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2019-05-16 14:27:02 來源:163健康
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    隨著數字技術在醫學中的快速發展,口腔修複醫學中的數字技術應用也日漸增多。其中,以有限元法(finite element method)爲代表的數字技術,因其經濟、簡易、耗時短等優勢,越來越引起口腔修複醫生的關注。有限元法是計算輔助設計(computer-aided design,CAD)模型力學屬性的一種數字化方法,可把複雜的口腔系統轉化成簡單的CAD模型,並根據主觀需求設置力學條件,通過將整體模型離散爲有限個單元,分析每個單元的力學性質,進而估算模型整體的力學屬性,從而快速、有效地解決口腔系統生物力學問題。

    自1973年有限元法首次引入口腔醫學以來,已在口腔修複領域取得了廣泛的應用。本文將從牙體缺損修複、牙列缺損修複、牙列缺失修複3個方面,綜述近年來有限元法在口腔修複學中的應用。

    1.有限元法在牙體缺損修複中的應用

    牙體缺損最常見的病因是齲病,隨著齲病的進行性進展,牙體缺損程度逐漸加重,修複治療的方法也不盡相同。常規的修複方式有直接充填、嵌體、高嵌體、髓腔固位冠、全冠和樁核冠等。

    1.1有限元法在直接充填方面的應用

    直接充填的洞形設計、材料選擇等均會影響牙體組織與修複體的受力情況,而這直接關系牙體缺損修複的遠期效果。Xu等設計了帶有不同邊緣的IV類洞形的上颌中切牙三維有限元模型,分析複合樹脂直接充填後模型界面von-Mises應力指出,帶斜面的洞形設計,應力相對集中在舌側區域;溝槽與階梯狀溝槽的洞形設計,應力分布更加均勻。

    Srirekha等模擬不同種類複合樹脂修複上颌第一前磨牙楔狀缺損後的生物力學特征指出,低彈性模量的複合樹脂更易在楔狀缺損中獲得適宜的拉應力,但高彈性模量的複合樹脂更加耐磨,更易承受較高的力。

    1.2有限元法在嵌體、高嵌體方面的應用

    隨著牙體缺損修複的嵌體化正成爲主流趨勢,如何避免嵌體折裂、邊緣間隙等問題成爲研究重點。Yamanel等建立附帶MOD(近中-合面-遠中)洞形的下颌第一磨牙三維有限元模型,分析使用兩種納米複合樹脂和兩種全瓷嵌體修複後的受力情況,認爲低彈性模量的材料會向牙體組織傳遞更大的應力。因此,相比于納米複合樹脂材料,全瓷材料更有助于保護剩余牙體組織。

    Dejak等研究了磨牙大面積缺損下不同修複方式後的應力分布情況發現,高嵌體修複後Tsai-Wu強度比的倒數最低,並且修複體與牙體組織應力分布的更加適中。提示在牙體大面積缺損時,高嵌體可有效保護剩余牙體組織。Abu-Hassan等模擬在水平與垂直應力作用下,全瓷高嵌體邊緣設計對應力分布的影響指出,在垂直應力作用下,相比于斜面型與凹槽型邊緣設計,肩台型邊緣所測得應力值最小。提示在瓷高嵌體牙體預備時,肩台型邊緣設計更加合理。

    1.3有限元法在髓腔固位冠方面的應用

    近年來,根管治療技術逐步完善,但後續的修複方式一直存在爭議。隨著微創修複理念的流行與普及,傳統修複方式對健康牙體組織較多的破壞越來越受到患者與醫生的诟病,髓腔固位冠應運而生。髓腔固位冠是根管治療後牙齒的一種新型修複方式,也是有限元分析研究的熱點。目前有限元法在髓腔固位冠方面的應用主要集中在如下方面。

