閉合式上頜竇底提升術(shù)上頜竇黏膜力學(xué)研究

1、閉合式上頜竇底提升術(shù)上頜竇黏膜力學(xué)研究1.研究背景 1.1 上頜后牙區(qū)種植骨量不足原因上頜竇位于上頜體內(nèi) , 底壁由 前向后蓋過上頜第二前磨牙到上頜第三磨牙根尖 , 與上述牙根之間以較薄的骨板 相隔,甚至無骨板而僅覆以黏膜。 因此上頜后牙缺失后 ,牙槽嵴吸收,上頜竇氣化, 后牙區(qū)骨量嚴(yán)重不足 , 導(dǎo)致此區(qū)域的種植修復(fù)難以進(jìn)行 ,上頜后牙區(qū)種植體的長 期存活率也低于其它區(qū)域。1.2 上頷竇底提升手術(shù) (internal bone augmentation of the maxillarysinus floor) 上頜竇底提升術(shù)是解決上頜后牙區(qū)骨量不足的主要方法 ,它是提升 上頜竇黏膜 , 通過在

2、上頜竇底骨壁和竇黏膜之間植入或不植入自體骨或骨替代品 , 有效增加上頜后牙區(qū)牙槽嵴頂和竇底的骨高度 , 為種植體植入提供足夠骨量的過 程。977年Tatum首次報道此技術(shù),采用上頜竇根治術(shù)手術(shù)入路(Caldwell-Luc), 即側(cè)壁開窗術(shù)(lateral window technique)進(jìn)行上頜竇底提升,1994年Summers首次提出采用經(jīng)牙槽突微創(chuàng)技術(shù) , 沖頂上頜竇底壁提升上頜竇黏膜 , 它與水囊法 提升上頜竇技術(shù)、 經(jīng)牙槽嵴頂開窗提升術(shù)、 改良沖壓提升技術(shù)等統(tǒng)稱為經(jīng)牙槽上 頜竇底提升術(shù) (transalveolar osteotome technique) 或者閉合式上頜竇底提升

3、術(shù) (Closed maxillary sinus floor elevation)。1.3 上頜竇黏膜穿孔 (Perforation of Sinus Membrane) 由于上頜竇的解剖 形態(tài)存在差異 , 上頜竇黏膜較薄 , 因此上頜竇底提升術(shù)中上頜竇黏膜撕裂穿孔是 臨床最常見的并發(fā)癥 , 尤其在上頜竇底分隔和骨嵴區(qū)更容易造成上頜竇黏膜的撕 裂,其發(fā)生率為 2.2%-21%。上頜竇黏膜由假復(fù)層纖毛柱狀上皮構(gòu)成,在維持和保護上頜竇正常結(jié)構(gòu)中起到關(guān)鍵的作用 , 穿孔使得種植體與骨移植材料和上頜竇腔 直接接觸 , 容易發(fā)生感染和慢性上頜竇炎癥 , 引起植骨材料的吸收； 上頜竇黏膜細(xì)胞可被誘導(dǎo)表達(dá)

4、堿性磷酸酶、骨鈣蛋白、骨橋蛋白、黏骨素、骨形成蛋白等細(xì)胞 因子, 具有成骨的能力 ,穿孔使得提升后種植體周圍骨質(zhì)形成減少 , 降低了種植體 的初期穩(wěn)定性 , 導(dǎo)致種植體的早期脫落。因此, 完整的上頜竇黏膜對新骨形成及種植手術(shù)的成功具有重要的作用。臨 床研究表明 , 上頜竇黏膜穿孔后 , 即使用纖維蛋白粘結(jié)劑等材料積極修復(fù) , 也有較 多的種植體脫落 , 導(dǎo)致了上頜竇底提升手術(shù)的失敗。2.研究目的和意義為降低上頜竇黏膜撕裂穿孔的發(fā)生 , 學(xué)者們做了許多研究 包括手術(shù)時上頜竇黏膜的保護 , 不同穿孔尺寸的修補方法等。但是這些方法在開 窗式上頜竇底提升手術(shù)中比較適用 , 對于非直視下進(jìn)行的閉合式上頜

