三維有限元法在口腔醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的研究進(jìn)展

龐亞倩(綜述)，張 凱*，馮大軍(審校)

(1.蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院口腔科,安徽 蚌埠 233000；2.安徽醫(yī)科大學(xué)第四附屬醫(yī)院口腔頜面外科，安徽 合肥 230001)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷地更新與發(fā)展，越來越多的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[1-3]，如3-D打印、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)-計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)(computer aided design-computer aided manufacturing，CAD-CAM)以及有限元建模在種植、正畸修復(fù)及評(píng)估頜骨生物力學(xué)方面應(yīng)用廣泛，口腔醫(yī)學(xué)與數(shù)字化技術(shù)的有利結(jié)合，促進(jìn)了自身不斷地發(fā)展。有限元分析(finite element analysis，F(xiàn)EA)屬于力學(xué)分析中的數(shù)值法，此技術(shù)通過對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行生物模擬，對(duì)復(fù)雜的幾何形狀定義材料性質(zhì)，進(jìn)行約束加載并求解，能夠計(jì)算模型整體及局部的應(yīng)力大小和位移變化。20世紀(jì)70年代Thresher等[4]首次將其應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)，以構(gòu)建三維牙體、牙周及骨骼組織等模型，賦予模型相應(yīng)的生物力學(xué)材料屬性，從幾何、物理和力學(xué)方面綜合分析不同約束及載荷條件下模型的應(yīng)力與應(yīng)變特點(diǎn)[5-6]，為口腔生物力學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。本文就FEA在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用文獻(xiàn)并對(duì)FEA的未來發(fā)展作一展望。

1 FEA在口腔種植領(lǐng)域中的應(yīng)用

自Weinstein等[7]首次將FEA應(yīng)用于口腔種植領(lǐng)域后，該方法便被用來研究各種種植體部件以及種植體周圍骨的應(yīng)力模式。FEA研究認(rèn)為，種植體數(shù)目、直徑、長(zhǎng)度、螺紋輪廓、種植體部件的材料特性以及周圍骨的質(zhì)量和數(shù)量都會(huì)影響種植體周圍骨的應(yīng)力模式[8-10]。實(shí)驗(yàn)通過比較不同長(zhǎng)度和直徑的種植體周圍的應(yīng)力模式和水平，并模擬逐漸的頜骨吸收情況，隨著骨高度的降低，種植體周圍骨的應(yīng)力/應(yīng)變分布模式發(fā)生了相應(yīng)的變化，就應(yīng)力分布而言，植入直徑粗且短的種植體優(yōu)于直徑細(xì)且長(zhǎng)的種植體[11]。李希光等[12]針對(duì)不同骨質(zhì)類型下種植體不同的植入角度是否會(huì)影響種植體的穩(wěn)定性這一問題進(jìn)行了研究，應(yīng)力分布云圖示種植體頸部皮質(zhì)骨承載最大力量，表現(xiàn)為應(yīng)力集中區(qū)，這與Gümrük?ü等[13]的報(bào)道一致，這也就證明了皮質(zhì)骨不同程度吸收的原因在于種植體頸部周圍骨質(zhì)應(yīng)力分布不均，因此應(yīng)力集中致邊緣骨丟失則是影響種植體長(zhǎng)期穩(wěn)定和成功的主要因素，而對(duì)下頜種植體支持覆蓋義齒的長(zhǎng)期研究表明，沒有感染跡象的骨結(jié)合喪失比種植體周圍炎更為常見[14]。由此臨床中應(yīng)盡量避免或減小種植修復(fù)的斜向載荷，因?yàn)樾毕蜉d荷會(huì)對(duì)固定螺釘產(chǎn)生更高的應(yīng)力，加速種植體周圍骨的吸收。而對(duì)于接受種植體支持義齒修復(fù)的磨牙癥患者而言，咬合裝置的使用能否最大限度地減少骨與種植體界面的功能接觸和咬合過載，這也是學(xué)者們所探究的問題。Borges Radaelli等[15]研究評(píng)估了咬合裝置和種植體相關(guān)特征(長(zhǎng)度和植入深度)對(duì)種植體周圍組織應(yīng)力分布的影響，結(jié)果表明，咬合裝置的放置使基牙和種植體的應(yīng)力水平降低，皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨之間的應(yīng)力分布最為有利，并且有效地降低了植入骨內(nèi)的較長(zhǎng)種植體的應(yīng)力分布，這對(duì)磨牙癥患者的種植修復(fù)治療提供了參考依據(jù)。

