condition, the response curve curvatures of the implant-abutment complex displacement peak ranged from-1 to 0, when D≥4.90mm and L≥4.90mm.Conclusion:Considering biomechanics, posterior maxillary short implant selection of length to diameter should be more than ≥4.90mm.

short implant;three-dimensional finite element analysis; diameter; length

黑龙江省卫生厅科研课题面上项目，编号：2012-227；佳木斯大学科研项目，编号：L2012-033；黑龙江省教育厅科研课题，编号：12541815。

王晗(1982～)女，吉林榆树人，硕士，主治医师，主要从事口腔种植学的基础与临床工作。

李鹤佳(1980～)女，辽宁沈阳人，硕士，主治医师。E-mail:ibm200605@163.com。

R782.1

B

1008-0104(2015)04-0029-02

2015-03-10)