上頜竇氣化模型的建立及初步應力分析

蔣延波，陳東輝，李姣潔，周海倫，唐禮通訊作者）

（廣西醫科大學附屬口腔醫院；廣西口腔頜面修復與重建研究重點實驗室；廣西頜面外科疾病診治研究重點實驗室；廣西顱頜面畸形臨床醫學研究中心，廣西 南寧）

0 引言

在口腔種植學中，良好的軟硬組織條件，是種植修復成功的必要條件。而牙齒缺失通常導致缺牙區軟硬組織的改變。尤其在上頜后牙區，當牙齒缺失后，由于上頜竇的存在，通常會造成上頜后牙區牙槽骨缺損，影響標準種植體的植入。

而在人體的4 個鼻竇中，上頜竇因其最接近上頜后牙而占據重要位置。當上頜骨發育時，上頜竇腔形成并在呼吸運動中被空氣充滿，給上頜竇內壁造成壓力，我們將這一生理過程稱為氣化。上頜竇氣化導致上頜竇向鄰近解剖結構擴張，因此，上頜后牙區由于上頜竇的存在，是牙槽骨患病率最高的解剖區域。Chanavaz 報道上頜竇氣化是由呼吸引起的上頜竇正壓形成的，上頜竇正壓導致骨膜破骨細胞活性增加引起上頜竇擴張。尤其上頜骨后端的IV 型軟骨對這些過程的抵抗力較弱，更容易造成骨吸收。最后導致上頜后牙區牙槽骨的垂直高度下降。

目前，對上頜竇氣化的研究仍然較少，一些文獻報道，影響上頜竇氣化的因素可能是：遺傳、鼻粘膜氣化、顱面形態、骨密度、鼻竇手術、生長激素、竇腔內氣壓和衰老過程。另一些研究表明，上頜后牙缺失也會影響上頜竇的氣化。據報道，上頜后牙種植體的失敗率高達30%-50%。

在一些研究中，三維有限元分析(FEA)已經研究了上頜后牙區種植體周圍骨的受力分布。但是，目前對于上頜竇氣化的研究仍然較少，大多研究都基于上頜后牙區骨量不足的解決方式。因此對于上頜竇氣化發生的機制、預防、以及減少上頜竇氣化造成的骨量不足的研究非常重要。不同上頜竇形態的壓力是否不同，上頜竇骨移植物材料不同的形態是否產生不同的壓力，骨替代材料的高度或寬度為多少能有效減小應力是尚需研究的中的。然而，上頜竇因其負雜的解剖結構，封閉性，以及動物實驗模型操作的困難性。三維有限元方法建模可為上頜竇的相關研究提供更加簡便、可靠、精確的研究方式。

1 材料與方法

1.1 Mimics 19.0 建模過程

上頜竇形狀因人而異，呼吸時上頜竇底壓力不同。根據上頜竇壁和底部的形態，Lixuan Niu 將上頜竇分為A 型：淺凹形、B 型：深凹形、C 型：平坦形、D 型：方形、E 型：不規則。但是，A 型和B型根據實際實驗情況被歸為一類，E 型由于其不確定性而未被納入實驗。因此，將上頜竇分為A 型：淺凹，B 型：深凹，C 型：平坦進行實驗研究。對研究對象進行上頜竇周圍的螺旋CT 掃描，采集DICOM 格式原始數據，將原數據導入Mimics 軟件，依次進行如下處理（1）依據不同組織的灰度值進行自動化閾值分割區分，初步分離出上頜竇周圍組織，（2）利用mask 建立各個部分結構模型，（3）利用手工編輯圖層工具擦除多余的部分或者補上缺失的部分，（4）對模型分別進行wrap 和smoothing 處理，填補孔和光滑表面，初步建立相應三維模型，導出STL 格式模型數據文件（圖1）。

