牙種植體共振頻率影響因素的三維有限元研究.pdf

1、研究背景：Brnemark教授于上世紀(jì)60年代中后期創(chuàng)立的骨結(jié)合理論在現(xiàn)代牙種植技術(shù)發(fā)展史上具有里程碑式意義，他給骨結(jié)合下的定義為：負(fù)載狀態(tài)下牙種植體表面與活的骨組織之間發(fā)生的結(jié)構(gòu)上和功能上的直接連接，此概念有兩層含義，即一方面強(qiáng)調(diào)骨結(jié)合種植體與骨組織之間為直接的緊密連接，在光鏡水平下兩者之間沒(méi)有纖維組織的介入，另一層含義為即使在負(fù)載狀態(tài)下這種緊密連接仍能維持其長(zhǎng)期穩(wěn)定性，而不會(huì)受到破壞。Brnemark教授在提出骨結(jié)合理論的同時(shí)，根據(jù)

2、其長(zhǎng)期臨床實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)制定出了一套嚴(yán)格的操作規(guī)范用于保證骨結(jié)合種植體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，其中的一條操作規(guī)范就是延期負(fù)載，即種植體植入后，需經(jīng)過(guò)3～6月的無(wú)負(fù)載愈合，種植體-骨界面實(shí)現(xiàn)骨結(jié)合才可進(jìn)行上部修復(fù)體的連接；而過(guò)早負(fù)載會(huì)發(fā)生纖維性愈合，導(dǎo)致種植體松動(dòng)、失敗。大量研究證實(shí)延期負(fù)載有利于種植體-骨界面的早期愈合，是提高種植體成功率的有效措施。然而，延期負(fù)載的缺點(diǎn)卻也非常突出：延期負(fù)載延長(zhǎng)了療程，手術(shù)次數(shù)多，增加了醫(yī)患雙方的負(fù)擔(dān)。
　　隨著

3、牙種植技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸對(duì)延期負(fù)載的必要性提出了質(zhì)疑，牙種植體的即刻負(fù)載被嘗試性地用于臨床。即刻負(fù)載是指在種植體植入后立即進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)修復(fù)的種植治療方法，與延期負(fù)載相比，此法療程明顯縮短，可為患者立即恢復(fù)美觀和咬合功能，受到了患者和醫(yī)生的歡迎，目前即刻負(fù)載已成為牙種植研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。
　　目前認(rèn)為初期穩(wěn)定性是決定即刻負(fù)載種植體成敗的關(guān)鍵因素，將種植體-骨界面微動(dòng)控制在一定范圍，即刻負(fù)載種植體即可實(shí)現(xiàn)骨結(jié)合。而種植體初期穩(wěn)定性與

4、下列三方面因素密切相關(guān)：種植手術(shù)技巧、種植體相關(guān)因素和頜骨的質(zhì)與量。在臨床實(shí)際操作中，即刻負(fù)載的成功卻在很大程度上取決于臨床醫(yī)師判斷測(cè)量種植體初期穩(wěn)定性的能力和連續(xù)監(jiān)測(cè)負(fù)載種植體穩(wěn)定性變化的能力。目前，常用的種植體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法有：臨床捫診、植入扭矩法、旋出扭矩法、Periotest法和共振頻率法（RFA:Resonance frequency analysis）等。前四種方法存在明顯缺點(diǎn)，如：臨床捫診屬主觀測(cè)量法，不能定量，不同測(cè)量值

5、之間可比性差；植入扭矩和旋出扭矩法屬于定量測(cè)量，但是前者只能在植入種植體時(shí)測(cè)量，不能連續(xù)監(jiān)測(cè)種植體的穩(wěn)定性，后者因存在倫理禁忌，是不能用于臨床研究的；Periotest法屬定量測(cè)量方法，但是許多因素可干擾Periotest儀測(cè)量值的準(zhǔn)確性，其測(cè)量重復(fù)性受到較多質(zhì)疑。相反，共振頻率法被認(rèn)為是目前相對(duì)理想的定量測(cè)量種植體穩(wěn)定性的方法，組織剛性（stiffness）和有效長(zhǎng)度（effective length）被認(rèn)為是影響種植體RFA值的兩個(gè)

