张 晶,袁 硕,沈文静

(1.河北医科大学口腔医学院,河北医科大学口腔医院修复科,河北省口腔医学重点实验室,河北省口腔疾病临床医学研究中心,河北 石家庄 050017;2.河北医科大学口腔医学院,河北省口腔医学重点实验室,河北省口腔疾病临床医学研究中心,河北 石家庄 050017)

无牙颌患者根据牙槽骨吸收程度将牙槽骨分为四类,其中Ⅳ类无牙颌牙槽骨由于上下牙槽骨吸收严重,不利于全口义齿修复后咀嚼过程中的固位及稳定。因此,提出了舌侧集中牙合型,相对解剖牙合型可以最大限度地减少反牙合情况下产生的侧向力[1],增加义齿咀嚼过程中的稳定性。近年来,国内外研究对舌侧集中牙合型与解剖牙合型的患者满意度、修复治疗后的维护等进行了大量研究。认为舌侧集中牙合型在无牙颌修复治疗后患者满意度、修理次数等方面拥有优势[2-3]。然而,舌侧集中牙合型对Ⅳ类无牙颌牙槽骨基托下黏膜及牙槽骨的应力如何分布、与解剖牙合型有何不同未见报道。本研究利用三维有限元分析两种牙合型基托下黏膜及牙槽骨应力的大小,为临床Ⅳ类下颌牙槽骨严重吸收患者获得更舒适的义齿,在人工牙合型选择上提供理论依据。

1 资料与方法

1.1一般资料 河北医科大学口腔医院修复科就诊全口牙列缺失患者1例(2019年3月-2019年10月),65岁,女性,下颌牙槽骨吸收为Ⅳ类,左侧牙槽骨低平,右侧牙槽骨稍凹陷,颏孔接近牙槽嵴顶。

本研究经医院医学伦理委员会审批通过[批准号:[2018]伦审字(031)号]。

1.2方法 为患者制作无牙齿咬合面形态的上、下颌全口义齿,在义齿基托中加入显影剂硫酸钡,应用锥形束投照计算机重组断层影像设备(cone beam computer tomography,CBCT)进行扫描,取坐位,上下颌牙齿咬紧于咬合板,头部固定,进行颅颌面的扫描。从而获得下颌骨、基托、人工牙的数据。扫描参数:电压110 kV,层厚0.2 mm,以DICOM格式保存。

1.3有限元模型的建立 将DICOM数据导入Mimics21三维成像软件,通过Geomagic Studio、MSC.Patran2012获得其几何实体模型。选取两种不同数字化牙合面形态与几何实体模型进行拟合,最终形成解剖牙合型、舌侧集中牙合型2个模型。

1.4实验条件设定

1.4.1材料属性和网格划分 有限元模型均采用实体单元网格(Tet4 Elements),当上下颌骨进行正中、侧方咬合作用时,下颌骨处于相对静止状态,假设义齿基托与支持组织之间不相对滑动[4-5],其他各体之间按绑定连接[6],以保证力的正常合理传递(图1)。解剖牙合型、舌侧集中牙合型对应的下颌骨义齿基托结构模型网格划分见表1。

表1 解剖牙合型、舌侧集中牙合型义齿基托网格划分

图1 义齿基托有限元网格模型A.解剖牙合型;B.舌侧集中牙合型Figure 1 Finite element mesh die for denture base

1.4.2组织材料力学参数 由于皮质骨具有更高的弹性模量,皮质骨中的应力远高于松质骨中的应力,因此将实验中下颌骨(骨皮质、骨松质)假设为非均质、各交各向异性的非线性弹性材料[7-9],下颌骨的高质量各向异性有限元模型使得实验结果更为可靠。其他材料假设为均匀、连续、各向同性的线弹性材料[10-12]。

1.4.3加载方式 垂直加载,正中咬合时在后牙区自第二磨牙至第一前磨牙上分别垂直加载[5],其中前牙咬合力为0,两侧同名牙从第一前磨牙依次为66 N、85 N、94 N、58 N。其解剖牙合型正中咬合加载作用点按照已有咬合实验所测量位置施加(图2A),舌侧集中牙合型正中咬合加载作用点按照实际正中咬合实验所测量位置施加(图2B);由于侧方加载荷载值目前尚无报道,具体按照实际侧方咬合实验测量位置设置(图2C,2D),压力与正中咬合载荷值大小相同。