1.2 Geomagic Studio 2013

將Mimics 生成的STL 格式文件導入Geomagic 軟件中，抹去模型釘狀物和多余特征處理，然后對模型進行優化光滑處理，使用精確曲面模塊探測模型輪廓線，對變形或者不合理的輪廓進行編輯，適當添加輪廓線以方便生成曲面片；曲面片生成成功后擬合曲面，然后將擬合完成的曲面，將光滑后的模型導出為通用的STEP格式模型數據文件（圖2）。

圖1 Mimics 軟件操作圖示

圖2 Geomagic 軟件對上頜竇模型進行光滑處理

圖3 SolidWorks 軟件不同設定不同材料特性

1.3 Solidworks 2017 建模過程

將Geomagic 軟件生成的幾何模型格式文件導入SolidWorks軟件中，對幾何模型進行特征識別和曲面診斷，對有問題的曲面進行修復，再在零件界面使用特征/曲面等模塊進行建立上頜竇其余模型，分別建立不同類型的松質骨、骨粉模型，再進入裝配界面調整位置，與皮質骨、上頜竇膜裝配為一個完整的實體。最后將模型保存為SLDPRT 零件格式文件，進行組合處理并保存（圖3）。

1.4 ANSYS 17.0 有限元建模過程

將Solidworks 中生成的體網格模型導入ANSYS 軟件中，建立Static Structural 分析類型，在分析材料庫中分別建立皮質骨，松質骨，竇膜，骨粉等材料屬性參數，進入Mechanical 工作界面（圖4）。

第1 步：在geometry 中分別對皮質骨，松質骨，竇膜，骨粉等進行賦值。本次研究的竇膜彈性模量設置為58MPa、泊松比0.45，骨粉彈性模量10910 MPa、泊松比0.24。

第2 步：在connection 中定義模型間的接觸類型，接觸類型均設置為bone 綁定（即相互之間的關系為固定關系）；

第3 步：對模型進行網格劃分。為了保證計算的精度達到分析的要求，對網格的類型和網格大小進行控制，其中網格類型設置為四面體網格，網格大小設置為2.0mm；

第4 步：設置邊界條件和載荷。根據相關研究，邊界條件定義最外層皮質骨底面為剛性約束，X、Y、Z 軸自由度為0，于竇膜內表面施加均勻分布的壓力載荷，模擬氣體從竇孔進去時上頜竇以及植入的骨粉的受力情況。

2 結果

2.1 標準的上頜竇三維有限元模型建立結果

成功建立了上頜竇及上頜竇提升后三維有限元模型（圖5），可以有效模擬上頜竇氣化時上頜竇底部受力狀況以及上頜竇提升術后不同底部寬度或高度植骨材料表面所受應力變化，模擬上頜竇氣化的發生機制以及氣流的導向，還可模擬上頜后牙區不同牙槽骨高度的種植，評估不同牙槽骨垂直骨高度種植體的穩定性以及應力分布，以及進行上頜竇提升術后植骨的應力分析。

2.2 上頜竇三維有限元模型應力分析

利用自主建立的上頜竇三維有限元模型，通過ANSYS 軟件施加應力，得到了三種上頜竇竇壁的應力分布，在三種不同底部形態上頜竇中，當施加壓力都為100pa 時，平坦型上頜竇底部vion Mises 力最大，深凹型上頜竇底部vion Mises 最小（圖6）。

3 討論

上頜竇的形成開始于子宮內生活的第10 周，并在整個生命周期中擴張。Adibelli 等人報道說，上頜竇在出生時就已經開始氣化了，并且由于持續的氣化，上頜竇的體積迅速增大。上頜竇氣化的機制、過程、以及影響是目前仍需研究的問題。