6、因素，大量研究對(duì)這兩個(gè)因素的作用進(jìn)行了深入研究，而很少有研究對(duì)其它可能影響種植體RFA值的因素進(jìn)行過(guò)研究。目前種植領(lǐng)域?qū)ο铝袉?wèn)題尚存在疑問(wèn)：除組織剛性和有效長(zhǎng)度外，還有沒(méi)有其它因素（如雙皮層植入、種植體尺寸和傳感器設(shè)計(jì)等）會(huì)影響RFA值？如果有，它們的作用到底如何？
　　目的：在本質(zhì)上，種植體的共振頻率就是其固有頻率（NF:NaturalFrequency），而有限元軟件的一個(gè)基本功能就是可直接計(jì)算出給定結(jié)構(gòu)的固有頻率。因此，本課

7、題擬建立牙種植體-局部骨塊三維有限元系列模型；該系列模型可用于種植體固有頻率分析，通過(guò)有限元軟件分析雙皮層植入、種植體尺寸（長(zhǎng)度和直徑）和傳感器設(shè)計(jì)等參數(shù)對(duì)種植體共振頻率值的影響。闡明上述相關(guān)因素對(duì)牙種植體共振頻率值的影響，有助于正確解釋共振頻率值的含義，為共振頻率法在即刻負(fù)載領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
　　方法：（1）建立實(shí)體模型：采用計(jì)算機(jī)建模法，即用三維繪圖軟件畫(huà)出螺紋型牙種植體、局部骨塊實(shí)體模型，模型為立體模型。（2）將實(shí)體

8、模型導(dǎo)入ANASYS有限元分析軟件，定義材料力學(xué)性能，建立有限元模型，其中的研究因素為：雙皮層植入、種植體尺寸（長(zhǎng)度和直徑）和傳感器設(shè)計(jì)。雙皮層植入分為：下頜頰側(cè)穿皮層和上頜種植體根尖穿皮層兩類(lèi)，其中下頜模型為磨牙區(qū)骨塊，通過(guò)將種植體逐漸向頰側(cè)密質(zhì)骨板移動(dòng)并實(shí)現(xiàn)接觸來(lái)模擬頰側(cè)雙皮層植入，上頜模型為包含上頜竇底的局部骨塊，通過(guò)增加種植體長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)種植體根尖接近并接觸竇底密質(zhì)骨板來(lái)模擬根尖穿皮層，兩類(lèi)穿皮層模型中的骨質(zhì)類(lèi)型分為三類(lèi)：D2、D3

9、和D4骨質(zhì)類(lèi)型；在進(jìn)行上述兩類(lèi)雙皮層研究中，改變種植體直徑（3.75mm、4.0mm、4.5mm、5.0mm和5.5mm）和長(zhǎng)度（10.0mm、11.0mm、12.0mm、13.0mm和13.5mm），研究尺寸變化對(duì)固有頻率值的影響；傳感器分為兩類(lèi)：L型傳感器和鋁桿傳感器，L型傳感器為目前最為常用的傳感器類(lèi)型，大體呈L外形，為鈦材質(zhì)，使用時(shí)需要用螺絲固定于種植體上端，而鋁桿傳感器為最新一代傳感器，為鋁材設(shè)計(jì)，大體呈圓柱狀，其下方有小螺桿

10、設(shè)計(jì)，可直接擰入種植體上口。（3）有限元分析：在本質(zhì)上，種植體一階彎曲振動(dòng)模態(tài)（BM:BendingMode）下的固有頻率與RFA儀測(cè)量的共振頻率相同，因此本研究直接采用有限元軟件計(jì)算不同參數(shù)條件下種植體-骨塊復(fù)合體的一階固有頻率，包括一階BM值和一階垂直向振動(dòng)模態(tài)（AM:AxialMode）下的固有頻率，前者反映的是種植體水平向穩(wěn)定性，后者反映的是種植體垂直向穩(wěn)定性。（4）對(duì)所得固有頻率值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)描述和分析，尋找其中的規(guī)律，總結(jié)得出相

11、應(yīng)結(jié)論。
　　結(jié)果：（1）建立了種植體-下頜磨牙區(qū)骨塊三維有限元模型，種植體直徑分為5個(gè)等級(jí)，模擬了不同等級(jí)的頰側(cè)雙皮層植入，種植體位于骨塊中央設(shè)為對(duì)照。①0.5mm雙皮層接觸（種植體伸入密質(zhì)骨內(nèi)0.5mm）可增加種植體BM和AM固有頻率值10.5～42.3％（平均24.3％），從0mm（種植體表面剛剛接觸密質(zhì)骨）至0.5mm雙皮層，種植體固有頻率值持續(xù)增加，從0.5mm至1.0mm雙皮層，種植體固有頻率值進(jìn)入坪臺(tái)期或有輕微下降。