图2 咬合点位图

2 结 果

2.1正中咬合 正中咬合时,舌侧集中牙合型在下颌无牙颌黏膜及下颌牙槽骨应力分布更均匀。

正中咬合时,范式等效应力云图和最大主应力云图显示,解剖牙合型与舌侧集中牙合型下颌黏膜应力分布规律一致。范式等效应力云图发现:前牙区舌侧黏膜屈服应力集中,且屈服应力由前牙区向两侧后牙区逐渐减小;最大主应力云图显示下无牙颌黏膜颊侧为拉应力,舌侧为压应力(图3)。

图3 解剖牙合型、舌侧集中牙合型正中咬合时黏膜范式等效应力云图及最大主应力云图

正中咬合时,从最大主应力云图上可以发现相对解剖牙合型的黏膜表面压应力,舌侧集中牙合型对应的黏膜压应力下降0.6%～31.2%,在前牙区黏膜压应力降低最显著(图4A);而舌侧集中牙合型与解剖牙合型的黏膜压应力,右侧磨牙区均高于左侧磨牙区(图4B)。

图4 解剖牙合型、舌侧集中牙合型正中咬合时黏膜压应力峰值对比图A.正中咬合时相对解剖牙合型的黏膜压应力增量百分比;B.正中咬合状态下黏膜压应力峰值(MPa)

在正中咬合状态下,解剖牙合型、舌侧集中牙合型牙槽骨应力分布在范式等效应力云图和最大主应力云图上分布规律基本一致。两种牙合型正中咬合时牙槽骨应力分布较均匀,未见应力集中区;左侧牙槽骨及牙槽嵴顶屈服应力较大,其余部分应力逐渐减少;左侧牙槽骨唇颊侧的拉应力较大,其余部分的拉应力逐渐减少,前牙舌侧分布为压应力(图5)。

图5 解剖牙合型、舌侧集中牙合型正中咬合时牙槽骨范式等效应力云图及最大主应力云图

正中咬合时,舌侧集中牙合型在左侧磨牙区和前牙区相对解剖牙合型的牙槽骨应力下降19.0%～35.1%,但在右侧磨牙区升高约53.3%(图6A);舌侧集中牙合型与解剖牙合型的牙槽骨压应力,右侧磨牙区均低于左侧磨牙区(图6B),因此,舌侧集中牙合型左右侧牙槽骨的压应力峰值较均匀,而解剖牙合型左右两侧压应力峰值差别较大。

图6 解剖牙合型、舌侧集中牙合型正中咬合时牙槽骨压应力峰值对比图A.正中咬合时相对解剖牙合型的牙槽骨压应力增量百分比;B.正中咬合状态下牙槽骨压应力峰值(MPa)

2.2侧方咬合 侧方咬合时,解剖牙合型和舌侧集中牙合型工作侧下颌黏膜及牙槽骨的应力分布均较集中。

左侧方咬合时,黏膜范式等效应力云图显示:应力分布趋势较一致,两种牙合型应力均集中于左侧牙槽嵴顶黏膜,右侧应力逐渐减小;而舌侧集中牙合在侧方合时应力分布更均匀;最大主应力云图显示:在左侧方咬合时,两种牙合型均显示左侧压应力较集中,对侧应力减少;而舌侧集中牙合在左侧侧方咬合时,左右侧黏膜应力分布更均匀(图7)。右侧侧方咬合时结果同左侧侧方咬合结果趋势相同(图8)。

图7 解剖牙合型、舌侧集中牙合型左侧侧方咬合时黏膜范式等效应力云图及最大主应力云图

图8 解剖牙合型、舌侧集中牙合型右侧侧方咬合时黏膜范式等效应力云图及最大主应力云图

侧方咬合时,工作侧黏膜应力均比非工作侧应力大;左侧侧方咬合时,舌侧集中牙合型在黏膜上的压应力相对解剖牙合型的应力下降41.1%～65.9%,下颌牙槽骨Ⅳ类吸收(左侧牙槽骨)时,相比解剖牙合型舌侧集中牙合型黏膜应力均减小;右侧侧方咬合时,舌侧集中牙合型在黏膜上的压应力相对解剖牙合型的应力下降24.4%～34.9%,相比解剖牙合型,舌侧集中牙合型在黏膜的应力分布均减小。而相同牙合型比较,牙槽骨条件较差的右侧作为工作侧时,工作侧黏膜压应力均高于牙槽骨较丰满的左侧作为工作侧时的工作侧黏膜压应力(图9)。