對(duì)于下頜骨吸收嚴(yán)重的患者而言，傳統(tǒng)尺寸種植體植入受限，迷你種植體與骨能夠形成良好的骨整合，因此有研究對(duì)比分析了常規(guī)和微型種植體及周圍骨質(zhì)應(yīng)力分布情況，結(jié)果微型種植義齒顯示出更低的覆蓋義齒位移和更低的應(yīng)力，從力學(xué)角度指出了微型種植體可作為支持下頜全口覆蓋義齒的一種修復(fù)方式，為種植體支持式覆蓋全口義齒的應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)[16-17]。

種植體成功的關(guān)鍵在于初級(jí)穩(wěn)定性及快速骨整合，與常規(guī)種植體相比，三卵圓形種植體的最小區(qū)域表現(xiàn)出較低的壓縮應(yīng)變和明顯較少的骨細(xì)胞凋亡，從而導(dǎo)致最小的骨吸收，Yin等[18]通過一個(gè)成熟的口腔種植體骨整合的活體小鼠模型，比較了三卵圓形和圓形種植體植入愈合的上頜骨部位的結(jié)果來檢驗(yàn)了這一理論的準(zhǔn)確性，這種新穎的三卵圓形種植體設(shè)計(jì)為種植體周圍骨的形成提供了良好的力學(xué)和生物環(huán)境，促進(jìn)了骨整合，原因在于一個(gè)高應(yīng)變和低應(yīng)變相結(jié)合的種植體周圍環(huán)境，可以確保種植體與周圍骨的機(jī)械接觸，此研究證明了三卵圓形種植體設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。最新研究表明，相對(duì)于常規(guī)鉆孔與圓形種植體系統(tǒng)，骨成型工具產(chǎn)生了具有紋理的截骨面和可存活的骨碎片，這些碎片被保留在種植體周圍的環(huán)境中，能夠直接促進(jìn)更快的種植體周圍骨形成和種植體骨整合，因此骨成型工具與三卵圓形種植體組成的微型種植體系統(tǒng)可逐步應(yīng)用于臨床[19]。

以上研究均強(qiáng)調(diào)了種植體骨界面上的生物力學(xué)條件是影響種植體遠(yuǎn)期成功率的重要因素，隨著FEA在口腔種植領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，逐漸認(rèn)識(shí)到有限元建模的成功與否取決于種植體和頜骨的材料特性、載荷和支撐條件以及種植體與頜骨的生物力學(xué)界面的準(zhǔn)確性等因素，從力學(xué)角度考慮臨床中行種植修復(fù)時(shí)，恢復(fù)牙齒的美觀及咬合功能的同時(shí)，又不會(huì)改變下頜骨原有的應(yīng)力傳導(dǎo)曲線，并兼顧整個(gè)口頜系統(tǒng)的健康。