5、竇底提升手 術(shù)作用甚微。閉合式上頜竇底提升手術(shù)在手術(shù)中和手術(shù)后對上頜竇黏膜的完整狀態(tài)不能 直接判斷 ,在臨床上只能采用讓患者捏鼻鼓氣 , 檢查有無氣泡從牙槽突中冒出這 種間接方法 , 失誤率較高 , 許多穿孔不能及時被發(fā)現(xiàn) , 導(dǎo)致種植體早期脫落 , 降低 了種植手術(shù)的成功率。因此 , 預(yù)防上頜竇黏膜穿孔具有重要意義。由于人體的特殊性 , 要研究口腔生物組織的移動機理 , 對其受力變化進(jìn)行分 析,不可能進(jìn)行大規(guī)模的試驗研究 , 無侵入的生物力學(xué)方法成為當(dāng)前最普遍的研 究手段。 在閉合式上頜竇底提升手術(shù)生物力學(xué)研究中 ,Koca,Fanuscu 等學(xué)者對手 術(shù)后骨組織與種植體應(yīng)力分布進(jìn)行了有限元

6、分析 , 并得出許多對臨床工作具有指 導(dǎo)意義的結(jié)果 , 但是對上頜竇黏膜進(jìn)行建模及應(yīng)力分析研究至今未見報道 ,這主 要受限于上頜竇黏膜的彈性模量和泊松比等力學(xué)相關(guān)參數(shù)的缺乏。2009年Bernhard Pomme等學(xué)者對20例新鮮尸體上獲取的上頜竇黏膜樣本進(jìn)行測試 ,獲取了上頜竇黏膜的的彈性參數(shù) ,得出黏膜的厚度由 24 微米變化到350微米的范圍時 ,穿孔強度值的變化具有統(tǒng)計學(xué)意義的結(jié)論。本研究擬在Bernhard Pommer 等學(xué)者研究基礎(chǔ)上 , 應(yīng)用有限元分析基本理論與方法模擬與分 析閉合式上頜竇底提升手術(shù)上頜竇黏膜抬高形變的過程。從而為預(yù)防上頜竇黏膜穿孔 , 提高閉合式上頜竇底提升手

7、術(shù)成功率提供理論 依據(jù)。3. 研究方法口腔生物力學(xué)是用生物力學(xué)的概念、 方法和手段研究口腔醫(yī)學(xué) 中的有關(guān)基礎(chǔ)性科學(xué)問題、 解決口腔醫(yī)學(xué)中的臨床實際問題、 發(fā)展口腔臨床技術(shù) 手段, 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于口腔正畸、 修復(fù)、種植、頜面外科等領(lǐng)域 , 研究方法包括全 息照相應(yīng)力測試 , 光彈應(yīng)力測試及有限元分析等。有限元分析法 (finite-element analysis)是將連續(xù)的彈性體分割成有限個力學(xué)單元 ,通過逐一研究每個單元的性質(zhì) , 從而獲得整個彈性體的性質(zhì) ,通過對結(jié) 構(gòu)、形狀、載荷和材料力學(xué)性能等進(jìn)行應(yīng)力分析 , 獲得模型任何部位的應(yīng)力值和 位移值,并借助計算機快速精確地求解 , 能客觀、

8、準(zhǔn)確地反映應(yīng)力分布狀況。 由于 有限元模型的計算精度高 ,有限元分析也逐步從小應(yīng)變 , 小位移,彈性材料和靜力 學(xué)分析,發(fā)展到大變形 ,熱分析,材料非線形問題及動力學(xué)問題的研究 ,已廣泛用 于軟組織模擬中并取得了明顯的效果。本研究擬利用有限元分析法對閉合式上頜竇底提升手術(shù)上頜竇黏膜抬高形變的過程進(jìn)行模擬,即首先利用ANSYST限元分析軟件創(chuàng)建上頜竇黏膜的軟組織 幾何模型及有限元分析模型；然后 , 將種植體與上頜竇黏膜的接觸關(guān)系定義為面 一面接觸 , 種植體模型擬向前移動接觸圓形上頜竇黏膜模型產(chǎn)生幾何形變 , 模擬 閉合式上頜竇底提升手術(shù)種植體提升上頜竇黏膜的過程；最后 , 通過對比分析上 頜竇

