口腔生物力学研究方法进展

    口腔生物力学是口腔医学研究的重要基础，能够帮助医生从力学角度更加深入地了解口颌系统生理和病理状态下的结构和功能特点，对于研究口颌系统疾病的发生、发展及其治疗方案，提高科研和临床诊治水平具有重要的意义。我国口腔生物力学研究起步稍晚于国外，约在20世纪80年代前后，曾采用光弹贴片法、激光全息光弹法等测试研究支持组织以及修复体等的应力分布。
    目前很多研究方法仍然在帮助学者进行深入研究，同时也出现了一些更新的研究手段。本文旨在阐述目前口腔医学中常用生物力学研究方法的进展。通常为了解某单一生物材料基本力学特性，可以采用万能力学试验机对材料进行测试，万能力学试验机可以完成拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等力学性能测试，从而得出该材料在静态力学检测下的基本力学性能（如拉伸强度、压缩强度、弯曲强度、粘接强度等），帮助了解并预测材料受力后的变化规律。
    但实际研究中一般需要整体探究口腔颌面部生理、病理状态以及应用某种修复方式后口颌系统的力学变化规律等，仅靠万能力学试验机无法完成，为进一步观察整体力学规律，需要采用更复杂的研究方法，常用的研究方法主要为实验应力分析法和理论应力分析法。
    1.实验应力分析法
    实验应力分析法通常需要建立实体物理模型，借助该模型进行各组件的应力、应变分析，主要包括电阻应力测试法、光弹应力分析法、数字图像相关分析等。
    1.1 电阻应力测试法
    电阻应力测试法是指由电阻应变计、应变仪及记录仪组成的测量目标物体表面应变，并将应力通过应力应变关系换算出来以确定表面应力的实验应力分析方法。目前在口腔研究中的应用主要是应变计分析法（straingauge analysis），其是通过在体内和体外施加静态或动态载荷下的电阻变化来评估弹性变形程度，即使用软件将微电压输出转换为微应变。
ELsyad等对3类附着体支持（球帽附着体、磁性附着体及Locator附着体）的种植覆盖义齿修复的多个后牙连续缺失的Kennedy Ⅰ类模型进行了应力研究，在加载侧及非加载侧基牙颊部、舌部及远中区域粘接应变片后，采用万能试验机对修复体右侧第一磨牙区域施加单侧恒定垂直静载荷，记录了在应变计的不同位置不同组基牙周围的微应变，结果提示球帽类附着体修复下，基牙周围的应变较低。
    Asvanund同样是将应变片粘接到种植体颈部颊、舌、近中及远中4个方向来比较相同载荷下内连接与外连接种植体周围应变，并得出垂直载荷下内连接种植体产生了更小应变的结论。近年来有学者认为金属应变片灵敏度不够高，对于非常微小的应力如正畸过程中牙齿的的微小移动产生的应力难以准确捕捉，因此任超超等设计了一种基于硅衬底的电阻应力传感器，将金属应变片替换为硅衬底应力传感器芯片，该芯片厚度较薄，既减小了芯片本身形变对测量的影响，同时又具有更高的灵敏度，更能精确地反映微小应力。
    电阻应力测试法能够精确地反映物体承受的应力和发生的应变，在口腔医学中被应用于评估修复体、种植体、牙齿以及颌骨等力学变化，不拘泥于实验室，可现场实施测试。但也存在一定的不足，应变计一般仅能测量物体表面某指定离散点的应变，通过某几点应变的平均值来反映整体的应变情况，不能对内部点进行应变记录；同时应变片的准确粘贴位置也没有标准，环境有时也会对研究结果造成干扰，只能分析假定目标区域的应力，如果要研究特定对象的应力分布，需要大量的电阻和复杂的数学计算。
    1.2 光弹应力分析法
