以有限元法仿真分析闭合式上颌窦提升的黏膜形变

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.50.010

中国组织工程研究

• 口腔组织构建 oral tissue construction • 上一篇下一篇

以有限元法仿真分析闭合式上颌窦提升的黏膜形变

刘晓芳¹，胡玲玲²，宋光保¹，邵龙泉³，柳大烈⁴，章锦才¹

1广东省口腔医院•南方医科大学附属口腔医院，广东省广州市 510280； 2中山大学工学院应用力学与工程系，广东省广州市 510275；3南方医科大学，广东省广州市 510280；4南方医科大学珠江医院，广东省广州市 510280

修回日期:2013-11-09 出版日期:2013-12-10 发布日期:2013-12-10
通讯作者: 章锦才，教授，博士生导师，广东省口腔医院?南方医科大学附属口腔医院，广东省广州市 510280 jincaizhang@hotmail.com 并列通讯作者：柳大烈，教授，博士生导师，南方医科大学附属珠江医院整形美容外科，广东省广州市 510280 liudalie@hotmail.com
作者简介:刘晓芳★，女，1972年生，河北省昌黎县人，汉族，2004年解放军第四军医大学毕业，硕士，主任医师，主要从事口腔生物力学的研究。 liuxiaofang900@hotmail.com
基金资助:
广东省医学科研课题资助项目(A2009095)*，课题名称：骨挤压式上颌窦提升术的计算机力学分析研究

Finite element analysis on the deformation of maxillary sinus mucosa after closed maxillary sinus augmentation

Liu Xiao-fang¹, Hu Ling-ling², Song Guang-bao¹, Shao Long-quan³, Liu Da-lie⁴, Zhang Jin-cai¹

1Department of Prosthodontics, Guangdong Provincial Stomatological Hospital • Affiliated Stomatological Hospital of Southern Medical University, Guangzhou 510280, Guangdong Province, China; 2Department of Applied Mechanics and Engineering, Engineering School of Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, Guangdong Province, China; 3Southern Medical University, Guangzhou 510280, Guangdong Province, China; 4Department of Plastic and Aesthetic Surgery, Affiliated Zhujiang Hospital of Southern Medical University, Guangzhou 510280, Guangdong Province, China

Revised:2013-11-09 Online:2013-12-10 Published:2013-12-10
Contact: Zhang Jin-cai, Professor, Doctoral supervisor, Department of Prosthodontics, Guangdong Provincial Stomatological Hospital ? Affiliated Stomatological Hospital of Southern Medical University, Guangzhou 510280, Guangdong Province, China jincaizhang@hotmail.com Corresponding author: Liu Da-lie, Professor, Doctoral supervisor, Department of Plastic and Aesthetic Surgery, Affiliated Zhujiang Hospital of Southern Medical University, Guangzhou 510280, Guangdong Province, China liudalie@hotmail.com
About author:Liu Xiao-fang★, Master, Chief physician, Department of Prosthodontics, Guangdong Provincial Stomatological Hospital ? Affiliated Stomatological Hospital of Southern Medical University, Guangzhou 510280, Guangdong Province, China liuxiaofang900@hotmail.com
Supported by:
a grant by Medical Research Project of Guangdong Province in China, No. A2009095*

摘要/Abstract

摘要：

背景：如何避免闭合式上颌窦提升种植治疗中医源性上颌窦黏膜穿孔等并发症成为近年研究的热点。
目的：以有限元法比较闭合式上颌窦提升种植治疗中不同上颌窦黏膜厚度对黏膜穿孔的影响。
方法：在ANSYS有限元分析软件的SHELL63单元中分别建立0.3，0.5，0.8 mm厚度上颌窦黏膜与4.2 mm直径种植体的有限元模型，模拟闭合式上颌窦提升手术抬高黏膜，根据大变形非线性理论计算3种厚度上颌窦黏膜中心Von Mises最大应力值，并进行统计学分析。
结果与结论：通过对3种厚度上颌窦黏膜提升1-5 mm的形变与应力分析，发现上颌窦黏膜高变形区发生在黏膜顶端中心，在黏膜提升1-4 mm时，最大应变值曲线变化温和，在大于4 mm高度后曲线斜率明显增加；在上颌窦黏膜提升5 mm之内，0.3，0.5，0.8 mm 3种厚度黏膜中心最大Von Mises应力值差异无显著性意义(P > 0.05)。提示上颌窦黏膜提升高度大于4 mm之后，黏膜弹性拉伸大幅增加，增大了穿孔的概率；对于上颌窦黏膜厚度为0.3-0.8 mm需要进行闭合式上颌窦提升治疗的患者，其所面对的黏膜穿孔风险是无差别的；而上颌窦黏膜厚度小于0.3 mm的患者，要更加慎重地选择上颌窦提升方案以防止黏膜穿孔的发生。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

