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三维有限元分析在单侧上颌骨缺损修复中的应用
发布时间 2019-04-01      作者 ManBetX手机版注册      来源 未知      浏览

  作者:魏雅楠,青海大学附属医院口腔内科;曹志云,昆明医科大学附属口腔医院修复科

  颌面部的良恶性肿瘤、外伤等会造成单侧上颌骨缺损,致口鼻腔相通,影响咀嚼、发音等生理功能,降低患者的生活质量,影响身心健康。目前,常用传统赝复体和游离皮瓣联合种植体或传统修复体重建颌面部缺损的三维结构及功能。但因缺损范围较大及周围组织结构的复杂性,为了保证修复体及支持组织受力更加均匀,对其进行三维有限元的应力分析,以减轻修复体对口内余留软组织的压痛,提高修复体的固位和稳定性,从而保护软硬组织健康。因此,本文就单侧上颌骨缺损有限元模型的建立及其在修复单侧上颌骨缺损中的应用进行综述。

  三维有限元分析是将一个复杂的个体分解为多个小单元,并赋予每种材料特有的弹性模量和泊松比等生物学性质,以产生的数学公式为基础,通过对每个小单元的分析,获得整个研究个体性质的一种分析法。其不会对机体及修复体造成损害;研究对象在体外的模拟体被赋予生物学材料性能更接近实体,具有高度可重复性。三维有限元是对三维数据进行力学分析,常用的三维重建软件有Mimics、3D-Doctor等。以往常对患者的二维螺旋CT进行三维重建。

  近年来,对CBCT(conebeamcomputedtomography)的二维数据进行重建或直接利用CAD/CAM扫描仪来获得研究对象的三维数据成为了新趋势。CBCT对硬组织的分辨率虽较螺旋CT高,但不足以区分所有相关细节,因此对于一些牙齿表面细微结构,咬合状况等,多结合3D扫描技术获得,以提高模型的精确度。单纯用扫描仪所获得的三维数据,只有被扫描物体表面的信息,而无法获得内部的结构。三维重建后,将三维数据导入Abaqus、AN-SYS等软件,进行建模及生物力学分析。在此之前,需赋予生物力学性能,施加载荷,模拟接近真实的口腔环境,所得出的结论更客观。目前研究中,对天然牙、种植体等施加载荷为50N~600N。

  三维有限元虽是一项成熟的技术,但尚存在以下不足:①由于建模工作量繁琐,几乎所有研究只建立一个模型;②研究对象假设为各向同性材料、小变形及简化边界约束的设定,这些过程可能对模型的几何和力学相似性造成影响;③大多只考虑了咀嚼过程中主要力的方向,但咀嚼力是不断变化和循环的;④忽略面颊部软组织对修复体的作用,目前研究均未涉及软组织部分。主要是因为头面部解剖结构复杂,螺旋CT和CBCT对软组织的分辨率低,三维重建无法精确对各种软组织准确区分。

  Micro-CT(microcomputedtomogra-phy)对软硬组织的空间分辨率可达20μm,但仅用于离体小样本及小动物的研究,对重建完整人类颅颌面部有一定的困难。其次,MRI(magneticresonanceimaging)对软组织的分辨率较高,但费用昂贵。国内学者表示三维重建时,为提高模型的精度,建议将螺旋CT和CBCT数据融合。Detter-beck等研究发现,应用MR数据三维重建后的模型清晰度较螺旋CT、CBCT好,但其实验对象为动物,有待于进行临床研究。因此,寻求一种对颌面部软硬组织分辨率均高的设备至关重要目前尚无完全模拟复杂口腔生物力学环境的有限元软件,仍需进一步研究。

  由于每例上颌骨的缺损各异,加大了外科重建的难度,而传统赝复体可克服这些不足,且制作简便,缩短了患者手术和住院时间,因此作为了上颌骨缺损重建的首选。传统赝复体可较快修复患者缺失组织,重建其自信心,关闭口鼻腔交通,明显改善吞咽、发音等功能,可方便探查术后肿瘤有无复发,最重要的是保护余留牙及组织的健康。Dong等研究发现,赝复体能增加鼻腔气体流通,减小气道阻力,从而改善患者的呼吸功能。

  Sun等认为对于有Mini-SG/F附着固位体和铸造圈型卡环的两种赝复体,前者的固位力及对周围组织的保护性更佳。但Mini-SG/F固位体的使用寿命有待进一步研究。孙嘉怿等用三维有限元分析法研究卡环、精密附着体及颧种植体三种固位技术对上颌骨单侧缺损修复的生物力学影响,发现当健侧余留牙情况较差时,建议使用附着体固位的赝复体修复,以保护余留牙的健康。初晓阳研究指出三连冠联合冠外附着体更有利于应力均匀分散,但却破坏了余留牙的完整性。

  综上所述,采用传统赝复体修复缺损时,需根据患者自身具体情况合理设计固位体的种类及分布,以保护口颌系统的健康。虽赝复体的卡环对健侧基牙产生扭转力矩,但其弹性会减弱赝复体产生的杠杆作用。同时,目前缺少对不同数量的固位体生物力学的研究。

