The analysis of changes in bone at orthopedic treatment of patients with defects of tooth alignments with use the dental implants

Full Text

Наряду с традиционными методами протезирования в настоящее время в арсенале стоматолога-ортопеда все чаще находят применение более современные, эффективные способы устранения частичной вторичной адентии. Восстановление функции жевания и достижение высокого эстетического результата ортопедического лечения у пациентов с дефектами IV класса по Кеннеди на нижней челюсти до сих пор остается актуальной проблемой. Существенный прогресс был достигнут благодаря внедрению метода дентальной имплантации, дающего хорошие функциональные и косметические результаты [1, 2]. Спектр возможностей применения дентальных имплантатов весьма широкий - от замещения одного зуба до восстановления участка челюсти [3, 4]. С этим направлением связывают решение ряда проблем не только протезирования, но и профилактики распространенных стоматологических заболеваний. Однако сложность протезирования в данном участке обусловлена особенностями строения зубов и альвеолярной части фронтального отдела нижней челюсти [5, 6]. Раздел стоматологии, включающий ортопедическое лечение с использованием дентальных внутрикостных имплантатов, представляет собой сложный взаимозависимый комплекс медико-биологических и технических проблем. Имплантат для своего успешного функционирования должен обеспечить перераспределение жевательной нагрузки на опорные ткани полости рта таким образом, чтобы сохранить их нормальную функцию и не вызывать морфологических изменений в костной ткани [7, 8]. В результате остеоинтеграции устанавливается морфологическая и функциональная непосредственная связь между биологически активной, динамично обновляемой костной тканью челюсти и поверхностью дентального внутрикостного имплантата [9]. Одним из определяющих факторов, обеспечивающих успех ортопедического лечения, является характер контактного взаимодействия имплантата с костной частью челюсти. При этом возникновение в системе имплантат/кость напряжений и деформаций, превышающих уровень функционального напряжения, может вызвать процессы резорбции костной ткани и вследствие этого увеличение подвижности и последующее удаление имплантата за счет уменьшения рабочей длины его внутрикостной части [10, 11]. Целью нашего исследования явилось изучение биомеханических аспектов взаимодействия структур костной ткани фронтального отдела нижней челюсти с различными видами дентальных внутрикостных имплантатов, особенно при функциональных нагрузках, для разработки наиболее рационального и совершенного метода ортопедического лечения пациентов с дефектами IV класса по Кеннеди на нижней челюсти. Материал и методы Для проектирования оптимальных параметров зубного протеза важно знать распределение деформаций и напряжений при приложении нагрузки в процессе эксплуатации. Чтобы решить эту задачу использовали вычислительную систему SPLEN-K, разработанную фирмой “КОММЕК Лтд”. Система ориентирована на расчет неоднородных неодносвязных конструкций специального назначения. Математическую основу системы составляет метод конечных элементов в форме перемещений с использованием треугольных симплекс-элементов. Для количественной оценки изменений в костной ткани нижней челюсти применяли комплексный критерий, позволяющий определить напряженно-деформированное состояние рассматриваемого участка челюсти как в целом, так и по отдельным составляющим. Наиболее достоверным Свойства тканей и искусственных включений, исследуемых в эксперименте Иссле дуемый материал Модуль Юнга, кг/мм2 Предел прочности на сжатие, кг/мм2 Предел прочности на растяжение, кг/мм2 Коэф фициент Пуассона Губчатая кость 750 8,2 1,5 0,45 Дентин 1470 16,7 5,5 0,31 Периодонт 20 20,0 8,0 0,35 Титан 11 500 84,0 60,0 0,34 Керамика 2240 32,0 30,0 0,19 Примечание. Указанные значения взяты из работы [8]. в этом случае является критерий Шлейхера-Надаи [11]. Он позволил оценить вероятность разрушения по всем элементам конструкции и максимальные значения вероятности разрушения, являющиеся комплексной характеристикой рассматриваемого зубочелюстного отдела. Определяли целесообразность установки двух видов имплантатов различного диаметра: стандартного (3,2 мм) и мини-имплантата (2 мм), длина обоих имплантатов составляла 12 мм. Среднюю функциональную распределенную нагрузку, развиваемую челюстью здорового человека, приняли равной 2 кг/мм2. Материалом для несъемного мостовидного протеза являлась керамика. Свойства костных тканей пародонта и искусственных включений (см. таблицу) моделировали как локально однородную сплошную среду, характеризуемую константами теории малых упругопластических деформаций (модуль Юнга, предел прочности на сжатие, предел прочности на растяжение, коэффициент Пуассона). Анализировали состояния, наиболее часто встречающиеся в клинике ортопедической стоматологии, - отсутствие четырех или двух резцов нижней челюсти, причем во втором случае оценивали ситуации при потере двух центральных резцов и при потере центрального и латерального резцов. Конструкциями зубных протезов в рассматриваемых системах служили