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【關(guān)鍵詞】牙種植體

Effectsofbonecontactrateonnaturalfrequencyofthedentalimplant

【Abstract】AIM:Toinvestigatetheinfluenceofbonecontactrate(BCR)onthevaluesofnaturalfrequencyofdentalimplantsby3dimensionalfiniteelementanalysis.METHODS:UsingthecommercialcodeofSolidWorks,3Dmodelsofcylindricaldentalimplantandmandibularbonesegmentweredeveloped.Afterthis3DimplantbonecomplexwasmeshedbyABAQUSsoftware,theeffectsofBCRonthenaturalfrequenciesoftheimplantwerecomputed.RESULTS:Thenaturalfrequencyofimplantincreasedfrom23960Hz(BCR=0)to25886Hz(BCR=100%)astheBCRincreased.CONCLUSION:ItisconcludedthatBCRplaysaroleininfluencingthevaluesofnaturalfrequencyofdentalimplants,butitisnotthemaininfluencingfactor.

【Keywords】dentalimplant；3dimensionalfiniteelement；bonecontactratio；resonancefrequencyanalysis

【摘要】目的：用有限元方法研究種植體骨結(jié)合率與種植體固有頻率之間的關(guān)系.方法：建立牙種植體、局部下頜骨骨塊三維立體有限元模型，利用ABAQUS有限元軟件，分析不同等級(jí)骨結(jié)合率下種植體的固有頻率.結(jié)果：隨著骨結(jié)合率由0增加至100％，種植體固有頻率相應(yīng)從23960Hz增加到25886Hz.結(jié)論：種植體的骨結(jié)合率對(duì)其固有頻率有一定影響，但并非主要影響因數(shù).

【關(guān)鍵詞】牙種植體；三維有限元；種植體骨結(jié)合率；共振頻率分析

0引言

牙種植體的穩(wěn)定性是一種常用的臨床檢查指標(biāo)，用以反映種植體骨愈合情況和指導(dǎo)種植體的臨床修復(fù)時(shí)機(jī).捫診和Periotest方法是目前在臨床中通常采用的種植體穩(wěn)定性檢測手段，由于存在靈敏度低、重復(fù)性差等問題，因此這兩種方法的檢測結(jié)果對(duì)臨床指導(dǎo)意義不大.作為評(píng)價(jià)種植體穩(wěn)定性的最新技術(shù)，共振頻率分析（resonancefrequencyanalysis,RFA）表現(xiàn)出了很高的靈敏度且測量重復(fù)性好，它不僅可以反映種植體骨界面的愈合狀態(tài)，而且可以反映種植體頸部骨吸收情況，這大大提高了它的應(yīng)用價(jià)值［1-4］.但是，如何正確解釋RFA值的臨床意義是該方法的一項(xiàng)重要研究課題.目前尚未見關(guān)于種植體骨結(jié)合性質(zhì)與RFA值之間的關(guān)系的報(bào)道，而這恰恰是RFA研究的一個(gè)關(guān)鍵問題.因此，我們旨在運(yùn)用有限元方法，研究不同骨結(jié)合率對(duì)種植體固有頻率的影響，為進(jìn)一步揭示RFA值的臨床意義提供理論依據(jù).

1材料和方法

1.1材料

個(gè)人用計(jì)算機(jī)：CPU2.8G，內(nèi)存1.0G；軟件：SolidWorks制圖軟件，ABAQUS有限元軟件(HKS公司).

1.2方法

1.2.1繪制牙種植體、下頜骨骨塊三維模型利用SolidWorks繪圖軟件，繪制出牙種植體和下頜骨局部骨塊三維立體幾何模型.因?yàn)槲覀儾谎芯糠N植體骨界面的力學(xué)指標(biāo)，因此將螺紋型種植體簡化為柱狀面種植體.種植體直徑3.6mm，長11.0mm，上部基臺(tái)簡化為直徑5.0mm，高3.0mm的圓柱體（Fig1）；下頜骨立方骨塊尺寸為10mm（近遠(yuǎn)中）×15mm（高度）×10mm（頰舌向），立方體骨塊4個(gè)外表面（頰舌面及上下面）畫出1.2~1.6mm厚密質(zhì)骨層［2］，在骨塊中央繪制出容納種植體的種植窩（Fig2）.

1.2.2裝配實(shí)體模型和模型分元將生成的種植體、骨塊模型文件導(dǎo)入ABAQUS有限元軟件，裝配種植體和骨塊.利用該軟件自動(dòng)劃分功能進(jìn)行種植體、局部骨塊的單元?jiǎng)澐?，整個(gè)模型采用四面體單元?jiǎng)澐?

1.2.3材料力學(xué)參數(shù)我們參照Huang等［2］的模型參數(shù)，模擬Ⅱ類骨質(zhì)（Lekholm&Zarb1985），具體材料力學(xué)參數(shù)見Tab1.表1有限元模型材料力學(xué)參數(shù)（略）

1.2.4不同等級(jí)骨結(jié)合率的模擬將種植體骨結(jié)合率分為五等級(jí)，即0，25％，50％，75％和100％.五種等級(jí)的骨結(jié)合率分別通過種植體骨界面不同比例的骨結(jié)合和非骨結(jié)合來模擬，骨結(jié)合與非骨結(jié)合區(qū)域在種植體表面間隔出現(xiàn)，并隨機(jī)分配［5］.骨結(jié)合區(qū)域骨組織和種植體界面單元在載荷下的相對(duì)位移為0，而非骨結(jié)合區(qū)域界面單元在外力作用下允許相對(duì)滑動(dòng)，摩擦系數(shù)μ＝0.2.