  无牙颌患者单侧上颌骨缺损后,传统修复体的固位与稳定仍是巨大挑战。Amer等研究发现,植体的植入可明显改善这些不足。不同牙植体上部结构对植体及周围骨组织所产生的应力也不同。另一方面,在牙槽骨不足的缺损侧,最大主应力不能超过上颌骨所承受的生理范围,否则会导致植体周围骨吸收、骨结合失败等。Amer等分别建立了由球帽、磁性和杆卡精密附着体等上部结构连接的种植支持式赝复体的三种有限元模型,应力值显示,杆卡附着体所产生的应力最大,磁性附着体的应力值最小。

  Pesqueira等经成像光弹应力分析后也得出了相同的结论。因此,对于单侧上颌骨缺损的无牙颌患者,建议此种修复方式的应用。尽管多个种植体提供的支持、固位与稳定效果更佳,但考虑到外科风险、费用等,植体的数量需合理。且随着植体直径及长度的增加,牙槽嵴所受的应力相应减小,更加均匀。对于部分无足够牙槽骨为种植体提供固位,及不适合外科移植手术的患者,便引入了颧种植体。研究显示,目前颧种植体的成功率大于90%。

  Akay等认为在缺损侧与非缺损侧各植入一颧种植体,较植入牙种植体更有优势,同时随着牙种植体数量的增加,其对VonMises应力无明显影响。Freedman等研究了上颌牙槽骨对颧种植体应力分布的影响,发现颧种植体在有牙槽骨支持时,更有利于应力的分布。同时,孙嘉怿等认为当健侧上颌骨骨质较差时,建议使用颧种植体固位修复。由于外科风险、技术难度大,术后恢复时间长及多种并发症等因素,限制了颧种植体在临床的广泛应用。但与传统赝复体及牙种植体相比,考虑到缺损侧骨量不足等因素,颧种植体在单侧上颌骨缺损重建中值得推广。

  近来,随着显微外科、新生物类材料的发展及数字化外科技术在口腔领域的引进,游离组织瓣已成为修复单侧上颌骨缺损的最常用方法。对于口腔颌面部缺损的重建,邱蔚六院士提出了“多学科综合序列治疗的观念”,以期实现单侧上颌骨缺损的功能性和美学的重建。Sun等用游离软组织瓣和赝复体修复上颌缺损,发现应力集中于腭与软组织瓣交界处,虽然游离瓣可关闭口鼻腔交通,但严重影响了后续赝复体的稳定性,导致牙列修复困难,因此颌骨缺损的重建,还需持有多学科综合序列治疗的观念。

  国内学者通过有限元分析法,对传统赝复体修复后和腓骨肌皮瓣重建修复后的上颌骨受力状态进行了评价,认为后者更有利于上颌骨的缺损重建,为避免病情复发及减轻上颌骨负担,后期可继续佩戴固位卡环类修复体。甄恩明等建立了腓骨肌皮瓣移植结合颧种植体的有限元模型,认为此种修复方式能将咬合力更合理地分散传导。Mertens等用肩胛骨尖游离瓣联合种植支持式赝复体进行修复重建,取得了较好的临床效果,但未评估肩胛骨尖与健侧上颌骨结合处的最大应力。

  总之,目前自体骨肌皮瓣已成为单侧上颌骨缺损重建的主要趋势,但为了避免健侧基牙和上腭应力集中,建议联合使用种植支持式修复体或有多种固位装置的修复体。外科重建修复手术风险高,术后并发症多,修复期较长,要求术者有较高外科技术,因此要严格掌握适应证。

  综上所述,因单侧上颌骨缺损后修复的复杂性,为保证修复体的固位、稳定效果更佳,保护周围组织的健康,目前自体骨肌皮瓣移植联合种植支持式修复体或有多种固位装置的修复体已成为单侧上颌骨缺损修复的发展趋势。笔者认为,对于缺损的重建,除考虑患者自身健康状况的同时,他们对手术的耐受性,经济能力及个人意愿等因素也不容忽视。ManBetX手机版注册建模方面,虽然目前MRI和CBCT分别对软硬组织的分辨率很高,但寻求一种对两种组织分辨率均高的影像设备也至关重要。

  现在三维有限元软件建模繁琐,由此期望有限元软件得以改进,以简化建模步骤,使以后的研究纳入更多的研究对象,实验结果更具代表性;以纳入更多的组织结构,使实验结果更接近客观;可充分考虑口腔软硬组织完全非线性、ManBetX手机版注册黏弹性、载荷以及咬合情况,真实的反应口腔组织的生物力学特性,为生物力学研究提供更有益的帮助,为临床修复体最优化设计开拓广阔的前景。

  来源:魏雅楠,曹志云.三维有限元分析在单侧上颌骨缺损修复中的应用进展[J].口腔疾病防治,2018(10):677-680.

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