三維有限元法在口腔醫學應用中的研究進展

龐亞倩(綜述)，張 凱*，馮大軍(審校)

(1.蚌埠醫學院第一附屬醫院口腔科,安徽 蚌埠 233000；2.安徽醫科大學第四附屬醫院口腔頜面外科，安徽 合肥 230001)

隨著計算機技術不斷地更新與發展，越來越多的數字化技術應用于口腔醫學領域[1-3]，如3-D打印、計算機輔助設計-計算機輔助制造技術(computer aided design-computer aided manufacturing，CAD-CAM)以及有限元建模在種植、正畸修復及評估頜骨生物力學方面應用廣泛，口腔醫學與數字化技術的有利結合，促進了自身不斷地發展。有限元分析(finite element analysis，FEA)屬于力學分析中的數值法，此技術通過對真實物理系統進行生物模擬，對復雜的幾何形狀定義材料性質，進行約束加載并求解，能夠計算模型整體及局部的應力大小和位移變化。20世紀70年代Thresher等[4]首次將其應用于口腔醫學，以構建三維牙體、牙周及骨骼組織等模型，賦予模型相應的生物力學材料屬性，從幾何、物理和力學方面綜合分析不同約束及載荷條件下模型的應力與應變特點[5-6]，為口腔生物力學研究奠定了基礎。本文就FEA在口腔醫學領域中的應用文獻并對FEA的未來發展作一展望。

1 FEA在口腔種植領域中的應用

自Weinstein等[7]首次將FEA應用于口腔種植領域后，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力模式。FEA研究認為，種植體數目、直徑、長度、螺紋輪廓、種植體部件的材料特性以及周圍骨的質量和數量都會影響種植體周圍骨的應力模式[8-10]。實驗通過比較不同長度和直徑的種植體周圍的應力模式和水平，并模擬逐漸的頜骨吸收情況，隨著骨高度的降低，種植體周圍骨的應力/應變分布模式發生了相應的變化，就應力分布而言，植入直徑粗且短的種植體優于直徑細且長的種植體[11]。李希光等[12]針對不同骨質類型下種植體不同的植入角度是否會影響種植體的穩定性這一問題進行了研究，應力分布云圖示種植體頸部皮質骨承載最大力量，表現為應力集中區，這與Gümrük?ü等[13]的報道一致，這也就證明了皮質骨不同程度吸收的原因在于種植體頸部周圍骨質應力分布不均，因此應力集中致邊緣骨丟失則是影響種植體長期穩定和成功的主要因素，而對下頜種植體支持覆蓋義齒的長期研究表明，沒有感染跡象的骨結合喪失比種植體周圍炎更為常見[14]。由此臨床中應盡量避免或減小種植修復的斜向載荷，因為斜向載荷會對固定螺釘產生更高的應力，加速種植體周圍骨的吸收。而對于接受種植體支持義齒修復的磨牙癥患者而言，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，這也是學者們所探究的問題。Borges Radaelli等[15]研究評估了咬合裝置和種植體相關特征(長度和植入深度)對種植體周圍組織應力分布的影響，結果表明，咬合裝置的放置使基牙和種植體的應力水平降低，皮質骨和松質骨之間的應力分布最為有利，并且有效地降低了植入骨內的較長種植體的應力分布，這對磨牙癥患者的種植修復治療提供了參考依據。

對于下頜骨吸收嚴重的患者而言，傳統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，因此有研究對比分析了常規和微型種植體及周圍骨質應力分布情況，結果微型種植義齒顯示出更低的覆蓋義齒位移和更低的應力，從力學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方式，為種植體支持式覆蓋全口義齒的應用奠定堅實的理論基礎[16-17]。

種植體成功的關鍵在于初級穩定性及快速骨整合，與常規種植體相比，三卵圓形種植體的最小區域表現出較低的壓縮應變和明顯較少的骨細胞凋亡，從而導致最小的骨吸收，Yin等[18]通過一個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果來檢驗了這一理論的準確性，這種新穎的三卵圓形種植體設計為種植體周圍骨的形成提供了良好的力學和生物環境，促進了骨整合，原因在于一個高應變和低應變相結合的種植體周圍環境，可以確保種植體與周圍骨的機械接觸，此研究證明了三卵圓形種植體設計的優越性。最新研究表明，相對于常規鉆孔與圓形種植體系統，骨成型工具產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境中，能夠直接促進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可逐步應用于臨床[19]。

以上研究均強調了種植體骨界面上的生物力學條件是影響種植體遠期成功率的重要因素，隨著FEA在口腔種植領域的廣泛應用，逐漸認識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界面的準確性等因素，從力學角度考慮臨床中行種植修復時，恢復牙齒的美觀及咬合功能的同時，又不會改變下頜骨原有的應力傳導曲線，并兼顧整個口頜系統的健康。

