口腔修复学中有限元法应用进展

2018-9-25 16:09  来源:中国实用口腔科杂志
作者:李健 马红梅 阅读量:5625

    随着数字技术在医学中的快速发展,口腔修复医学中的数字技术应用也日渐增多。其中,以有限元法(finite element method)为代表的数字技术,因其经济、简易、耗时短等优势,越来越引起口腔修复医生的关注。有限元法是计算辅助设计(computer-aided design,CAD)模型力学属性的一种数字化方法,可把复杂的口腔系统转化成简单的CAD模型,并根据主观需求设置力学条件,通过将整体模型离散为有限个单元,分析每个单元的力学性质,进而估算模型整体的力学属性,从而快速、有效地解决口腔系统生物力学问题。

    自1973年有限元法首次引入口腔医学以来,已在口腔修复领域取得了广泛的应用。本文将从牙体缺损修复、牙列缺损修复、牙列缺失修复3个方面,综述近年来有限元法在口腔修复学中的应用。

    1.有限元法在牙体缺损修复中的应用

    牙体缺损最常见的病因是龋病,随着龋病的进行性进展,牙体缺损程度逐渐加重,修复治疗的方法也不尽相同。常规的修复方式有直接充填、嵌体、高嵌体、髓腔固位冠、全冠和桩核冠等。

    1.1有限元法在直接充填方面的应用

    直接充填的洞形设计、材料选择等均会影响牙体组织与修复体的受力情况,而这直接关系牙体缺损修复的远期效果。Xu等设计了带有不同边缘的IV类洞形的上颌中切牙三维有限元模型,分析复合树脂直接充填后模型界面von-Mises应力指出,带斜面的洞形设计,应力相对集中在舌侧区域;沟槽与阶梯状沟槽的洞形设计,应力分布更加均匀。

    Srirekha等模拟不同种类复合树脂修复上颌第一前磨牙楔状缺损后的生物力学特征指出,低弹性模量的复合树脂更易在楔状缺损中获得适宜的拉应力,但高弹性模量的复合树脂更加耐磨,更易承受较高的力。

    1.2有限元法在嵌体、高嵌体方面的应用

    随着牙体缺损修复的嵌体化正成为主流趋势,如何避免嵌体折裂、边缘间隙等问题成为研究重点。Yamanel等建立附带MOD(近中-合面-远中)洞形的下颌第一磨牙三维有限元模型,分析使用两种纳米复合树脂和两种全瓷嵌体修复后的受力情况,认为低弹性模量的材料会向牙体组织传递更大的应力。因此,相比于纳米复合树脂材料,全瓷材料更有助于保护剩余牙体组织。

    Dejak等研究了磨牙大面积缺损下不同修复方式后的应力分布情况发现,高嵌体修复后Tsai-Wu强度比的倒数最低,并且修复体与牙体组织应力分布的更加适中。提示在牙体大面积缺损时,高嵌体可有效保护剩余牙体组织。Abu-Hassan等模拟在水平与垂直应力作用下,全瓷高嵌体边缘设计对应力分布的影响指出,在垂直应力作用下,相比于斜面型与凹槽型边缘设计,肩台型边缘所测得应力值最小。提示在瓷高嵌体牙体预备时,肩台型边缘设计更加合理。

    1.3有限元法在髓腔固位冠方面的应用

    近年来,根管治疗技术逐步完善,但后续的修复方式一直存在争议。随着微创修复理念的流行与普及,传统修复方式对健康牙体组织较多的破坏越来越受到患者与医生的诟病,髓腔固位冠应运而生。髓腔固位冠是根管治疗后牙齿的一种新型修复方式,也是有限元分析研究的热点。目前有限元法在髓腔固位冠方面的应用主要集中在如下方面。

    1.3.1与传统修复方式相比,髓腔固位冠修复后应力的变化

    对于临床医生,修复根管治疗后大面积面缺损仍然是一个挑战。作为一种新兴方法,其修复后的生物力学表现受到广泛关注。Lin等创建了根管治疗后的上颌前磨牙三维模型,分别以椅旁计算机辅助设计与计算辅助制造(CAD-CAM)髓腔固位冠和传统全冠修复,利用Weibull分析得出,相比传统全冠修复,髓腔固位冠修复后牙本质与粘接剂处的应力值较小;个别牙齿的修复失败可能性较高,但整体修复失败可能性相似。

    Dejak等通过对比全瓷髓腔固位冠与纤维桩树脂核、金属铸造桩核全瓷冠修复后应力的差异,认为相比于传统修复方式,髓腔固位冠有着相似甚至更好的生物力学性能,虽然远期修复效果仍需进一步研究,但髓腔固位冠在修复根管治疗后牙体大面积缺损方面,表现出广阔前景。