9、黏膜厚度變化、 提升高度變化、 種植體直徑的變化及提升材料的變化等不同 工況對黏膜應(yīng)變與應(yīng)力的影響 , 為臨床手術(shù)提供理論依據(jù)。 4. 研究內(nèi)容和過程4.1閉合式上頜竇提升術(shù)模型構(gòu)建我們利用 ANSYST限元分析軟件自有的可以創(chuàng)建薄膜殼體模型的 Preprocessor 模塊生成上頜竇黏膜殼體模型 , 完成其幾何建 模。然后,將上頜竇黏膜殼體模型賦予其相應(yīng)的力學(xué)參數(shù),并在SHELL63殼單元 中進(jìn)行網(wǎng)格劃分 , 生成有限元分析模型。為模擬種植體提升上頜竇黏膜的過程 , 我們設(shè)定種植體與上頜竇黏膜的非線性接觸 , 種植體模型擬向上移動圓形上頜竇 黏膜模型產(chǎn)生形變 , 在特定功能區(qū)域里進(jìn)行上頜竇黏

10、膜的大變形非線性迭代求解 以獲取黏膜表面的等效應(yīng)力值。4.2 局部解剖因素對閉合式上頜竇提升術(shù)黏膜力學(xué)影響研究 4.2.1 上頜竇黏 膜厚度對黏膜形變的應(yīng)力影響的研究由于正常上頜竇壁黏膜極薄又緊貼竇壁 , 因 此CT圖像的上頜竇腔內(nèi)不能見到完整的上頜竇黏膜影像。在臨床工作中，我們所見到的黏膜厚度多在 0.3-0.8mm, 這種厚度范圍的上頜竇黏膜在面對提升手術(shù)時 黏膜形變及應(yīng)力分布是否有差異的研究至今未見報道。因此，本實驗通過建立0.3、0.5、0.8mm三種厚度上頜竇黏膜三維有限元模 型, 計算三種厚度上頜竇黏膜提升后形變與應(yīng)力分布情況 , 通過協(xié)方差分析來研 究上頜竇黏膜表面最大Vonmi

11、se應(yīng)力值的差別，分析上頜竇黏膜厚度對閉合式上 頜竇提升手術(shù)的影響。 4.2.2 剩余牙槽骨高度及上頜竇黏膜提升高度不同對黏膜 形變的應(yīng)力影響牙槽突與牙的發(fā)育、萌出及恒牙的脫落等因素密切相關(guān) , 當(dāng)牙齒 缺失后 , 殘存的牙槽骨不斷萎縮吸收 , 高度逐漸降低 , 最終失去其原有的大小和形 狀。上頜后牙缺牙區(qū)剩余牙槽骨高度常指上頜竇底到牙槽嵴頂?shù)木嚯x , 又稱為竇 嵴距。剩余牙槽骨高度越小 , 上頜竇黏膜需提升高度越大 , 兩者之和在一定程度上 決定了上頜竇底提升手術(shù)術(shù)式及種植體的長度選擇。本研究選取直徑4.2mm種植體與0.3mmr厚度上頜竇黏膜模型,通過隨機區(qū)組 設(shè)計的方差分析研究種植體提升

12、上頜竇黏膜1-5mm后黏膜表面等效應(yīng)力值的差別, 分析上頜竇黏膜提升高度不同對黏膜穿孔的影響。4.3 種植體因素對閉合式上頜竇提升術(shù)黏膜力學(xué)影響研究種植體的直徑一直被認(rèn)為是影響種植體初期穩(wěn) 定性及周圍骨組織應(yīng)力分布的相關(guān)因素，在本研究中，我們應(yīng)用ANSYST限元分 析軟件另外創(chuàng)建2.8mm 3.5mm 5.5mm三種直徑種植體與0.3mm厚度對應(yīng)直徑的 上頜竇黏膜薄膜殼體模型,計算2.8mm,3.5mm,4.2mm,5.5mn四種直徑鈦種植體提 升上頜竇黏膜1-5mm后的黏膜表面等效應(yīng)力值，通過協(xié)方差分析來研究四種模型 上頜竇黏膜表面最大 Von mise 應(yīng)力值的差別 , 分析種植體直徑不同

13、對閉合式上頜 竇提升手術(shù)黏膜力學(xué)的影響。4.4 提升手術(shù)術(shù)式的不同對黏膜形變的影響閉合式上頜竇提升手術(shù)根據(jù)是 否植骨 , 植自體骨或異體骨而具有不同的操作方法。本實驗通過另外創(chuàng)建自體松 質(zhì)骨、人工羥基磷灰石骨粉兩種材料與 0.3mm厚度上頜竇黏膜薄膜殼體模型，對 純鈦種植體、自體松質(zhì)骨、人工羥基磷灰石骨粉提升上頜竇黏膜1-5mm高度時上頜竇黏膜應(yīng)變與應(yīng)力進(jìn)行研究，并對比不同材料提升上頜竇黏膜1-5mm時黏膜表 面應(yīng)力分布的情況 ,分析植骨型閉合式上頜竇提升術(shù)即以自體松質(zhì)骨或人工羥基 磷灰石骨粉提升上頜竇黏膜、 不植骨型閉合式上頜竇提升術(shù)即以種植體提升上頜 竇黏膜等術(shù)式對黏膜形變的影響。5. 主