2 FEA在口腔正畸領域中的應用

因正畸研究對象是人體，因此有必要建立一種符合醫德的無創實驗方法，而FEA符合這一要求，該方法是在計算機上模擬患者的口腔環境，在模型上進行相應的力學分析。隨著人們對美學的要求越來越高，舌側正畸矯治的出現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，利用正畸牽引移動第二磨牙成為關閉間隙的一種方案，而正畸矯治近中移動下頜第二磨牙時往往會出現牙齒的近中傾斜，而對如何改善后牙傾斜移動少有研究。國內學者研究表明，使用個性化舌側矯治微種植體支抗近中移動下頜第二磨牙時，可以通過調整舌側管長度和管傾斜角度減小牙齒近中傾斜趨勢，使其趨于整體移動，6 °為相對最佳角度，此時牙齒近乎整體移動，為臨床舌側矯治中整體近中移動下頜第二磨牙提供參考[20]。針對增加前牙區牽引鉤的長度對內收前牙整體移動是否有利這一問題，有學者研究發現內收上前牙的正畸過程中，改變前牙區牽引鉤長度將對前牙的移動趨勢產生影響，而對于上前牙唇傾度正常者,隨著牽引鉤的加長,舌側傾斜移動越不明顯,故有利于牙齒的整體移動[21]。劉代斌等[22]建立了具有不同長度前牙區牽引鉤的舌側矯治系統的整體上頜三維有限元模型，同時進行加載實驗。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，在對下前牙整體內收的力學研究發現，切牙仍呈舌傾移動趨勢,尖牙無遠中傾斜趨勢，因此得知舌側矯治技術整體內收下前牙時,前牙更易舌傾,長牽引鉤有利于尖牙的整體移動,對切牙的垂直向控制不利[23]。馮素亞等[24]對于舌側矯治內收前牙時牙齒的移動趨勢進行了FEA并加以臨床驗證，結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”的出現，以上研究為探索舌側矯治技術的理想施力方式提供了參考。

對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注的問題。孫志濤等[25]研究發現，后牙組牙齒最大總位移值及牙周膜最大等效應力會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逐漸增加，因此臨床工作中針對伴有牙槽骨喪失的患者，臨床醫生在進行正畸矯治時應控制好其矯正力量。

正畸矯正是一個牙齒動態變化的過程，后續研究應考慮將牙周膜、骨改建加入到模型中去，以便于觀察長期矯治病例的牙齒移動趨勢。

3 FEA在下頜骨生物力學研究領域中的應用

下頜骨在承受載荷后，其內部應力分布、傳遞情況是臨床工作者所關注的問題，僅通過制作實驗模型研究其應力分布，在精確度及還原度方面均有欠缺，使得對頜骨力學的研究受到了限制[26-27]。而FEA可以用來估計組織和器官的特定區域對特定條件的生物力學響應，其在表示整個下頜骨的方向、梯度以及應力和應變的大小方面提供了準確的精度，由此在醫學上越來越多的將其應用在評價下頜骨的生物力學。

然而對于頜面部創傷的研究，往往很難找到一個在實踐上和倫理上都可以接受的模型，同時也要給出有效和可靠的結果，出于諸多因素的考慮，以CT影像學資料為基礎，建立頜骨三維有限元模型成為了面部創傷力學研究的基礎。FEA可以用來分析頜骨骨折的生物力學特點，研究表明，FEA在預測骨折方面具有廣泛的應用潛力[28]，以計算機斷層掃描數據為基礎構建的下頜骨有限元模型，已被廣泛應用于分析不同方面的下頜骨骨折的可能風險[29]，包括手術切除下頜骨病變后為預防病理性骨折而采取措施的理論有效性、下頜骨邊緣切除術的截骨設計或下頜骨骨折的各種固定措施的穩定性等。囊性病變引起的大范圍骨吸收可致頜骨的生物力學強度降低，為實現術前預測以降低病理性骨折的發生率，通過建立下頜體部囊性病變三維有限元模型，測得病變區臨界骨量閾值，為手術方式的選擇提供了力學參考[30]，而不同病變部位囊性病變的力學特征有待進一步探究。為了解頜骨力學傳導規律，國內學者構建下頜骨三維有限元模型，開展了一系列實驗研究[31]。髁突作為咀嚼過程中力學傳導的關鍵，咬合創傷是否對其力學傳導產生影響，陳建中等[32]研究表示，異常的咬合狀態會對髁突造成負荷效應，可對下頜骨的力學傳導造成影響。在正常咬合狀態下，下頜骨應力集中的區域主要在外斜線、下頜角、髁突頸部及冠突等部位[33]，而長時間的異常咬合載荷，可造成髁突局部應力增大嚴重者導致病理學形態的改變，顳下頜關節作為人體一重要且復雜的關節，其生物力學性能需要進一步研究。

下頜骨骨折類型取決于多種因素，包括力的大小和方向、骨組織密度及質量或者造成薄弱區域的解剖結構，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風險關系[34]。為了探究下頜第三磨牙的存在與否對撞擊下頜骨不同部位的力學分布是否產生影響，研究表明，當頦部正中受到撞擊力時髁突骨折的風險是高于下頜角的，而受到側向撞擊力時同側下頜骨骨折風險則遠高于髁狀突，對于缺失下頜第三磨牙的情況而言，高沖擊力更易導致髁狀突的骨折[35]，因此第三磨牙的存在改變了下頜骨的應力分布。而第三磨牙的阻生方式同樣對下頜骨受到撞擊時的應力分布產生一定的影響，第三磨牙不同的阻生角度使下頜角應力集中區域發生改變，而垂直阻生方式則是最易增加外力撞擊下下頜角部發生病理性骨折的相關危險因素。以上對下頜骨模擬撞擊實驗的研究能夠為臨床傷情預判提供理論參考，給患者有效的診斷和治療提供了保障。

4 展 望

綜上所述，相較于其他實驗應力分析方法，FEA具有其獨特的優越性，可重復進行，沒有倫理道德方面的考慮，研究設計可以根據要求進行修改和改變。其在對骨組織生物力學研究方面具有高度仿真性，FEA逐漸在口腔修復、口腔正畸、口腔頜面外科等領域顯現出極大的優越性。FEA也有一定的局限性。這是一項計算機化的體外研究，其中臨床條件可能不能完全復制，因此進一步的FEA研究應輔以臨床評價，仍需進一步探討模擬更接近于真實頜骨的三維有限元模型，將FEA與口腔醫學的力學研究有利結合起來。