Fogorvosi szemle, 2006 (99. évfolyam, 1-6. szám)
2006-08-01 / 4. szám
144 FOGORVOSI SZEMLE ■ 99. évf. 4. sz. 2006. Fogászati implantátumok biomechanikai vizsgálata, szempontok végeselemes modell tervezésekor A végeselemes vizsgálat tervezésekor meg kell határoznunk vizsgálatunk célját, azt, hogy milyen kérdésre keressük a választ, s hogy ehhez milyen végeselemes vizsgálati modellt „építsünk fel”, illetve milyen vizsgálati körülményeket, paramétereket válasszunk. Ezek a tényezők a vizsgálat eredményét, értékelhetőségét alapvetően meghatározzák. A vizsgálati körülmények téves megállapítása jelentős hibákat okozhat [8]. A biomechanikai modellek alkotását, a kapott eredmények értékelhetőségét megnehezíti, hogy az in vivo, biológiai folyamatok sok területen nem kellően tisztázottak, így a vizsgálat paraméterei és a szervezetben létrejövő válaszok sem egyértelműek [9], Ezért elsőként az irodalomból ismert módszerek kritikai áttekintését végezzük el. Ysmail és munkatársai [10] a fogászati implantátumok 2 és 3 dimenziós végeselemes vizsgálati módszerét hasonlították össze. Kimutatták, hogy a 2 dimenziós eljárás nem kellően pontos, inkább a maximális feszültségek helyének meghatározására alkalmas. Pontosabb eredményeket a 3 dimenziós vizsgálat ad. Akca és munkatársai [11] kétfajta 3D végeselemes modell és egy in vitro feszültségmérő vizsgálat eredményeit hasonlították össze. Találtak ugyan különbséget az egyes VEA modellek és az in vitro feszültségmérés eredményei, abszolút értékei között, de a terhelés hatására megváltozó feszültségeket mindkét módszer megbízhatóan kimutatta. A végeselemes hálózat elemeinek számát, alakját részben a vizsgálat célja, részben a számítógépes lehetőségek is megszabják. A kezdeti, durva közelítést alkalmazó modellek helyett ma már az anatómiai viszonyok aránylag pontos reprodukciója is megoldható. Kejak, Nagasao és munkatársaik [12, 13] különböző digitális diagnosztikus képalkotó eljárások (pl. CT vagy MRI) geometriai adatai alapján építették fel modelljüket. Lényeges az implantátum-csont kapcsolódás modellezésének módja. Egyrészről fontos e terület minél részletgazdagabb geometriai felépítése, másrészről a kapcsolat jellegének (minőségi és mennyiségi) meghatározása. A különböző vizsgálatokban általában merev kapcsolatot modelleznek az implantátum teljes felszínén. Ez a valóságban azonban nem így van. Szükséges lenne a kapcsolat erőátviteli képességének pontosabb meghatározására. Az állcsontok különböző területein a csontstruktúra eltérő, az implantátum felszínének csak bizonyos hányadán alakul ki közvetlen csontos kapcsolat („BIC” - Bone Implant Contact). Ennek mértéke Piatelli és munkatársai [14] állatkísérletes vizsgálataiban, megfelelő csontintegráció esetében, alsó állcsontban 80,7%, felső állcsontban 67,2% volt. Előnyös lehet modellezni, ha az implantátum felszínének csak bizonyos hányadán tételezünk fel közvetlen csontkapcsolatot. Patra és munkatársai [15] végeselemes modelljük kialakításakor ezt a tényezőt is figyelembe vették, és az állkapocs elülső területére behelyezett implantátumok esetén 100%-nak, a felső őrlő fogak területén 25%-nak választották a csontintegráció arányát. Vizsgálataikban még fáradási jelenségeket, a magas feszültségek miatti implantátum nyak körüli kortikális csontveszteséget és a csont anizotrop viselkedését is modellezték. Kitamura és munkatársai [16] az implantátum nyaki területén történő csontvesztés biomechanikai hatásait modellezték, különböző morfológiájú marginális csonthiányokat összehasonlítva. Az implantátumok jól meghatározható anyagi jellemzőkkel rendelkeznek, azonban a csontszövet struktúrája bonyolult, mechanikai tulajdonságai sem állandóak. Elkülönül a kéreg és a szivacsos állomány, a mikrostruktúra a terhelésnek megfelelően alakul ki, illetve folyamatosan átépül, vagyis a csontszövet viselkedése anizotrop és inhomogén. Az anyagi jellemzők emellett egyediek, sok tényezőtől függenek [17, 18]. A tudományos vizsgálatokban a csontszövet mechanikai tulajdonságait illetően általában irodalmi adatokat használnak fel, mivel a humán friss állcsonton végezhető mérési lehetőségek rendkívül behatároltak, ezért a végeselemes vizsgálatok végzésekor a fenti okok miatt a viszonyokat egyszerűsítik, leggyakrabban homogén, izotróp viselkedést feltételezve [6]. Rieger [19] vizsgálataiban végeselemes módszerrel vizsgálta a feszültségeloszlást úgy, hogy eközben az implantátumra vonatkozó mechanikai paramétereket többször (akár szélsőséges értékeket választva) megváltoztatta. Ha az implantátum gyengébb mechanikai tulajdonságú, akkor a nyaknál magasabb, az implantátum csúcsa körül alacsonyabb feszültségeket talált. Keményebb anyagi minőséget feltételezve fordított volt a helyzet. Terheléskor a nyaki részen alacsonyabb, apikálisan pedig magasabb feszültségértékek jelentkeztek. Szükséges meghatározni azt is, hogy az implantátum körül milyen kiterjedésben kerüljön a csontszövet vizsgálatra. Az állcsontok nagyobb területének modellezése lényegesen megnöveli a modell elemeinek számát, ami nagyobb számítógépes kapacitást igényel, vagy megnöveli a futtatások idejét, ugyanakkor nem biztos, hogy az eredmények pontosságán érdemben javít. A tapasztalatok alapján elegendő az implantátum bizonyos szűkebb környezetét vizsgálni. Teixeira [20] eredményei alapján, aki 4,2 mm meziális és disztális csontrészt modellezett, az implantátum körüli feszültségviszonyok kellő pontossággal meghatározhatóak voltak. Nem észlelt számottevő eltérést a kiterjedtebb modellhez képest. A fentieken túl végeselemes vizsgálatok végzésekor a gyakrabban tanulmányozott problémák a következők [6]: • az implantátum geometriájának szerepe, • az optimális implantátum forma meghatározása, • az implantátum-tervezés támogatása,