12、②在0.5mm和1.0mm雙皮層模型中，增加種植體直徑可引起頻率值小幅增加，增幅在2.9～7.3％之間；在對(duì)照模型和0mm雙皮層模型中，種植體固有頻率值隨直徑增加而有升有降，變化幅度較小，其中各模型組最大值與最小值相比的平均增幅為5.5％。（2）建立了種植體-上頜后牙區(qū)骨塊三維有限元模型，種植體長(zhǎng)度和直徑分別為2個(gè)及5個(gè)等級(jí)，模擬了種植體根尖穿上頜竇底密質(zhì)骨之雙皮層植入。①與10.0mm相比，11.0mm種植體的BM值有輕度增高，平均增

13、幅2.4％；然而，12.0mm、13.0mm和13.5mm種植體卻擁有顯著的BM增幅，在D2骨質(zhì)模型中（13.0mm和13.5mm種植體穿竇底皮層），這3種長(zhǎng)度的增幅范圍：29.0～30.1％，D3骨質(zhì)時(shí)的增幅范圍（13.5mm種植體穿竇底皮層）：14.9～17.5％，D4骨質(zhì)時(shí)（13.5mm種植體穿竇底皮層），13.0mm和13.5mm種植體的增幅范圍高達(dá)：83.0～86.7％，平均值85.0％，12.0mm種植體的增幅為22.6％（

14、3.75mm直徑）和16.2％（5.5mm直徑）。②大多數(shù)情況下，種植體直徑由3.75mm變?yōu)?.5mm會(huì)引起B(yǎng)M和AM頻率值的輕微下降，BM值的下降百分比平均8.6％，AM值的平均下降百分比為3.3％。（3）建立了種植體-傳感器-下頜后牙區(qū)局部骨塊（L型和鋁桿傳感器兩類(lèi)）三維有限元模型。①L型傳感器模型種植體的BM值在3763～4464Hz之間（平均4235Hz），而鋁桿傳感器模型種植體的BM值在9192～10002Hz之間（平均97

15、08Hz）。②骨質(zhì)由D4變?yōu)镈2時(shí)，L型傳感器模型種植體的BM值增加百分比在12.7～16.7％之間（平均14.9％），鋁桿傳感器種植體的BM值增加百分比在7.4～8.5％之間（平均7.9％）。③對(duì)于L型傳感器而言，長(zhǎng)度增加BM值逐漸增加，14.0mm與8.0mm相比，BM值平均增幅為3.2％，對(duì)于鋁桿傳感器而言，D3骨質(zhì)模型的頻率值隨長(zhǎng)度增加而增加，在D4和D2骨質(zhì)條件下，頻率值呈先升后降（變化幅度較小）。④在D3骨質(zhì)情況下，L型傳感

16、器測(cè)量值和鋁桿傳感器測(cè)量值之間存在線性相關(guān)，具有顯著性（Pearson相關(guān)系數(shù)r=0.996，P=0.004）；在D4骨質(zhì)情況下，L型傳感器測(cè)量值和鋁桿傳感器測(cè)量值之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，但是沒(méi)有統(tǒng)計(jì)意義（r=-0.846，P＞0.05）；在D2骨質(zhì)情況下，兩組數(shù)值存在正相關(guān)關(guān)系，但同樣沒(méi)有統(tǒng)計(jì)意義（r=0.736，P＞0.05）。
　　結(jié)論：（1）頰側(cè)雙皮層植入可顯著增加種植體BM和AM固有頻率值，隨著雙皮層厚度的增加，固有頻率值會(huì)

17、隨之相應(yīng)增加，然而當(dāng)雙皮層厚度超過(guò)某個(gè)最有效值（位于0.5mm和1.0mm之間）后，再額外增加雙皮層厚度也不能引起固有頻率的明顯增加。在頰側(cè)雙皮層植入情況下，增加種植體直徑可引起固有頻率值有限的增加，其幅度遠(yuǎn)低于雙皮層植入所增加的幅度。在對(duì)照模型和0mm雙皮層模型中，種植體固有頻率值隨直徑增加而有升有降，變化幅度較小。（2）種植體長(zhǎng)度增加可增加種植體BM值，隨長(zhǎng)度進(jìn)一步增加，種植體根方逐漸接近上頜竇底密質(zhì)骨板、穿入密質(zhì)骨（實(shí)現(xiàn)雙皮層植入