    光弹应力分析法是一种可以分析二维或三维应力问题的研究手段，通过偏振光穿透模拟受力下的光敏材料（如环氧树脂）所产生的等色线彩色条纹图案来评估应力。该方法的最大优点是能够可视化复杂结构（如口腔结构）中的应力，并观察整个模型中的应力模式，从而使研究者能够定位应力分布并定性分析应力大小。目前仍广泛应用于口腔修复、种植、外科等各分支学科中。Presotto等通过光弹应力分析法来比较铸造金属桥体及计算机辅助设计与计算机辅助制作（computer aided design and computer aided manufacturing，CAD/CAM）技术切削桥体对所连接种植体应力的不同，以判断不同制造方式所带来的影响。
    Baena Lopes 等则借助光弹性分析评估模拟创伤牙齿接受不同类型牙周夹板后的体外应力分布，以探究更理想的创伤后松动牙的固定方法。De Oliveira等建立了下颌角骨折模型，使用光弹分析法来探究应力分布更合理的骨折固定方案。光弹应力分析法通过观察模型中形成的等色条纹对模型内的应力进行定性分析，特别适用于分析下颌骨、修复体等复杂结构的变形。虽然具有以上优势，但仍存在一定技术限制，如无法定量比较应力的大小，无法区分皮质骨与松质骨等精细组织结构等。同时Turcio等也认为光弹应力分析并不能提供真正的三维分析，其应用仍存在一定的局限性。
    1.3 电子散斑干涉法
    电子散斑干涉法由散斑干涉法发展而来。散斑是指被激光照射后在不光滑物体表面散射形成的不规则分布的亮点和暗点，这些散斑构成了散斑场。散斑干涉法正是利用目标物体形变前后散斑场发生的变化来分析目标区域应变、位移等指标，该方法能够观察目标物体局部及整体应变情况，为非接触式测量，但过程较为复杂，精确度易受影响，且需严格在暗室内进行，受到应用限制。因此基于散斑干涉原理开发了电子散斑干涉法，电子散斑干涉法将传统银盐胶片用光电子元件代替，结合成像技术和传统散斑干涉法，既保留了传统方法的优势，又提高了对比度及测试速度，精确度更高。
    曹立群等通过该方法来对比不同环境（干燥或湿润）、不同类型光固化树脂光照的聚合收缩应力及形变程度，认为电子散斑干涉法能够进行有效动态测量。Poornima等通过电子散斑干涉法来预测正畸牵引力对颌骨产生的力学影响。
    马银行等使用电子散斑干涉法探究弹性模量及分布特征，其结论与三点弯曲实验结论一致，证实了其可行性。该方法无破坏性、可重复、操作简便，对微小位移敏感，是研究生物材料（如骨组织、复合树脂等）形变的有效方法，但该方法主要通过收集形变前后的干涉条纹，在软件中进行计算得出材料表面的凹陷收缩量，从而判断材料的形变，并通过观察干涉条纹的疏密程度来定性分析应力集中的区域，因此在临床研究中更适合材料性能的探究，对于应力及应变的分析则可以配合应用其他方法。
    1.4 数字图像相关分析法
    数字图像相关分析法又称数字散斑相关法，已被广泛应用于工程领域及生物力学领域，是非接触式、非破坏性的形变及应变测量方法，早期主要应用于评估传统工程材料的机械性能特别是各种结构元件的断裂韧性等特性，工作原理是通过比较整个形变区域中目标区域发生形变前后的散斑图像来获得材料表面位移和应变。目前在口腔领域中的应用主要分为以下几类：口腔材料如光固化树脂等的聚合收缩、粘接强度、牙体结构的力学性能、修复体等加载下的形变特点研究。
    如Novaes等通过数字图像相关分析法测量树脂表面位移变化，并检测树脂和牙体组织的粘接情况。Peixoto等使用数字图像相关分析法来评估分别由短种植体（长度为5 mm）和（或）传统种植体（长度为11 mm）支持的三单位联冠及单冠修复体传递的应变，以判断选择更佳的修复方式，结果显示联冠可能会导致种植体周围产生更高的应变，同时2个常规种植体加1个短种植体组合更具备可行性。