14、要結(jié)果 5.1 我們獲取了上頜竇黏膜軟組織殼體模型 , 完成其幾何建模。 然后，將上頜竇黏膜殼體模型賦予其相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)，并在SHELL63殼單元中進(jìn) 行網(wǎng)格劃分 , 生成上頜竇黏膜有限元分析模型共有 930個節(jié)點,1758 個單元；種 植體共有 1113個節(jié)點,2172 個單元,種植體模型擬向上移動接觸圓形上頜竇黏膜 模型產(chǎn)生形變 , 達(dá)到了與臨床閉合式上頜竇提升手術(shù)上頜竇黏膜抬高相似的效果。5.2通過對0.3mm,0.5mm,0.8mn三種厚度上頜竇黏膜提升 1-5mm的應(yīng)變與應(yīng) 力分析 , 本研究發(fā)現(xiàn)隨著提升高度的增加 , 黏膜拉伸從頂端逐漸過渡到邊緣 , 上頜 竇黏膜高變形區(qū)發(fā)生在頂端

15、中心 , 同等高度下 , 黏膜越厚 , 高變形區(qū)域越小 , 但是 , 在上頜竇黏膜提升5mm之內(nèi),0.3、0.5、0.8mm三種厚度黏膜中心最大 Von Mises 應(yīng)力值尚沒有顯著性差異(P>0.05) 。5.3通過對0.3mm厚度上頜竇黏膜提升 1-5mmn的黏膜表面Von Mises應(yīng)力分析，本研究發(fā)現(xiàn)上頜竇黏膜提升1-3mni時, 黏膜應(yīng)力變化溫和,應(yīng)力值無顯著性差異(P>0.05);上頜竇黏膜提升4mm時， 黏膜應(yīng)力增加,應(yīng)力值較1mm 2mm與3mni勻具有統(tǒng)計學(xué)差異(P<0.001)；上頜 竇黏膜提升5mm時,黏膜的應(yīng)力值亦與提升1-4m

16、mn0寸均具有顯著性差異 (P<0.001)。5.4 隨著種植體直徑的增大 , 上頜竇黏膜中心區(qū)最大應(yīng)力值范圍增大 , 最大 應(yīng)力值減小 , 黏膜受力更加均勻溫和 , 經(jīng)統(tǒng)計分析 , 每種直徑種植體應(yīng)力分布值與 其它種植體相比均具有顯著性差異 (P<0.001)。 5.5 本實驗結(jié)果顯示鈦種植體、自體松質(zhì)骨與人工羥基磷灰石骨替代材料提升上頜竇黏膜 , 黏膜表面的應(yīng)變相似 應(yīng)力值曲線高度重疊 , 隨著高度增加 , 應(yīng)力增加的趨勢亦基本一致 , 三種材料對上 頜竇黏膜表面應(yīng)變與應(yīng)力的影響幾乎沒有差別。6主要結(jié)論通過本課題的研究 ,我們得出如下結(jié)論： 6. 1 對于上頜竇黏膜厚度 為 0.3-0.8mm 范圍需要進(jìn)行閉合式上頜竇提升手術(shù)的病人 , 其所面對的黏膜穿孔 風(fēng)險是無差別的。6.2上頜竇黏膜提升高度達(dá)到4mn寸寸，黏膜Von mises應(yīng)力值大幅增加 , 增大了穿孔的機率 , 因此, 建議閉合式上頜竇提升手術(shù)的病人黏膜的提升幅度控制在3mm之內(nèi)6.3 隨著直徑的增大 , 黏膜中心區(qū)最大應(yīng)力值范圍增大 , 最大應(yīng)力值減小 , 黏 膜受力更加均勻溫和 , 在牙槽骨寬度允許的情況下 ,盡量選擇粗直徑的種植體 ,以 減少上頜竇黏膜穿孔的機會。 6.