2 FEA在口腔正畸領(lǐng)域中的應(yīng)用

因正畸研究對(duì)象是人體，因此有必要建立一種符合醫(yī)德的無創(chuàng)實(shí)驗(yàn)方法，而FEA符合這一要求，該方法是在計(jì)算機(jī)上模擬患者的口腔環(huán)境，在模型上進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)分析。隨著人們對(duì)美學(xué)的要求越來越高，舌側(cè)正畸矯治的出現(xiàn)使隱形矯治成為可能。在成年患者中下頜第一磨牙缺失率較高，利用正畸牽引移動(dòng)第二磨牙成為關(guān)閉間隙的一種方案，而正畸矯治近中移動(dòng)下頜第二磨牙時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)牙齒的近中傾斜，而對(duì)如何改善后牙傾斜移動(dòng)少有研究。國(guó)內(nèi)學(xué)者研究表明，使用個(gè)性化舌側(cè)矯治微種植體支抗近中移動(dòng)下頜第二磨牙時(shí)，可以通過調(diào)整舌側(cè)管長(zhǎng)度和管傾斜角度減小牙齒近中傾斜趨勢(shì)，使其趨于整體移動(dòng)，6 °為相對(duì)最佳角度，此時(shí)牙齒近乎整體移動(dòng)，為臨床舌側(cè)矯治中整體近中移動(dòng)下頜第二磨牙提供參考[20]。針對(duì)增加前牙區(qū)牽引鉤的長(zhǎng)度對(duì)內(nèi)收前牙整體移動(dòng)是否有利這一問題，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)收上前牙的正畸過程中，改變前牙區(qū)牽引鉤長(zhǎng)度將對(duì)前牙的移動(dòng)趨勢(shì)產(chǎn)生影響，而對(duì)于上前牙唇傾度正常者,隨著牽引鉤的加長(zhǎng),舌側(cè)傾斜移動(dòng)越不明顯,故有利于牙齒的整體移動(dòng)[21]。劉代斌等[22]建立了具有不同長(zhǎng)度前牙區(qū)牽引鉤的舌側(cè)矯治系統(tǒng)的整體上頜三維有限元模型，同時(shí)進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)。由此得知施力方向離前牙的阻抗中心越近，越有利于前牙整體移動(dòng)，在對(duì)下前牙整體內(nèi)收的力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，切牙仍呈舌傾移動(dòng)趨勢(shì),尖牙無遠(yuǎn)中傾斜趨勢(shì)，因此得知舌側(cè)矯治技術(shù)整體內(nèi)收下前牙時(shí),前牙更易舌傾,長(zhǎng)牽引鉤有利于尖牙的整體移動(dòng),對(duì)切牙的垂直向控制不利[23]。馮素亞等[24]對(duì)于舌側(cè)矯治內(nèi)收前牙時(shí)牙齒的移動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行了FEA并加以臨床驗(yàn)證，結(jié)果示在上頜第一前磨牙和第一磨牙間距牙槽嵴頂6 mm處植入微種植體是最佳選擇，可以避免臨床上“弓形效應(yīng)”的出現(xiàn)，以上研究為探索舌側(cè)矯治技術(shù)的理想施力方式提供了參考。

對(duì)于牙周病患者的正畸治療，所施加的矯治力大小與牙周組織健康者存有區(qū)別，因此成人牙周病患者的正畸診斷和治療同樣成為了所關(guān)注的問題。孫志濤等[25]研究發(fā)現(xiàn)，后牙組牙齒最大總位移值及牙周膜最大等效應(yīng)力會(huì)隨著牙槽骨吸收高度的降低而逐漸增大，并且牙周組織受到的損害也會(huì)逐漸增加，因此臨床工作中針對(duì)伴有牙槽骨喪失的患者，臨床醫(yī)生在進(jìn)行正畸矯治時(shí)應(yīng)控制好其矯正力量。

正畸矯正是一個(gè)牙齒動(dòng)態(tài)變化的過程，后續(xù)研究應(yīng)考慮將牙周膜、骨改建加入到模型中去，以便于觀察長(zhǎng)期矯治病例的牙齒移動(dòng)趨勢(shì)。

3 FEA在下頜骨生物力學(xué)研究領(lǐng)域中的應(yīng)用

下頜骨在承受載荷后，其內(nèi)部應(yīng)力分布、傳遞情況是臨床工作者所關(guān)注的問題，僅通過制作實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯科鋺?yīng)力分布，在精確度及還原度方面均有欠缺，使得對(duì)頜骨力學(xué)的研究受到了限制[26-27]。而FEA可以用來估計(jì)組織和器官的特定區(qū)域?qū)μ囟l件的生物力學(xué)響應(yīng)，其在表示整個(gè)下頜骨的方向、梯度以及應(yīng)力和應(yīng)變的大小方面提供了準(zhǔn)確的精度，由此在醫(yī)學(xué)上越來越多的將其應(yīng)用在評(píng)價(jià)下頜骨的生物力學(xué)。