    数字图像相关分析法作为新兴的测量方法，其准确度依赖于变形前后图像灰度分布的变化趋势，也就是说，精确性可能受到散斑图像的范围、对比度及随机性等的影响；同时尚没有标准的系统校准流程也是其精确性的影响因素之一。因此，如何获得更高质量的散斑图像并尽可能减小校准误差仍是该方法的探究重点。目前仍推荐同时采用其他研究方案来验证数字图像相关分析法研究结果。
    Tiossi等借助数字图像相关分析法、有限元分析法及光弹应力分析3种方法来探究单冠及联冠种植修复时骨组织的表面应变，结果表明，3种方法在模拟骨的表面显示了相似的应变分布，数字图像相关分析法和有限元分析法可以相互验证，但数字图像相关分析法敏感性不如光弹应力分析法。
    Zhang等建立了一种基于数字图像相关分析法的牙隐裂纹检测方法，以MicroCT为参考标准，结果显示2种方法的检测结果相一致，该方法对牙齿表面裂纹的检测具有一定临床价值。数字图像相关分析法可以实现二维和三维测量，除基本力学性能测试外，还可以根据生成的应力云图来比较应力大小以及应力分布特点；另外还可以实现动态应变测量，应用范围非常广泛，未来在保证精确性的基础上数字图像相关分析法有望成为可靠的口腔生物力学研究方法。
    1.5 全息干涉术
    全息干涉术借助光的干涉将物理表面变化的产生条纹信息记录在全息底片上来反映物体的形变，对微小位移敏感度较高，可做到非接触、可视化地测量物体表面变化。Wahl等用全息干涉术记录并定量分析载荷下种植体发生动态变形的模式，并进一步观察上部牙冠错位后所形成的间隙大小。
    随着计算机及图像处理技术等的进步，逐步发展出数字全息干涉术，Brozovic等通过数字全息干涉术来探究加载下种植体直径对种植体应变的影响。全息干涉术主要应用于体外试验，如研究物体表面形变，同时也涉及力的变化如正畸力对颅颌面的影响等，但全息干涉术流程繁琐耗时长、非实时性、精确度易受影响，因此近年来全息干涉术在口腔研究中的应用较为少见。
    1.6 光纤光栅传感技术
    光纤光栅是一种利用光纤的光敏性特点，使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅。其谐振波长对应变等环境变化敏感，因此可以制作成传感器等实现对环境变化的检测。在口腔领域中应用较为广泛的是光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating，FBG），具有体积小、生物相容性好、化学惰性、抗电磁干扰和多路复用等优势，并且对微小应变具备高灵敏度，可以应用于口腔生物力学应力及应变的研究中。
    Padma等提出了一种利用光纤光栅传感技术制作来动态测量咬合力的测试装置，可以将患者咬合时产生的力通过接触装置转化为应变，连接光纤光栅数据采集系统即可记录数据。一般应力研究多为表面应力，而Rajan等通过将微型光纤光栅传感器嵌入树脂材料内部，研究其内部应变状态来评估几种不同填料树脂的物理特性。
    除了可以更灵敏地测量牙科材料基本力学特性以及观察骨骼、修复体等的应变之外，由于具有良好的生物相容性，光纤光栅传感技术还可能帮助实现体内长期监测，但传感区域和测量单元之间仍需要光纤连接，不便携的仪器设备是目前实现连续监测的一大阻碍。虽然光纤光栅传感技术具备较多优势，但其在口腔生物力学研究领域中尚处于起步阶段，目前的研究仅能说明该技术可能成为研究口腔生物力学的可行方法，其应用仍需进一步探索。
    1.7 线性可变差动变压器