图9 左、右侧侧方咬合状态下黏膜表面压应力峰值

左侧方咬合时,牙槽骨范式等效应力云图显示:应力分布趋势较一致,两种牙合型应力均集中于左侧牙槽嵴顶,右侧应力逐渐减小;而舌侧集中牙合在侧方合时应力分布更均匀;最大主应力云图显示:在左侧侧方咬合时,两种牙合型均显示左侧压应力较集中,对侧应力减少;而舌侧集中牙合在左侧侧方咬合时,左右侧牙槽骨应力分布更均匀(图10)。右侧侧方咬合时结果同左侧侧方咬合结果相同(图11)。

图10 解剖牙合型、舌侧集中牙合型左侧侧方咬合时牙槽骨范式等效应力云图及最大主应力云图

图11 解剖牙合型、舌侧集中牙合型右侧侧方咬合时牙槽骨范式等效应力云图及最大主应力云图

侧方咬合时,工作侧牙槽骨应力均比非工作侧应力大;左侧侧方咬合时,舌侧集中牙合型在牙槽骨上的压应力相对解剖牙合型的应力下降47.7%～70.2%,下颌牙槽骨Ⅳ类吸收(左侧牙槽骨)时,相比解剖牙合型,舌侧集中牙合型牙槽骨压应力下降明显。右侧侧方咬合时,舌侧集中牙合型在黏膜上的压应力相对解剖牙合型的应力下降43.0%～63.8%;相比解剖牙合型,舌侧集中牙合型黏膜压应力下降明显(图12)。而相同牙合型比较,牙槽骨条件较差的右侧作为工作侧时,工作侧牙槽骨的压应力均低于牙槽骨较丰满的左侧作为工作侧时的工作侧牙槽骨压应力(图12)。

图12 左、右侧侧方咬合状态下牙槽骨表面压应力峰值

3 讨 论

根据Atwood和Cawood的分类法,将牙槽嵴吸收分为四类,其中Ⅳ类牙槽嵴为扁平状或凹形牙槽嵴(剩余牙槽嵴高度和宽度均重度吸收或吸收达基骨及基骨以下),由于下颌全口义齿基托面积小,牙槽嵴吸收严重时,下颌全口义齿不稳定,受力后易产生压痛,是全口义齿制作的难点。有限元分析作为一种准确的形态及力学分析手段,目前广泛用于生物力学行为的研究,并提供相应部位应力分布情况和应力大小[9,13-14]。使用三维有限元分析可以更准确的分析不同咬合力、不同颌骨条件、不同人工牙牙合面形态等对黏膜及牙槽骨应力分布的影响,实验结果具代表性,减小了实验对患者的依赖性。因此本研究选用下颌Ⅳ类无牙颌牙槽嵴患者一例,创建下颌骨有限元模型,研究两种不同牙合型全口义齿修复对下颌Ⅳ类无牙颌牙槽骨及黏膜应力分布趋势,为临床下颌牙槽骨吸收严重患者选择合适人工牙合型提供理论参考[15]。

众多牙合型中舌侧集中牙合型是以上颌的牙尖与下颌的牙合面窝建牙合,从而保留了解剖式牙合全口义齿和非解剖式牙合全口义齿的大部分优点:保留了部分牙尖形态,牙齿更美观、自然;有较高的咀嚼效能和较好的食物穿透力;可以在正中关系附近建立平衡牙合,提高义齿稳定性;减少下颌残余牙槽嵴上的侧向力和中心垂直力[1]。

Patel等[16]在随机交叉实验中比较了患者在使用后对两种牙合型总义齿的总体满意度、舒适度、说话能力、稳定性、美观、易于清洁和咀嚼能力,结果表明两种牙合型的全口义齿在说话能力、舒适度、咀嚼能力[17-18]和假牙清洁的难易度方面差异无统计学意义。可见舌侧集中牙合型与解剖牙合型修复患者无牙颌均可获得患者的认同。其中,患者的整体满意度包括全口义齿戴用舒适度[19-20],而全口义齿戴用的舒适度又取决于患者在戴用全口义齿时黏膜是否发生压痛。本研究通过对两种牙合型模型的分析,发现正中咬合状态下,前牙区舌侧局部解剖牙合型黏膜表面出现较大的应力集中,舌侧集中牙合型前牙区舌侧应力集中减少,说明正中咬合时解剖牙合型易致前牙区舌侧黏膜损伤,舌侧集中牙合型可降低前牙区黏膜的压应力,在一定程度上减少对黏膜的损伤;由于患者下颌牙槽脊属于分类中的第Ⅳ类,且左侧牙槽骨低平,右侧牙槽骨表面呈凹陷状,吸收近下颌神经管,在正中咬合时解剖牙合型表现为右侧黏膜压应力高于左侧,右侧牙槽骨压应力低于左侧,说明在第Ⅳ类牙槽脊中,低平牙槽脊黏膜及牙槽骨受力均匀,而凹陷状牙槽脊黏膜压应力相应增高,牙槽骨压应力相应降低,戴用解剖牙合型全口义齿后,第Ⅳ类牙槽脊中凹陷状牙槽脊黏膜更易压痛,有趣的是,相比解剖牙合型,舌侧集中牙合型的右侧磨牙区黏膜压应力降低、牙槽骨压应力升高,从而使左右侧黏膜及牙槽骨压应力更均匀,相比解剖牙合型,舌侧集中牙合型在正中咬合时戴用更舒适[19]。