然而對(duì)于頜面部創(chuàng)傷的研究，往往很難找到一個(gè)在實(shí)踐上和倫理上都可以接受的模型，同時(shí)也要給出有效和可靠的結(jié)果，出于諸多因素的考慮，以CT影像學(xué)資料為基礎(chǔ)，建立頜骨三維有限元模型成為了面部創(chuàng)傷力學(xué)研究的基礎(chǔ)。FEA可以用來分析頜骨骨折的生物力學(xué)特點(diǎn)，研究表明，F(xiàn)EA在預(yù)測(cè)骨折方面具有廣泛的應(yīng)用潛力[28]，以計(jì)算機(jī)斷層掃描數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)建的下頜骨有限元模型，已被廣泛應(yīng)用于分析不同方面的下頜骨骨折的可能風(fēng)險(xiǎn)[29]，包括手術(shù)切除下頜骨病變后為預(yù)防病理性骨折而采取措施的理論有效性、下頜骨邊緣切除術(shù)的截骨設(shè)計(jì)或下頜骨骨折的各種固定措施的穩(wěn)定性等。囊性病變引起的大范圍骨吸收可致頜骨的生物力學(xué)強(qiáng)度降低，為實(shí)現(xiàn)術(shù)前預(yù)測(cè)以降低病理性骨折的發(fā)生率，通過建立下頜體部囊性病變?nèi)S有限元模型，測(cè)得病變區(qū)臨界骨量閾值，為手術(shù)方式的選擇提供了力學(xué)參考[30]，而不同病變部位囊性病變的力學(xué)特征有待進(jìn)一步探究。為了解頜骨力學(xué)傳導(dǎo)規(guī)律，國(guó)內(nèi)學(xué)者構(gòu)建下頜骨三維有限元模型，開展了一系列實(shí)驗(yàn)研究[31]。髁突作為咀嚼過程中力學(xué)傳導(dǎo)的關(guān)鍵，咬合創(chuàng)傷是否對(duì)其力學(xué)傳導(dǎo)產(chǎn)生影響，陳建中等[32]研究表示，異常的咬合狀態(tài)會(huì)對(duì)髁突造成負(fù)荷效應(yīng)，可對(duì)下頜骨的力學(xué)傳導(dǎo)造成影響。在正常咬合狀態(tài)下，下頜骨應(yīng)力集中的區(qū)域主要在外斜線、下頜角、髁突頸部及冠突等部位[33]，而長(zhǎng)時(shí)間的異常咬合載荷，可造成髁突局部應(yīng)力增大嚴(yán)重者導(dǎo)致病理學(xué)形態(tài)的改變，顳下頜關(guān)節(jié)作為人體一重要且復(fù)雜的關(guān)節(jié)，其生物力學(xué)性能需要進(jìn)一步研究。

下頜骨骨折類型取決于多種因素，包括力的大小和方向、骨組織密度及質(zhì)量或者造成薄弱區(qū)域的解剖結(jié)構(gòu)，已有研究證明第三磨牙的存在與下頜角骨折之間存在相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)關(guān)系[34]。為了探究下頜第三磨牙的存在與否對(duì)撞擊下頜骨不同部位的力學(xué)分布是否產(chǎn)生影響，研究表明，當(dāng)頦部正中受到撞擊力時(shí)髁突骨折的風(fēng)險(xiǎn)是高于下頜角的，而受到側(cè)向撞擊力時(shí)同側(cè)下頜骨骨折風(fēng)險(xiǎn)則遠(yuǎn)高于髁狀突，對(duì)于缺失下頜第三磨牙的情況而言，高沖擊力更易導(dǎo)致髁狀突的骨折[35]，因此第三磨牙的存在改變了下頜骨的應(yīng)力分布。而第三磨牙的阻生方式同樣對(duì)下頜骨受到撞擊時(shí)的應(yīng)力分布產(chǎn)生一定的影響，第三磨牙不同的阻生角度使下頜角應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生改變，而垂直阻生方式則是最易增加外力撞擊下下頜角部發(fā)生病理性骨折的相關(guān)危險(xiǎn)因素。以上對(duì)下頜骨模擬撞擊實(shí)驗(yàn)的研究能夠?yàn)榕R床傷情預(yù)判提供理論參考，給患者有效的診斷和治療提供了保障。

4 展 望

綜上所述，相較于其他實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方法，F(xiàn)EA具有其獨(dú)特的優(yōu)越性，可重復(fù)進(jìn)行，沒有倫理道德方面的考慮，研究設(shè)計(jì)可以根據(jù)要求進(jìn)行修改和改變。其在對(duì)骨組織生物力學(xué)研究方面具有高度仿真性，F(xiàn)EA逐漸在口腔修復(fù)、口腔正畸、口腔頜面外科等領(lǐng)域顯現(xiàn)出極大的優(yōu)越性。FEA也有一定的局限性。這是一項(xiàng)計(jì)算機(jī)化的體外研究，其中臨床條件可能不能完全復(fù)制，因此進(jìn)一步的FEA研究應(yīng)輔以臨床評(píng)價(jià)，仍需進(jìn)一步探討模擬更接近于真實(shí)頜骨的三維有限元模型，將FEA與口腔醫(yī)學(xué)的力學(xué)研究有利結(jié)合起來。