    线性可变差动变压器（linear variable differential transformer，LVDT）传感器是利用电磁感应原理来反映位移量与应变的装置，由1个初级线圈和2个次级线圈组成，共同缠绕在1个可自由移动的铁芯上，随着铁芯移位，次级线圈中的感应电动势发生变化后会有电压输出，该电压变化与铁芯的位移线性相关。
    将LVDT传感器的铁芯和外壳固定到试样上，可以测量位移的变化，通过位移变化推算出材料的应变，具备无摩擦测量、环境适应性、坚固耐用等优势，在口腔医学中应用主要在材料的性能测试方面。Abbasi等和Falsafi等通过LVDT传感器来探究不同填料复合树脂的收缩应力；Mehtälä等将脱矿牙本质使用二甲基亚砜（DMSO）预处理后，通过LVDT传感器来评价牙本质基质的膨胀和收缩结果，探索DMSO可以强化牙本质粘接效果的可能机制。
    除测试材料力学性能外，LVDT传感器还可应用于临床治疗方法的探究中。例如，Ben Hassan等制造了牙外伤模型，酸蚀后将6种不同设计（材料或夹板数目不同）的牙周夹板粘接到牙外伤模型上，借助LVDT传感器来测量位移从而评估应力，进而从应用、美观及成本角度探究不同牙周夹板的优势和不足。但LVDT传感器需要手动安装，并且只能获得测量点的应力值，因此难以评估整个应变行为，涉及到复杂的几何形状时更是难以测算，主要通过物体表面位移变化来评估应力，不能观察应力的分布特点，因此更适用于研究测试形状较为规则材料的力学性能。
    2.理论应力分析法
    理论应力分析法是指结合材料力学、弹性理论以及数学知识、结构力学知识得出理论应力分析结果的方法，主要指有限元分析法。有限元分析法是生物力学研究的热门工具，能够完成复杂模型的建模及力学性能分析，主要包括前期实体模型创建及有限元运算2个重要步骤。实体模型以及有限元运算中实验条件的设置（如材料力学性质、边界约束、载荷位点等）具有可重复性，相对于临床研究来说没有伦理限制、容易修改或复制实验条件，可以直观分析整个实验组中多个研究对象的应力大小和应力分布特征。
    目前可应用于口腔医学各个学科之中，在牙体牙髓病学领域常见髓腔通路构建、填充材料等的应力研究；在种植学、修复学领域，有限元分析常用来研究各种植体部件、种植体周围骨质及牙体牙周组织、修复体等的应力分布特征；颌面外科大多进行的是组织有创操作，有限元分析法有助于医生较为直观地了解面部损伤部位及邻近解剖结构的特点，也能够模拟测试不同修复手段的长期力学效果；有限元分析法在正畸学领域主要应用在观察比较正畸牙移动效果；在牙周病学领域主要用于探索牙周组织的改建等问题，与其他学科相关联。可以说三维有限元分析与口腔医学的研究息息相关、密不可分，从生物力学方面揭示了口腔医学的奥秘，为深层次临床研究提供了思路与方向。
    有限元分析法在口腔应用的最大瓶颈是要不断提高相似性，包括材料相似性（需要解剖结构的准确力学参数）、几何相似性（需要更加先进的建模手段），以及载荷相似性（需要对动静态情况下模型所涉及各部分受力特征的精细掌握），目前受技术所限尚无法完全实现；因此仍有学者认为有限元分析法更适用于定性研究而不是定量研究。近年有限元分析法正在逐步向更真实的模拟方向努力，如施加动态载荷、为材料设置更符合实际的各向异性等属性，但这类设置往往会导致更加庞大的运算数据量，提高运算难度，因此如何在保证运算效率的基础上尽可能提高模型精确性仍是其研究方向。
    综上所述，口腔生物力学研究方法多种多样，不同方法有着各自优势。口腔生物力学的研究目的不是为了代替临床研究，而是为了更好地理解临床现象及其原理，为临床瓶颈问题提供新的解决思路和途径。目前推荐多种研究方法结合使用，并最终通过临床研究来验证其结果的可靠性，进一步探索更精确、更便捷、更真实的生物力学研究方法仍是一个挑战。