临床上,佩戴全口义齿的患者面临的最大问题是牙槽骨的持续吸收[21]。侧向力是导致牙槽骨吸收的主要原因之一。Kelly等[22]发现在研究骨骼受到应力后的变化时,使用最大主应力可以得到更准确的研究结果。本研究中侧方咬合状态下,对解剖牙合型及舌侧集中牙合型进行侧方咬合加载时,黏膜上最大压应力位于工作侧的磨牙区,黏膜上压应力分布整体呈现“工作侧磨牙区>前牙区及非工作侧磨牙区”趋势;两种牙合型的牙槽骨上最大压应力均位于工作侧的磨牙区,且压应力分布整体呈现“工作侧磨牙区>前牙区及非工作侧磨牙区”趋势。舌侧集中牙合型在前牙区、后牙区比解剖牙合型对应的黏膜及牙槽骨表面压应力值均降低且分布较均匀,提示侧方咬合状态下,工作侧黏膜及牙槽骨承受最大压力,舌侧集中牙合型有利于减少咀嚼时前牙区及后牙区黏膜与牙槽骨的受力,有利于维护口腔黏膜以及牙槽骨的健康;而右侧侧方咬合时,由于牙槽骨条件差,右侧黏膜及牙槽骨压应力明显升高。与患者的临床表现为黏膜或牙槽骨压痛相一致。但牙槽骨条件差的右侧作为工作侧时,舌侧集中牙合型比解剖牙合型在黏膜及牙槽骨的应力分布趋势更均匀。本研究结果与之相同,Kawai等[21]研究发现舌侧集中牙合型有利于减少侧向力,同时在临床患者使用过程中,研究同样发现在剩余牙槽骨条件较差的情况下,患者更倾向于使用舌侧集中牙合型全口义齿,以获得可接受的稳定性、咀嚼效率和固位力[15,23]。因此,临床上牙槽骨条件差时建议采用舌侧集中牙合型修复全口义齿。

总之,Kawai等[21]认为舌侧集中牙合型全口义齿可降低全口义齿戴用时产生的压痛,当下颌牙槽骨重度吸收,尤其是高度小于20 mm的患者,应该优先选用舌侧集中牙合型全口义齿修复无牙颌。然而,最近Alsaggaf等[24]在病例对照研究中发现戴用全口义齿的患者剩余牙槽嵴在五年后的再吸收明显高于不戴用全口义齿的患者。牙槽嵴的吸收随着时间的推移而持续,直到戴用全口义齿的患者牙槽嵴严重吸收,而不戴用全口义齿的患者牙槽嵴的吸收随着时间的推移保持稳定。这一研究更加证明了牙槽脊吸收严重时,使用压应力小的舌侧集中牙合型的重要性[15]。本研究通过创建患者的下颌骨有限元模型,分析解剖牙合型和舌侧集中牙合型修复Ⅳ类下颌无牙颌后黏膜和牙槽骨的应力分布情况,发现舌侧集中牙合型在正中咬合与侧方咬合时的黏膜及牙槽骨应力分布更均匀,更适用于牙槽骨吸收较严重的患者。

综上所述,下颌无牙颌全口义齿修复中,舌侧集中牙合型有利于获得更好的应力分布;相对解剖牙合型,舌侧集中牙合型可减少正中咬合时前牙区、左侧后牙区以及侧方咬合时前牙区、工作侧、非工作侧黏膜和牙槽骨压应力,降低患者不舒适感,为临床下颌牙槽骨吸收严重患者选择合适人工牙合型提供理论参考。