    1.3.1與傳統修複方式相比,髓腔固位冠修複後應力的變化

    對于臨床醫生,修複根管治療後大面積面缺損仍然是一個挑戰。作爲一種新興方法,其修複後的生物力學表現受到廣泛關注。Lin等創建了根管治療後的上颌前磨牙三維模型,分別以椅旁計算機輔助設計與計算輔助制造(CAD-CAM)髓腔固位冠和傳統全冠修複,利用Weibull分析得出,相比傳統全冠修複,髓腔固位冠修複後牙本質與粘接劑處的應力值較小;個別牙齒的修複失敗可能性較高,但整體修複失敗可能性相似。

    Dejak等通過對比全瓷髓腔固位冠與纖維樁樹脂核、金屬鑄造樁核全瓷冠修複後應力的差異,認爲相比于傳統修複方式,髓腔固位冠有著相似甚至更好的生物力學性能,雖然遠期修複效果仍需進一步研究,但髓腔固位冠在修複根管治療後牙體大面積缺損方面,表現出廣闊前景。

    1.3.2髓腔固位冠材料對修複後應力的影響

    目前臨床上髓腔固位冠材料種類衆多,如何選擇最適合患者的髓腔固位冠材料仍然存在諸多爭議。Zarone等通過評估複合樹脂、致密燒結氧化鋁陶瓷、長石玻璃陶瓷3種材料的髓腔固位冠修複上颌中切牙缺損後生物力學性能的變化,發現高彈性模量的材料會很大程度上改變天然牙體的生物力學性能,在修複體-牙體粘接界面上會産生較高程度的應力集中。同時,擁有與天然牙體相似的生物力學性能的材料會降低粘接界面應力集中的程度。提示臨床上選擇髓腔固位冠的材料時應該謹慎評估其性能,並且優選與天然牙體性能相近的材料。

    劉則玉通過有限元法分析鑄瓷與聚合瓷材料的髓腔固位冠修複下颌第一磨牙後的力學特點認爲,相較于聚合瓷組,鑄瓷組的Von-mises應力和最大壓應力均較小,因而推薦髓腔固位冠使用全瓷材料。Aversa等研究髓腔固位冠材料的硬度對牙槽骨改建過程的影響,結果顯示,擁有較高彈性的複合樹脂材料能夠使修複系統向牙槽骨傳遞較低的應力。雖然複合樹脂不能阻止牙槽骨生理性吸收,但與較高硬度的Alumina陶瓷相比,可有效降低牙槽窩內的應力,提示複合樹脂材料可減少牙槽骨吸收的風險,這可能對患有牙周病患者更有利。

    1.3.3邊緣設計形式對髓腔固位冠修複後應力的影響

    修複體邊緣設計對修複效果起到重要作用,不同的邊緣設計形式直接影響修複體與基牙邊緣強度,同時也會改變邊緣部位的應力分布,何種邊緣設計形式更有利于預後是臨床醫生一直追尋的問題。郭靖等建立了不同邊緣形式的下颌第一前磨牙全瓷髓腔固位冠三維模型,通過分析邊緣部位應力分布情況發現,邊緣部位應力值依次爲:平面對接式邊緣<直角肩台<135°肩台<凹面形邊緣。王慧媛等分析不同的邊緣設計形式對髓腔固位冠修複第一磨牙大面積缺損的應力影響發現,在垂直向與舌頰向載荷作用下,對接式邊緣的εMax峰值分別較90°邊緣低42.88%與45.55%。因此,從應力分布的角度考慮,全瓷髓腔固位冠宜采用平面對接式邊緣。

