PERSONIFIED BIOMECHANICS OF EDENTULOUS JAW WITH RESTORATION ON THE SCHEME OF “ALL-ON-4” AND WITH PARALLEL IMPLANTS

Full Text

Введение Реабилитация пациентов с полным отсутствием зубов остается одной из наиболее сложных, актуальных и до сих пор не вполне решенных проблем в дентальной имплантологии [1]. В последние годы широкое распространение получил подход к лечению таких пациентов, основанный на концепции «All-on-Four» ("Все-на-4") [2]. А на 6-й консенсусной конференции ITI (International Team for Implantology) в апреле 2018 г. на основе аналитического метаобзора литературы [3] был даже сделан вывод, что «Не существует статистически значимой разницы в показателях выживаемости имплантатов, связанных с использованием менее пяти имплантатов, по сравнению с пятью или более имплантатами при установке несъемного зубного протеза», причем, больше того, «включая дистально наклонные задние имплантаты и протокол немедленной нагрузки» [4]. Между тем очевидно, что в схемах с малым количеством имплантатов последние воспринимают бóльшую нагрузку по сравнению с классической схемой протезирования, где имплантаты распределены равномерно по всему периметру челюсти (а тем более с нативным зубным рядом с его 16 зубами и эластичной периодонтальной связкой). Рост нагрузки сопровождается повышенным уровнем возникающих в костной ткани напряжений, деформаций, а при немедленной нагрузке и микроперемещений на интерфейсе имплантат-кость. Избыточные механические воздействия могут привести к нарушению процесса остеоинтеграции, а также к накоплению микроповреждений в костной ткани с последующим развитием ее резорбции. В этой связи особое значение здесь приобретает индивидуализированное математическое моделирование и количественный анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) челюсти, выполняемый для конкретного пациента при выборе оптимальной схемы реабилитации. Цель исследования - разработка индивидуальной биомеханической модели нижней челюсти (НЧ) с имплантами и моделью протеза с учетом неоднородности кости и сравнительная оценка НДС компонентов модели при двух разных вариантах установки имплантатов («All-on-Four» и параллельно) и характерных условиях нагружения. Материал и методы Исследование базировалось на снимках конусно-лучевой компьютерной томографии (КЛКТ) беззубой НЧ пациентки 70 лет. Преобразование изображений КЛКТ в конечно-элементную модель (КЭ) НЧ осуществлялось с применением программных комплексов Mimics 17.0 и 3-matic 6.1. Моделировались две схемы установки имплантатов: все имплантаты устанавливаются вертикально - схема 1; крайние имплантаты устанавливаются под углом 45° - схема 2. Использовались модели имплантатов диаметром 3,5 мм и длиной 11 мм. При моделировании считалось, что имплантаты полностью остеоинтегрированы; материал челюсти и имплантатов линейно-упругий и изотропный, при этом модуль упругости костной ткани определялся дискретно для каждого КЭ при помощи соответствующего расчетного модуля Mimics. Моделирование осуществлялось с использованием конечно-элементного комплекса ANSYS. При планировании протезирования предполагалась установка балочного зубного протеза. Модель балки создавалась с помощью инструментов ANSYS. Механические характеристики титановых имплантатов и титановой балки приняты в соответствии с [5]: модуль упругости - 110000 МПа, коэффициент Пуассона - 0,35. Изучались два вида нагружения, соответствующих откусыванию и жеванию. При моделировании откусывания вертикальное усилие (FB) прикладывалось к узлам, расположенным в центральной части балки, при жевании (FC) - к узлам, расположенным на краю консольной части балки (рис. 1). Величина усилия принималась равной типичной окклюзионной нагрузке для первого премоляра и моляров FB = FC = 200 Н [5, 6]. Закрепление модели осуществлялось посредством фиксации всех степеней свободы в узлах, принадлежащих головкам и венечным отросткам НЧ (см. рис. 1). Результаты и обсуждение Проведена оценка НДС как костной ткани челюсти в районе установки имплантатов, так и самих имплантатов. Результаты в эквивалентных напряжениях даны на рис. 2, 3 на обложке. Во всех случаях максимальные напряжения возникают в районе расположения первого витка резьбы имплантатов. При откусывании (см. рис. 2 на обложке) напряжения в верхнем слое компактной костной ткани НЧ и самих имплантатах распределены более равномерно, чем при жевании (см. рис. 3 на обложке). Напряжения в костной ткани при установке имплантатов по схеме 1 несколько выше, чем при установке по схеме 2 (не более 8,8%), тогда как для имплантатов прослеживается обратная картина, где различие в напряжениях достигает 46,6%. При моделировании процесса жевания наиболее нагруженными являются крайний имплантат и соответствующая область НЧ, расположенные на стороне приложенной нагрузки. Напряжения в данной области костной ткани для схемы 1 существенно ниже, по сравнению со схемой 2 (79,3%), тогда как для крайнего имплантата, наоборот, выше (различие на 31,5%). По отношению к данной области, уровень напряжений в районах установки остальных имплантатов является несущественным, без ярко выраженной зависимости от схемы установки имплантатов (различие не более 20,4%). За вычетом эффектов резьбы, полученные результаты в целом согласуются с данными, где аналогичные схемы изучались без учета изменяемости механических характеристик костных тканей по объему, а модели имплантатов не содержали резьбу. Значения напряжений, полученных в НЧ при всех вариантах моделирования, не превышают предела прочности компактной костной ткани (σв = 130 МПа) [7]. Однако максимальные значения эквивалентных деформаций в костной ткани при нагружении консольной части балки заметно превысили порог ее повреждаемости, который согласно теории механостата Фроста (H.M. Frost) составляет порядка 4∙10-3 [8]. Выводы По результатам проведенного математического моделирования можно сделать следующие выводы. 1. Во всех случаях максимальные напряжения возникали в зоне первого витка резьбы имплантатов. 2. Сравнение двух схем установки имплантатов по биомеханике показывает, что при откусывании обе схемы практически эквивалентны, при жевании же схема параллельной установки имплантатов дает заметно меньшие напряжения в костной ткани, но существенно бóльшие напряжения на резьбе имплантатов, сопоставимые с условным пределом текучести титана. 3. Расчетные деформации в условиях многоциклового нагружения могут привести к накоплению микроповреждений кости и последующей ее резорбции. 4. Ввиду приближенности биомеханических моделей на практике целесообразнее делать акцент на качественном подходе и сравнении расчетных величин НДС не с предельными характеристиками материалов, а между собой в разных местах конструкции и при разных схемах вмешательств. Таким образом, представленная технология дает возможность учета индивидуальных геометрических и механических характеристик костных структур и тканей конкретного пациента при цифровом планировании и сравнении разных вариантов имплантации на беззубой челюсти.

About the authors

I. N Dashevskiy

FGBUN «Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics RAS» (IPMech RAS)

119526,Moscow, Russia

D. A Gribov

FGBUN «Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics RAS» (IPMech RAS)

119526,Moscow, Russia

V. N Olesova

«Institute for Advanced Studies of FMBA of Russia»

Email: olesova@implantat.ru
125371, Moscow, Russia

References

Supplementary files