коронки, объединенные в единый блок, и несъемные мостовидные протезы. Все модели имплантатов изготавливали из титана ВТ6. Изучено 14 вариантов модельных систем с различными опорами (естественные зубы, стандартные имплантаты и мини-имплантаты) под несъемную ортопедическую конструкцию. Результаты и обсуждение Были рассмотрены модели здорового зубного ряда (4 резца и 2 клыка) и несъемного мостовидного протеза, опирающегося на клыки. Вертикальная распределенная нагрузка прикладывалась к резцам в случае как здорового зубного ряда, так и имитирующего мостовидного протеза. Клыки не нагружали. Выполненные расчеты позволили получить максимальные и минимальные значения поля средних напряжений, характеризующего зоны сжатия (со знаком «-») и растяжения (со знаком «+»). Для зубного ряда эти значения равны -1,10 и +0,07 кг/мм2 соответственно, для мостовидного протеза - -5,28 и +3,03 кг/мм2. Были определены поля интенсивности напряжений, характеризующие возникновение сдвиговых деформаций в рассматриваемой биомеханической композитной конструкции. Максимальное значение интенсивности напряжений для зубного ряда составило 1,67 кг/мм2, для протеза - 10,25 кг/мм2. 14 экспериментально-теоретические исследования Максимальная вероятность разрушения при выбранной ортогональной функциональной нагрузке для зубного ряда равна 0,13, для мостовидного протеза данная величина составила 0,43. Таким образом, можно сказать, что такой вид протезирования ухудшает напряженно-деформированное состояние в рассматриваемом сегменте пародонта примерно в 3,5 раза. Эти результаты были приняты за основу последующего сравнения данных, полученных при моделировании различных вариантов использования имплантатов для установки на них несъемных ортопедических конструкций. Первоначально рассматривали случай, когда отсутствуют 4 резца нижней челюсти. Данный дефект устраняется мостовидным протезом, укрепленным на имплантатах. Мы исследовали 4 варианта установки данных протезов, опорой для которых служили стандартные имплантаты и мини-имплантаты, в частности с опорой на 3 стандартных имплантата, на 2 стандартных имплантата, на 4 мини-имплантата и на 3 мини-имплантата. Нагрузка была задана ортогонально действующей на резцы и равной, как и прежде, 2 кг/мм2. Сравнивали между собой стандартные дентальные внутрикостные имплантаты. Расчетную схему на 4 стандартных имплантатах мы не рассматриваем, так как она практически нереализуема в клинике, что обусловлено особенностями анатомического строения фронтального участка нижней челюсти. Выполнили расчеты средних напряжений. Максимальные напряжения сжатия составили -3,64 и -1,43 кг/мм2 для случаев с двумя и тремя стандартными имплантатами соответственно, растягивающие напряжения - 0,20 и 0,06 кг/мм2. При установке протеза на двух имплантатах напряжение в 2-3 раза выше, чем при установке на трех. Столь же контрастная картина наблюдается при расчете интенсивности напряжений. Максимальное сдвиговое напряжение при установке протезов на двух имплантатах равно 6,82 кг/мм2, на трех - 2,63 кг/мм2, т. е. напряжения различались в 2,5 раза. Помимо этого, мы выявили разницу в комплексной оценке с помощью критерия Шлейхера-Надаи. Расчеты показали, что вероятность разрушения биомеханической системы на двух имплантатах составила 0,17, на трех - 0,09. Разница почти в 2 раза. Следует отметить, что оба эти варианта лучше, чем мостовидный протез (с вероятностью разрушения 0,43). При этом жесткая система на трех имплантатах дает даже более благоприятную картину напряженно-деформированного состояния, чем при естественном состоянии зубного ряда, когда вероятность разрушения составляет 0,13. Далее анализировали использование миниимплантатов как опоры мостовидного протеза, замещающего 4 резца нижней челюсти. Очевидно, опору на два мини-имплантата рассматривать не имеет смысла. В этом случае ситуация будет хуже, чем при опоре на 2 стандартных имплантата, а подобная ситуация противоречит медицинским показаниям. За счет дробления нагрузки, максимальные значения средних напряжений для четырех мини-имплантатов будут ниже, чем для трех: на сжатие -2,72 и -3,27 кг/мм2, на растяжение 0,03 и 0,14 кг/мм2 соответственно. Это относится и к сдвиговым напряжениям. Максимальные значения для четырех и трех мини-имплантатов соответственно равны 4,34 и 5,11 кг/мм2. Следовало бы ожидать, что и вероятности разру шения для четырех мини-имплантатов будут меньше. Однако распределение напряжений оказывается таким, что, хоть и не существенно, но вероятность разрушения сегмента с тремя мини-имплантатами будет меньше, чем сегмента с четырьмя. Эти значения равны 0,09 и 0,10 соответственно. На следующем этапе изучали ситуацию, когда отсутствуют 2 резца нижней челюсти. В первом случае это будут 2 центральных резца и ортопедическая конструкция будет опираться на 1 стандартный имплантат или на 2 мини-имплантата. Во втором случае для этих же имплантатов анализировали характер распределения нагрузок при потере центрального и латерального резцов. Кроме того, при оценке напряженно-деформированного состояния сегмента челюсти мы рассмотрели ситуации, когда распределенную нагрузку в 2 кг/мм2 