全文链接：

关键词: 组织构建, 口腔组织构建, 上颌窦提升, 有限元分析, 牙种植体, 上颌窦黏膜, Von Mises应力, 应变, 省级基金

Abstract:

BACKGROUND: How to avoid iatrogenic maxillary sinus mucosal perforation after closed maxillary sinus augmentation.
OBJECTIVE: To compare the influence of maxillary sinus mucosa at different thicknesses on the mucosal perforation in closed maxillary sinus augmentation operation by using finite element analysis.
METHODS: Three finite element models of maxillary sinus mucosa at different thicknesses of 0.3 mm, 0.5 mm, 0.8 mm respectively and implant with 4.2 mm diameter were established in the SHELL63 units. ANSYS finite
element analysis software was used to evaluate maxillary sinus mucosal deformation by the simulated closed maxillary sinus augmentation surgery. Differences of Von Mises maximum stress values of mucosa surface were calculated according to the non-linear large-deformation theory.
RESULTS AND CONCLUSION: When maxillary sinus mucosa height was increased from 1 mm to 5 mm, the large deformation was observed in the center of mucosa center. The maximum stress curve slope was shifted mild between 1-4 mm deformation, while shifted abruptly after 4 mm. There was no difference in the value of Von Mises maximum stress values between three maxillary sinus mucosa at 0.3 mm, 0.5 mm, 0.8 mm thickness, when the lift height was increased from 1 mm to 5 mm (P > 0.05). Maxillary sinus mucosa are faced with a higher risk of mucosal perforation and elastic elongation when maxillary sinus height is increased more than 4 mm. Maxillary sinus mucosa at 0.3-0.8 mm thickness are faced the similar risk of mucosal perforation in closed maxillary sinus augmentation operation within 5 mm. While more considerations should be paid on patients with less than 0.3 mm maxillary sinus mucosa thickness.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

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Key words: maxillary sinus, augmentation, finite element analysis, dental implants, stress, physics

中图分类号:

R318

刘晓芳，胡玲玲，宋光保，邵龙泉，柳大烈，章锦才. 以有限元法仿真分析闭合式上颌窦提升的黏膜形变[J]. 中国组织工程研究, doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.50.010.

Liu Xiao-fang, Hu Ling-ling, Song Guang-bao, Shao Long-quan, Liu Da-lie, Zhang Jin-cai. Finite element analysis on the deformation of maxillary sinus mucosa after closed maxillary sinus augmentation[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.50.010.

图/表（结果） 5

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引言

材料方法

设计：三维有限元分析。

时间和地点：于2013年9月在中山大学完成。

材料：ANSYS 10.0有限元分析软件购自美国ANSYS公司。

方法：

建立有限元模型：在ANSYS 10.0有限元分析软件前处理模块Preprocessor中建立4.2 mm直径种植体与3种厚度上颌窦黏膜的几何模型，见图1。种植体形状如下：底部为球体，高0.8 mm；上部为圆柱体，高5.0 mm^[22]；在种植体模型前方与其垂直的位置建立4.2 mm直径圆柱形的上颌窦黏膜模型，厚度分别为0.3，0.5，0.8 mm。

在SHELL63单元对模型进行三角网格划分，对各部分输入相应的力学参数，见表1，获得三维有限元模型，见图2。上颌窦黏膜共有930个节点，1 758个单元；种植体共有1 113个节点，2 172个单元。

实验假设及边界约束：设定上颌窦黏膜和种植体为线弹性材料，将上颌窦黏膜周边设定全约束，约束种植钉在X，Y方向的位移以及绕x，y，z 3个方向的转动自由度，沿z方向施加位移，见图3。