圖4 ANSYS 軟件設置邊界條件和載荷

圖5 三種形態上頜竇三維有限元模型A:淺凹型上頜竇B：深凹型上頜竇 C：平坦型上頜竇

圖6 三種上頜竇竇底應力分布 A：淺凹型 B：深凹型 C：平坦型

在口腔生物力學研究中，FEM 是一種重要的研究方法，其結果除了與有限元模型的準確性相關外，還與模型相關材料性能的結構研究及模型邊界條件的設定密切相關，而本實驗假設所有材料為連續、均質、各向同性的彈性材料。目前國內學者大多運用Dicom 格式數據文件直接建模，直接讀取數據以及處理，避免數據的反復傳導，文件格式的轉換造成的數據失真或丟失。本實驗即運用CBCT 掃描數據，重建上頜竇三維模型，充分利用了各建模軟件，簡化了圖像處理和轉化繁瑣的過程，顯著的提高了模型的精度。實驗應用Mimics 軟件快速、精確的建立人體上頜竇初步模型，然后再用Geomagic 軟件對模型進行優化光滑處理，再用SolidWorks 軟件設定了不同材料特性，成功的建立了上頜竇的三維有限元模型，最后進行相關的應力分析，可測量每個點或面的應力，也可模擬任何形式的壓力情況。

FEA 只是盡可能的模仿臨床實際情況，由三維有限元模型得出的理論分析計算結果，因此，必須結合臨床實踐或動物實驗等具體分析，以印證補充理論結果。而在過去的三十年中，有限元分析(FEA)雖然被廣泛用于預測各種臨床因素對種植成功的生物力學性能，但后上頜骨竇區十分復雜，很難得到準確的三維模型，且每個病人上頜竇解剖結構差異較大，只能大致模擬幾種不同上頜竇形態的模型。而在模擬上頜竇氣化的過程中，由于上頜竇動態氣流的復雜性，以及每個患者呼吸功能、呼吸習慣、發音方式、以及解剖結構的不同，無法真實模擬上頜竇內部的氣流導向以及真實壓力大小。此外，實驗中對于彈性形變材料，例如竇底黏膜的設定僅采用了正常未植骨，未受任何壓力的情況下的竇底黏膜物理參數，對于竇底黏膜的個體差異，以及其在植骨條件下和氣化環境下的物理性能還未深入探究和細化設定。在氣化環境的模擬中，Mimics 軟件未能模擬具體氣流在腔體內的運動和流體力學的仿生。這將會是我們在未來的研究有待中細化和探討。有研究報道，在上頜骨竇區種植體的有限元研究中，傳統的簡化三維有限元模型與CBCT DICOM 數據建立的完整上頜骨模型并無太大差異。

本實驗建立上頜竇氣化模型，不僅可以模擬上頜竇氣化時的應力分布，還有助于根據不同上頜竇形態、不同上頜骨高度制定不同的種植方案。在目前種植領域，越來越多臨床醫生使用短種植體以及傾斜種植避免行上頜竇提升術，不僅可減少患者費用以及時間，還可避免上頜竇提升術后并發癥的發生。Hurzeleret 等報道正壓促進上頜竇骨移植術后骨吸收。這會導致種植體周圍邊緣骨吸收的形成，影響種植體的長期穩定性，甚至導致種植體的失敗。而在使用不同方案前，種植體以及周圍骨組織的應力分布都是未知，由于動物實驗的局限性，無法準確模擬人體上頜竇后牙區種植，因此，三維有限元分析對新的種植方案的實施非常重要。

本實驗進一步對三種不同竇底形態上頜竇進行初步的應力分析，結果顯示，平坦型上頜竇底部所受到的應力最大，且遠大于淺凹型和深凹型上頜竇。而淺凹和深凹型上頜竇受到的應力大小類似。因此，在患者上頜竇為平坦型時，應更注意上頜竇氣化帶來的骨吸收的風險，當患者上頜后牙需拔除時，可考慮行位點保存術，或者即刻種植、即刻負載等減少骨吸收的發生。而當行上頜竇提升術時，應適當增加植骨材料的高度和寬度，以應對骨吸收的發生。當患者上頜竇形態為淺凹型或深凹型時，可考慮拔牙后三月行種植術，減少患者的費用以及時間。

本實驗成功建立了上頜竇氣化模型，并初步分析了三種不同上頜竇竇底的應力，為研究上頜竇氣化提供了基礎，為不同上頜竇形態的種植方案提供了理論依據。