    1.4有限元法在全冠方面的應用

    隨著口腔領域材料的不斷發展,全冠材料由最初的金屬冠逐漸被烤瓷冠、全瓷冠所代替,但崩瓷、形態、咬合等問題也困擾著臨床醫生。May等利用三維有限元法模擬樹脂粘接劑厚度對CAD-CAM全瓷冠斷裂強度的影響,結果顯示,厚度爲50、500μm的粘接劑,全瓷冠平均的斷裂強度分別爲673.5、300.6N;相比于無粘接劑的全瓷冠,粘接劑厚度爲50μm的全瓷冠可以承受至少2倍的力。Zhang等模擬3種設計因素——邊緣厚度、基牙聚合角度和粘接情況,對玻璃陶瓷斷裂強度的影響進行研究,指出邊緣較厚、聚合度較小、完全粘接的玻璃陶瓷擁有更高的斷裂強度;粘接情況對玻璃陶瓷斷裂強度的影響最大,邊緣厚度次之,基牙聚合角最小。以上提示粘接情況對全瓷冠斷裂的影響尤爲關鍵,粘接劑通過緩沖應力,降低全瓷冠斷裂的可能,同時推薦預留50~100μm的粘接劑厚度。

    1.5有限元法在樁核冠方面的應用

    樁核冠是當剩余牙體組織高度不足,無法形成足夠的全冠固位形時,利用樁核爲全冠修複體提供支持和固位的一種修複方式。Oyar利用三維有限元法分析何種樁核(钛合金、鎳鉻合金、金钯合金)、烤瓷冠(鎳鉻合金,金钯合金)和粘接劑(玻璃離子、複合樹脂、磷酸鋅、聚羧酸鋅、Panavia)材料組合可以獲得最佳的應力表現,認爲低彈性模量的樁核材料和高彈性模量的粘接劑材料可降低樁核的應力值,同時減少樁核、粘接劑和牙根組織的形變。

    Veríssimo等評價不同種類的樁核冠與剩余冠部組織量多少對根管治療後的上颌中切牙生物力學的影響,認爲2mm的冠部組織剩余表現出更好的生物力學性能;使用玻璃纖維樁與樹脂核修複的牙齒有著與健康組織相似的力學分布。

    2.有限元法在牙列缺損修複中的應用

    當牙體缺達到一定程度,現有的修複水平無法對患牙進行保留,造成單或上下牙列中部分天然牙的缺失時,我們稱之爲牙列缺損。臨床上牙列缺損的修複方式可分爲種植義齒、局部固定義齒、可摘局部義齒和固定-可摘聯合義齒。

    2.1有限元法在種植義齒方面的應用

    近年來,口腔種植修複技術得到廣泛研究與應用,但有學者發現種植義齒10~16年累計發生並發症的概率達48.03%,因此如何提高種植義齒長期穩定性,減少並發症是口腔醫生追求的目標。Marcian等發現,種植體的幾何形狀、螺紋樣式,骨密度和骨結合強度均會影響種植體的位移和微應變;骨密度越低,術後效果越差,術前的有限元分析可輔助對種植體預後做出評估。

    Bahrami等爲分析不同的表面處理方式對種植體即刻負載後應力分布的影響,建立了4組三維模型,包括等離子噴塗法、噴砂法、抛光法、兩部分處理法(即種植體冠部抛,其余部位等離子噴塗),得出結論,不同表面處理方式影響即刻負載後種植體-骨結合界面的應力,兩部分處理法在種植體-骨結合界面獲得更好的應力分布結果。提示臨床上即刻負載種植體應用兩部分處理法,會降低種植體-骨結合界面應力,減低周圍骨吸收,延長種植體的使用壽命。

    2.2有限元法在局部固定義齒方面的應用

    固定義齒即固定橋、基牙的條件、橋體和連接體的設計與材料等都對固定義齒的修複效果産生較大影響。Harshitha等分析兩種連接體設計(圓柱形、三角形)對後牙四單位固定橋應力分布的影響指出,Von-Misses應力主要集中在兩橋體之間的連接體區域,尤其在頸部區域;相比于三角形連接體,圓柱形連接體區域的應力值更小。提示臨床中應注重連接體處抗折性能的設計——圓柱形,防止應力集中導致橋體的斷裂。Miura等模擬4種支架設計:A常規設計;B支架向頰舌側延展2mm;C支架高度由基牙根部向連接體區域提高0.5mm;D融合B與C兩種設計,研究對三單位懸臂梁式固定義齒機械性能的影響,指出D設計可避免應力集中的産生,具有保護基牙的作用。