模拟接触与求解：创建接触对单元来模拟接触及计算，定义种植体单元为目标单元，上颌窦黏膜为接触单元。采用大变形非线性迭代求解^[23]，在ANSYS的solution模块中完成求解过程。

大变形条件下的应变与应力的描述：

①Green应变定义为

接触界面算法选择：本文计算时主要用到的是对称罚函数法，所有的接触单元都采用惩罚刚度(接触刚度)来保证接触界面的协调性，见图4。

主要观察指标：4.2 mm直径种植体分别提升3种厚度上颌窦黏膜1-5 mm时黏膜最大应变值与黏膜中心所对应Von Mises最大应力值。

统计学分析：由邵龙泉将3种模型上颌窦黏膜提升1-5 mm时黏膜中心Von Mises最大应力值结果在SPSS 14.0软件中进行分析，P < 0.05为差异有显著性意义。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

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讨论

上颌窦黏膜与附着在上下牙槽嵴上的骨膜不同，存在更多的弹性纤维，闭合式上颌窦提升手术临床依据即源于上颌窦黏膜柔软而有弹性的特性^[23]。由于人体的特殊性，要研究口腔生物组织的移动机制，对上颌窦黏膜的受力变化进行分析，不可能进行临床试验研究，无侵入的生物力学方法成为当前最普遍的研究手段。有限元分析法属于力学分析中的数值法^[24-25]，在口腔领域应用广泛^[26-33]。它能对多种不同模型进行计算分析，并逐步从小应变，小位移，弹性材料和静力学分析，发展到大变形，热分析，材料非线形问题及动力学问题的研究，已广泛用于软组织模拟中并取得了明显的效果^[34-35]。

在口腔领域，学者们应用有限元方法对牙周膜进行了很多研究，如Geramy等^[36]应用有限元非线性弹性理论进行牙周膜应力分析的研究，得出在牙槽骨高度降低的情况下, 牙周膜的最大应力分别提高了16倍(颈部)和11.25倍(根尖区)，最小应力增加了17.13倍(颈部)和9.9倍(根尖区)的结论；Toms等^[37]利用非线性方法模拟计算下颌前磨牙的二维正畸加力运动，研究牙齿向冠方移动时牙周膜各部分的受力情况，结果显示在根尖和牙颈部牙周膜的应力显著增大，与经典的模型基本相同；国内一些学者如魏志刚等^[38-41]通过逆向工程的方法，建立了患者上颌中切牙及牙周膜的三维有限元模型，对牙齿加载试验进行了仿真模拟等。

正常上颌窦黏膜的厚度一般为0.3-0.8 mm，在吸烟的患者中其厚度可以非常薄甚至消失，而在上颌窦炎症患者中黏膜的厚度可以增加数倍^[12]。本文在Pommer等学者的研究基础上，通过建立0.3，0.5，0.8 mm 3种厚度上颌窦黏膜与种植体的有限元模型，根据大变形非线性理论计算种植体分别提升3种厚度上颌窦黏膜 1-5 mm时黏膜应变与Von mises应力值，研究闭合式上颌窦提升术中黏膜厚度因素对黏膜穿孔的力学影响。通过对3种厚度上颌窦黏膜提升1-5 mm的应变与应力分析，本实验结果发现，随着高度的增加，黏膜拉伸从顶端逐渐过渡到边缘，上颌窦黏膜高变形区发生在黏膜顶端中心，在黏膜提升1-4 mm时，最大应变值曲线变化温和，在大于4 mm高度时曲线斜率明显增加，提示黏膜提升高度大于4 mm之后，黏膜弹性拉伸大幅增加，增大了穿孔的概率；在上颌窦黏膜提升5 mm之内，0.3，0.5，0.8 mm 3种厚度黏膜中心最大Von Mises应力值差异无显著性意义(P > 0.05)。因此，对于上颌窦黏膜厚度为0.3-0.8 mm范围，需要进行闭合式上颌窦提升的患者，其所面对的黏膜穿孔风险是无差别的，而上颌窦黏膜厚度小于0.3 mm的患者，要更加慎重的选择上颌窦提升方案以防止黏膜穿孔的发生。

由于上颌窦解剖结构的复杂性，在种植方案设计时相对下颌骨要考虑的因素更多，相信随着技术的成熟，上颌窦区种植的生物力学研究会日益完善与丰富，为临床应用提供更多的理论依据。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

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