    1.3.2髓腔固位冠材料对修复后应力的影响

    目前临床上髓腔固位冠材料种类众多,如何选择最适合患者的髓腔固位冠材料仍然存在诸多争议。Zarone等通过评估复合树脂、致密烧结氧化铝陶瓷、长石玻璃陶瓷3种材料的髓腔固位冠修复上颌中切牙缺损后生物力学性能的变化,发现高弹性模量的材料会很大程度上改变天然牙体的生物力学性能,在修复体-牙体粘接界面上会产生较高程度的应力集中。同时,拥有与天然牙体相似的生物力学性能的材料会降低粘接界面应力集中的程度。提示临床上选择髓腔固位冠的材料时应该谨慎评估其性能,并且优选与天然牙体性能相近的材料。

    刘则玉通过有限元法分析铸瓷与聚合瓷材料的髓腔固位冠修复下颌第一磨牙后的力学特点认为,相较于聚合瓷组,铸瓷组的Von-mises应力和最大压应力均较小,因而推荐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对牙槽骨改建过程的影响,结果显示,拥有较高弹性的复合树脂材料能够使修复系统向牙槽骨传递较低的应力。虽然复合树脂不能阻止牙槽骨生理性吸收,但与较高硬度的Alumina陶瓷相比,可有效降低牙槽窝内的应力,提示复合树脂材料可减少牙槽骨吸收的风险,这可能对患有牙周病患者更有利。

    1.3.3边缘设计形式对髓腔固位冠修复后应力的影响

    修复体边缘设计对修复效果起到重要作用,不同的边缘设计形式直接影响修复体与基牙边缘强度,同时也会改变边缘部位的应力分布,何种边缘设计形式更有利于预后是临床医生一直追寻的问题。郭靖等建立了不同边缘形式的下颌第一前磨牙全瓷髓腔固位冠三维模型,通过分析边缘部位应力分布情况发现,边缘部位应力值依次为:平面对接式边缘<直角肩台<135°肩台<凹面形边缘。王慧媛等分析不同的边缘设计形式对髓腔固位冠修复第一磨牙大面积缺损的应力影响发现,在垂直向与舌颊向载荷作用下,对接式边缘的εMax峰值分别较90°边缘低42.88%与45.55%。因此,从应力分布的角度考虑,全瓷髓腔固位冠宜采用平面对接式边缘。

    1.4有限元法在全冠方面的应用

    随着口腔领域材料的不断发展,全冠材料由最初的金属冠逐渐被烤瓷冠、全瓷冠所代替,但崩瓷、形态、咬合等问题也困扰着临床医生。May等利用三维有限元法模拟树脂粘接剂厚度对CAD-CAM全瓷冠断裂强度的影响,结果显示,厚度为50、500μm的粘接剂,全瓷冠平均的断裂强度分别为673.5、300.6N;相比于无粘接剂的全瓷冠,粘接剂厚度为50μm的全瓷冠可以承受至少2倍的力。Zhang等模拟3种设计因素——边缘厚度、基牙聚合角度和粘接情况,对玻璃陶瓷断裂强度的影响进行研究,指出边缘较厚、聚合度较小、完全粘接的玻璃陶瓷拥有更高的断裂强度;粘接情况对玻璃陶瓷断裂强度的影响最大,边缘厚度次之,基牙聚合角最小。以上提示粘接情况对全瓷冠断裂的影响尤为关键,粘接剂通过缓冲应力,降低全瓷冠断裂的可能,同时推荐预留50~100μm的粘接剂厚度。

    1.5有限元法在桩核冠方面的应用

    桩核冠是当剩余牙体组织高度不足,无法形成足够的全冠固位形时,利用桩核为全冠修复体提供支持和固位的一种修复方式。Oyar利用三维有限元法分析何种桩核(钛合金、镍铬合金、金钯合金)、烤瓷冠(镍铬合金,金钯合金)和粘接剂(玻璃离子、复合树脂、磷酸锌、聚羧酸锌、Panavia)材料组合可以获得最佳的应力表现,认为低弹性模量的桩核材料和高弹性模量的粘接剂材料可降低桩核的应力值,同时减少桩核、粘接剂和牙根组织的形变。

    Veríssimo等评价不同种类的桩核冠与剩余冠部组织量多少对根管治疗后的上颌中切牙生物力学的影响,认为2mm的冠部组织剩余表现出更好的生物力学性能;使用玻璃纤维桩与树脂核修复的牙齿有着与健康组织相似的力学分布。

    2.有限元法在牙列缺损修复中的应用

    当牙体缺达到一定程度,现有的修复水平无法对患牙进行保留,造成单或上下牙列中部分天然牙的缺失时,我们称之为牙列缺损。临床上牙列缺损的修复方式可分为种植义齿、局部固定义齿、可摘局部义齿和固定-可摘联合义齿。

    2.1有限元法在种植义齿方面的应用

    近年来,口腔种植修复技术得到广泛研究与应用,但有学者发现种植义齿10~16年累计发生并发症的概率达48.03%,因此如何提高种植义齿长期稳定性,减少并发症是口腔医生追求的目标。Marcian等发现,种植体的几何形状、螺纹样式,骨密度和骨结合强度均会影响种植体的位移和微应变;骨密度越低,术后效果越差,术前的有限元分析可辅助对种植体预后做出评估。