имели только протезы и когда нагрузка была приложена ко всем четырем резцам. Проанализируем ситуацию, когда нагружены только протезы. Сначала сравнивали напряженно-деформированное состояние, возникающие при протезировании мостовидным протезом, замещающим центральные резцы. Поля средних напряжений и интенсивности напряжений оказались достаточно близкими. По средним напряжениям: для одного стандартного имплантата максимальное сжимающее значение было равно -2,12 кг/мм2, растягивающее - +0,07 кг/мм2, для двух мини-имплантатов - -2,00 кг/мм2 и +0,04 кг/мм2. Для стандартного имплантата максимальная интенсивность напряжений составила 4,05 кг/мм2, для двух мини-имплантатов - 3,32 кг/мм2. Максимальные значения вероятности разрушения оказались практически равными (y = 0,12) и не превышающими вероятность разрушения при давлении на ин-тактный зубной ряд (y = 0,13). Далее рассматривали ситуацию, когда причиной ортопедического лечения было отсутствие центрального и бокового резцов нижней челюсти. Картина в данном случае несколько изменилась. Средние напряжения различались почти в 2 раза: для стандартного имплантата они составили -4,79 и 0,03 кг/мм2, для двух миниимплантатов - -2,43 и 0,09 кг/мм2. Максимальные значения интенсивности деформаций были равны 6,64 и 4,08 кг/мм2 для стандартного имплантата и двух мини-имплантатов соответственно. Комплексная оценка вероятности разрушения биомеханической конструкции показала, что для стандартного имплантата она была почти в 2 раза выше, чем для двух мини-имплантатов. Максимальные значения вероятностей равны 0,20 и 0,11 соответственно. На следующем этапе исследований проверяли изменение напряженно-деформированного состояния в зубочелюстном сегменте, если нормальная нагрузка будет приложена не только к протезу, но и ко всем четырем резцам нижней челюсти. Сначала сравнивали напряженно-деформированное состояние, возникающее при протезировании мостовидными протезами, возмещающими 2 центральных резца. Экстремальные значения и структура полей существенно не изменились. По средним напряжениям для одного стандартного имплантата максимальное сжимающее значение было равно -2,17 кг/мм2, растягивающее - +0,07 кг/мм2, для двух мини-имплантатов - -1,92 и +0,05 кг/мм2. Для стандартного имплантата максимальная интенсивность напряжений составила 4,28 кг/мм2, для двух мини-имплантатов - 3,32 кг/мм2. Максимальные значе 15 РОССИЙСКИЙ СТОМАТОЛОГИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, №2, 2014 ния вероятности разрушения: для стандартного имплантата y = 0,12, для двух мини-имплантатов y = 0,10. На заключительном этапе определяли напряженно-деформированное состояние в системе, в которой ортопедическая конструкция замещает центральный и латеральный резцы. Средние напряжения составили для стандартного имплантата -4,84 и 0,07 кг/мм2, для двух мини-имплантатов -2,37 и 0,06 кг/мм2. Максимальные значения интенсивности деформаций для стандартного имплантата и двух мини-имплантатов равны 6,77 и 4,07 кг/мм2 соответственно. При комплексной оценке максимальные значения вероятности разрушения биомеханической конструкции составили для стандартного имплантата и у двух мини-имплантатов 0,16 и 0,13 соответственно. Выводы 1. При потере 4 резцов нижней челюсти допустимы варианты установки мостовидных протезов на 3 стандартных имплантата или 4 мини-имплантата. В этих случаях вероятность повреждения протеза не превышает вероятность разрушения при естественном состоянии зубного ряда. Оптимальной следует признать установку ортопедической конструкции на 3 стандартных имплантата. Тогда и средние напряжения, и интенсивность напряжений имеют меньшие значения, что существенно повышает износостойкость биомеханической системы при циклических нагрузках. По этим же причинам протез с опорой на 4 мини-имплантата также является предпочтительным. Менее устойчивым к нагрузкам в этой клинической ситуации является протез с опорой на 3 мини-имплантата. 2. При отсутствии 2 центральных резцов приемлемы варианты протезирования с использованием 1 стандартного имплантата или 2 мини-имплантатов и выбор целесообразно производить по медицинским показаниям. 3. При отсутствии центрального и латерального резцов нижней челюсти наименее предпочтительным является вариант протезирования с использованием 1 стандартного имплантата. По всей видимости, это связано с вывихивающимся моментом, возникающим из-за различия размеров центральных и боковых резцов. В случае потери центрального и бокового резцов нижней челюсти целесообразно использовать ортопедические конструкции с опорой на 2 мини-имплантата. 4. Для достижения максимальных результатов ортопедического лечения с опорой на внутрикостные имплантаты следует в каждом конкретном случае проводить расчет и анализ имплантационных систем с учетом индивидуальных особенностей строения челюсти пациента и клинической ситуации.

About the authors

Shagane Khachaturovna Saakyan

Peoples’ Friendship University of Russia

Armen Eduardovich Kalamkarov

State Budgetary Educational Institution of High Professional Education Tver State Medical Academy

Email: armenkalamkarov@mail.ru

References

Supplementary files