1.2.5實(shí)驗(yàn)假設(shè)及邊界條件模型中種植體和骨組織假設(shè)為連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的線彈性材料；下頜骨局部骨塊頰舌面及骨塊底面給予剛性約束［6］.

1.2.6固有頻率分析牙種植體振動(dòng)的固有頻率并不是單一的，而是由多階振動(dòng)頻率所構(gòu)成，本實(shí)驗(yàn)選定種植體頰舌向的一階彎曲振動(dòng)頻率作為研究指標(biāo)，該固有頻率即為臨床RFA方法檢測的種植體共振頻率［2］.

2結(jié)果

種植體頰舌向的一階彎曲振動(dòng)情況見Fig3，種植體只有頰舌向的彎曲振動(dòng)，無扭轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)等，此振動(dòng)過程可在該有限元軟件中動(dòng)態(tài)觀察.

3討論

共振頻率分析是利用物理上的共振原理來測量種植體的穩(wěn)定性，其測量值越高說明種植體越穩(wěn)定.眾多學(xué)者通過體外模擬實(shí)驗(yàn)、動(dòng)物及臨床研究證實(shí)種植體骨界面剛度（彈性模量）是影響種植體固有頻率的主要因數(shù).Meredith［7］將種植體植入特制的樹脂模塊中，通過種植體界面樹脂的光學(xué)固化，來模擬種植體界面剛度的增加，他發(fā)現(xiàn)隨著樹脂固化剛度的增加，種植體固有頻率值亦同步顯著增加，證實(shí)了彈性模量是影響種植體固有頻率的重要因數(shù).在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，Meredith等［4］將種植體植入兔脛骨，測量植入初期、第14日和第28日種植體的固有頻率，發(fā)現(xiàn)后兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的固有頻率值均顯著大于植入初期的頻率值，由此作者認(rèn)為固有頻率的增加是由彈性模量在種植體愈合過程中逐漸增加而引起的.Barewal等［8］連續(xù)隨訪測量臨床26枚種植體的固有頻率值，發(fā)現(xiàn)隨著種植體愈合時(shí)間的延長（界面剛度增加），固有頻率值呈逐漸增加趨勢；種植體所植入頜骨的彈性模量越高則種植體固有頻率值越高，在所有測量時(shí)間點(diǎn)上，彈性模量高的Ⅰ類骨質(zhì)的頻率值均顯著高于彈性模量差的Ⅳ類骨質(zhì)的頻率值.另外Huang和Cawley等［9,10］證實(shí)有效長度（種植體上部測量用基臺(tái)長度+種植體頸部骨吸收的高度）也可負(fù)向影響RFA值.

然而種植體愈合過程中，界面除了骨組織剛度會(huì)隨時(shí)間增加外，骨結(jié)合率也會(huì)隨著增加；骨結(jié)合率反映的是骨結(jié)合的程度，是種植體維持長期穩(wěn)定性的物質(zhì)基礎(chǔ)，而目前尚不清楚骨結(jié)合率對(duì)RFA值的確切影響，闡明兩者的關(guān)系有助于進(jìn)一步明確RFA值的測量意義.我們?cè)诒３纸缑鎰偠龋ü琴|(zhì)彈性模量）不變的條件下，計(jì)算不同骨結(jié)合率下的RFA值，發(fā)現(xiàn)固有頻率隨骨結(jié)合率的增加而變大，因此RFA值不僅可反映界面骨組織剛度的變化，也可反映界面骨結(jié)合率的變化.從物理學(xué)角度看，物體振動(dòng)的固有頻率與物體的彈性模量、密度、邊界約束條件密切相關(guān)，而骨結(jié)合率的增加意味著種植體受到了更大面積骨組織的約束，其固有頻率必然會(huì)增大.

在本研究結(jié)果中，當(dāng)骨結(jié)合率從100％下降至0時(shí)，固有頻率值僅下降了7.4％（從25886Hz降至23960Hz）；而Huang等的有限元研究發(fā)現(xiàn)，骨質(zhì)由Ⅰ類變?yōu)棰纛悤r(shí)固有頻率值下降了近4倍，說明骨結(jié)合率對(duì)固有頻率的影響相對(duì)較小，而骨質(zhì)彈性模量的影響要顯著.

Meredith等［4］的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)隨著種植體骨結(jié)合面積的增加，種植體RFA值有增高的趨勢，但增加值有限，Meredith等認(rèn)為種植體骨界面彈性模量才是RFA值增加的主要原因.因此可以看出，RFA值主要反映的是界面骨組織彈性模量的變化，而對(duì)界面骨結(jié)合率的變化相對(duì)不敏感，這點(diǎn)具有重要的臨床意義：對(duì)于骨結(jié)合界面被急性暴力破壞的種植體（骨結(jié)合率下降），其RFA測量值將會(huì)有所下降，但下降幅度會(huì)非常有限，此時(shí)若以RFA值的下降幅度來評(píng)價(jià)種植體受損情況，會(huì)掩蓋骨界面的真實(shí)破壞程度，從而影響對(duì)種植體受損情況做出正確的評(píng)價(jià)，也就不可能及時(shí)采取措施使受損界面重獲骨結(jié)合，因此應(yīng)謹(jǐn)慎對(duì)待RFA儀測量骨結(jié)合率變化所得的測量值.

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