    2.3有限元法在可摘局部義齒方面的應用

    傳統可摘局部義齒在咀嚼力作用下易出現翹動、擺動和下沉等不穩定現象,導致基牙損傷與黏膜壓痛。近年來種植義齒不斷發展,爲口腔修複形式帶來新思路,種植體支持式可摘局部義齒便是其中之一。Shahmiri等分析了支架設計對種植體支持式可摘局部義齒影響,指出帶有Ⅰ杆與遠中面支托的支架設計對基托具有更強的支撐作用。

    Eom等建立了4組局部義齒的三維有限元模型,分別爲牙支持式模型(TB)、種植體支持式模型(IB)、牙-組織支持式模型(TT)和種植體-組織支持式模型(IT),通過分析基牙與種植體的von-Mises應力與位移,指出:(1)兩組種植體支持式模型的von-Mises應力峰值集中在種植體上,而兩組牙支持式模型集中在支架上;(2)IT組的von-Mises應力是IB的兩倍,但TT組與TB組的應力相似;(3)最大位移值出現在TT組,最小位移值出現在IB組。表明種植體支持式的可摘局部義齒穩定性較好,同時臨床中使用種植體作爲基牙時,應著重注意局部義齒的設計、種植體的數量和位點。

    2.4有限元法在固定-可摘聯合義齒方面的應用

    固定-可摘聯合義齒對基牙條件要求低,適用範圍廣,固位力較強,具有良好的發展前景。楊雪等建立了Locator和Magfit兩種附著體三維模型,用以評價附著體的類型對種植體支持式可摘局部義齒應力分布的影響:相比于較硬的Magfit附著體,彈性良好的Locator附著體對義齒的水平移動具有較強的抵抗作用,能更好地改善義齒的穩定性。Chen等通過對比天然牙支持式與種植體-天然牙聯合支持式套筒冠義齒的生物力學性能,認爲在遊離端植入兩顆種植體並與天然牙聯合支持套筒冠,可以改善應力分布,更好地保護余留牙與周圍支持組織。

    3.有限元法在牙列缺失修複中的應用

    當牙列缺損程度進一步加重,上颌和(或)下颌天然牙全部缺失,我們稱之爲牙列缺失。傳統全口義齒是臨床上普遍應用的修複方式,但存在固位穩定性差、咀嚼效率低、異物感重等缺點。而種植覆蓋全口義齒與種植固定全口義齒的出現,爲牙列缺失的修複提供了新方向。Barao等分析不同附著體系統修複牙列缺失後的應力分布指出,相比于其他覆蓋義齒模型,帶有O-環附著體系統的模型獲得最低的應力峰值。同時O-環系統比杆卡系統改善應力分布效果更明顯。表明O-環附著體系統的種植體覆蓋義齒力學性能更加出色,臨床醫生應多予以關注。

    Solberg等模擬在多種負載條件下常規種植體與微型種植體對全口覆蓋義齒的影響指出,相對于微型種植體,常規種植體支持下的全口覆蓋義齒更穩定,但無論何種種植體,實驗結果均符合標准。

    4.結語

    綜上所述,在短短40余年間,有限元法已經廣泛深入口腔修複領域的各個方面,爲相關的生物力學研究注入新鮮的血液,並爲臨床工作提供指導性建議。但口腔修複領域的有限元建模大部分都基于材料的線性、各向均性的假設,與實際的口腔結構相左。因此,今後的有限元法發展應著重建立具有非線性、各向異性的三維有限元模型,並由靜態分析向動態分析轉變,實現更加精准的生物力學分析。相信隨著數字技術的發展,有限元法進一步成熟與完善,必定會成爲口腔修複研究中至關重要的實驗方法。