    Bahrami等为分析不同的表面处理方式对种植体即刻负载后应力分布的影响,建立了4组三维模型,包括等离子喷涂法、喷砂法、抛光法、两部分处理法(即种植体冠部抛,其余部位等离子喷涂),得出结论,不同表面处理方式影响即刻负载后种植体-骨结合界面的应力,两部分处理法在种植体-骨结合界面获得更好的应力分布结果。提示临床上即刻负载种植体应用两部分处理法,会降低种植体-骨结合界面应力,减低周围骨吸收,延长种植体的使用寿命。

    2.2有限元法在局部固定义齿方面的应用

    固定义齿即固定桥、基牙的条件、桥体和连接体的设计与材料等都对固定义齿的修复效果产生较大影响。Harshitha等分析两种连接体设计(圆柱形、三角形)对后牙四单位固定桥应力分布的影响指出,Von-Misses应力主要集中在两桥体之间的连接体区域,尤其在颈部区域;相比于三角形连接体,圆柱形连接体区域的应力值更小。提示临床中应注重连接体处抗折性能的设计——圆柱形,防止应力集中导致桥体的断裂。Miura等模拟4种支架设计:A常规设计;B支架向颊舌侧延展2mm;C支架高度由基牙根部向连接体区域提高0.5mm;D融合B与C两种设计,研究对三单位悬臂梁式固定义齿机械性能的影响,指出D设计可避免应力集中的产生,具有保护基牙的作用。

    2.3有限元法在可摘局部义齿方面的应用

    传统可摘局部义齿在咀嚼力作用下易出现翘动、摆动和下沉等不稳定现象,导致基牙损伤与黏膜压痛。近年来种植义齿不断发展,为口腔修复形式带来新思路,种植体支持式可摘局部义齿便是其中之一。Shahmiri等分析了支架设计对种植体支持式可摘局部义齿影响,指出带有Ⅰ杆与远中面支托的支架设计对基托具有更强的支撑作用。

    Eom等建立了4组局部义齿的三维有限元模型,分别为牙支持式模型(TB)、种植体支持式模型(IB)、牙-组织支持式模型(TT)和种植体-组织支持式模型(IT),通过分析基牙与种植体的von-Mises应力与位移,指出:(1)两组种植体支持式模型的von-Mises应力峰值集中在种植体上,而两组牙支持式模型集中在支架上;(2)IT组的von-Mises应力是IB的两倍,但TT组与TB组的应力相似;(3)最大位移值出现在TT组,最小位移值出现在IB组。表明种植体支持式的可摘局部义齿稳定性较好,同时临床中使用种植体作为基牙时,应着重注意局部义齿的设计、种植体的数量和位点。

    2.4有限元法在固定-可摘联合义齿方面的应用

    固定-可摘联合义齿对基牙条件要求低,适用范围广,固位力较强,具有良好的发展前景。杨雪等建立了Locator和Magfit两种附着体三维模型,用以评价附着体的类型对种植体支持式可摘局部义齿应力分布的影响:相比于较硬的Magfit附着体,弹性良好的Locator附着体对义齿的水平移动具有较强的抵抗作用,能更好地改善义齿的稳定性。Chen等通过对比天然牙支持式与种植体-天然牙联合支持式套筒冠义齿的生物力学性能,认为在游离端植入两颗种植体并与天然牙联合支持套筒冠,可以改善应力分布,更好地保护余留牙与周围支持组织。

    3.有限元法在牙列缺失修复中的应用

    当牙列缺损程度进一步加重,上颌和(或)下颌天然牙全部缺失,我们称之为牙列缺失。传统全口义齿是临床上普遍应用的修复方式,但存在固位稳定性差、咀嚼效率低、异物感重等缺点。而种植覆盖全口义齿与种植固定全口义齿的出现,为牙列缺失的修复提供了新方向。Barao等分析不同附着体系统修复牙列缺失后的应力分布指出,相比于其他覆盖义齿模型,带有O-环附着体系统的模型获得最低的应力峰值。同时O-环系统比杆卡系统改善应力分布效果更明显。表明O-环附着体系统的种植体覆盖义齿力学性能更加出色,临床医生应多予以关注。

    Solberg等模拟在多种负载条件下常规种植体与微型种植体对全口覆盖义齿的影响指出,相对于微型种植体,常规种植体支持下的全口覆盖义齿更稳定,但无论何种种植体,实验结果均符合标准。

    4.结语

    综上所述,在短短40余年间,有限元法已经广泛深入口腔修复领域的各个方面,为相关的生物力学研究注入新鲜的血液,并为临床工作提供指导性建议。但口腔修复领域的有限元建模大部分都基于材料的线性、各向均性的假设,与实际的口腔结构相左。因此,今后的有限元法发展应着重建立具有非线性、各向异性的三维有限元模型,并由静态分析向动态分析转变,实现更加精准的生物力学分析。相信随着数字技术的发展,有限元法进一步成熟与完善,必定会成为口腔修复研究中至关重要的实验方法。

编辑: 陆美凤

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