三維有限元分析在口腔醫學領域的研究進展

三維有限元分析在口腔醫學領域的研究進展

有限元分析（finite element analysis，FEA）是一種分析結構應力和變形的數值方法，其基本思想是將復雜幾何體劃分為更小、更簡單的有限元素，有限元素經過分析后再整合起來得到整個復雜幾何體的解口腔招聘網 kqzp.cn。

FEA現已成為分析預測自然牙、義齒、種植體和周圍骨應力和應變分布的重要工具口腔招聘網 kqzp.cn。研究對象的每一部分幾何特點、材料特性、邊界條件、載荷、界面和收斂性都可以被計算口腔招聘網 kqzp.cn。通過模擬體內難以測量或接觸的區域，FEA可以預測臨床的實際情況，無需創造真實的臨床樣本和條件，明顯降低了成本口腔招聘網 kqzp.cn。

FEA實驗可重復性高，在一些有倫理約束和實驗條件難以達到的限制條件下，其應用尤為重要口腔招聘網 kqzp.cn。近幾年計算機技術的進步使得相關研究發展迅猛，FEA建模發展從2D到3D，材料性質設定從線性到非線性，建模方法從單純通過電腦的簡化建模到引入計算機斷層掃描（CT）或磁共振成像（MRI）建立有限元網格模型，模擬對象從只能單純模擬硬組織到可以重建周圍軟組織及牙周膜口腔招聘網 kqzp.cn。本文對近年來三維有限元分析法在口腔醫學領域的研究進展進行綜述口腔招聘網 kqzp.cn。

1.三維有限元分析在牙體牙髓病學領域的應用研究

三維有限元分析可以建立起再現實體牙的幾何模型，可驗證一些研究結論是否科學和實用，為治療牙體牙髓疾病進行生物力學研究提供一個良好的實驗基礎口腔招聘網 kqzp.cn。根管治療中，開髓是實現根管治療預期目的的重要前提口腔招聘網 kqzp.cn。最大化地保留剩余牙體組織并實現剩余牙體結構的完整性對于根管治療后牙齒長期存留具有極為重要的意義口腔招聘網 kqzp.cn。

采用三維有限元分析法分析傳統開髓樹脂充填組、傳統開髓后全瓷冠修復組、微創開髓樹脂充填組和微創開髓后全瓷冠修復組有限元模型中的最大主應力、vonMises應力和改良vonMises應力分布，結果提示，上頜中切牙開髓應盡量采取微創開髓方式，傳統開髓后建議行冠修復，微創開髓后冠修復沒有明顯優勢口腔招聘網 kqzp.cn。

通過三維有限元分析模擬未發育成熟的前磨牙模型，比較氫氧化鈣、礦物三氧化物凝聚體（mineral trioxide aggregate，MTA）和Biodentine的充填作用以及根尖封閉作用口腔招聘網 kqzp.cn。結果表明，與MTA和Biodentine牙本質生物修補水泥相比，氫氧化鈣的充填作用并不理想；MTA或Biodentine增加了根尖處的應力，減少了根管內應力；采用氫氧化鈣、MTA和Biodentine聯合復合樹脂修復可達到同時保留冠狀結構和根結構的效果口腔招聘網 kqzp.cn。

有學者建立了下頜磨牙模型，比較在修復不同大小穿髓孔時，用不同厚度MTA蓋髓的應力分布，結果表明在MTA－牙髓界面的應力與應變大小與MTA的厚度成反比，提示臨床上可以使用較厚的MTA蓋髓以減少修復材料與牙髓界面的應力口腔招聘網 kqzp.cn。

Kim等通過構建下頜磨牙近中根的三維有限元模型探討根尖倒充填物的有無以及制備根尖區域大小對應力的影響，結果表明在有倒充填物時應力隨著制備區域的增大而減少，而當無倒充填物時應力隨著制備區域的增大而增大，臨床上提示醫生應保持牙本質在根尖預備區域的兩側平衡以減小應力，避免沖洗或取出倒充填物導致手術失敗口腔招聘網 kqzp.cn。

Ran等建立有限元模型探究上頜中切牙根尖切除術后在不同咬合狀態下的應力分布和牙移動，研究發現：根尖切除6mm以上時根尖部的應力、應變顯著增加，同時將會加重深覆牙合和深覆蓋問題；在深覆蓋情況下，根尖切除超過5mm時應力和牙移位顯著增加；在深覆牙合情況下，根尖切除超過4mm時應力和牙移位顯著增加，提示臨床醫生行根尖切除術時需綜合考慮切除長度的影響口腔招聘網 kqzp.cn。

2.三維有限元分析在牙周病學領域的應用研究

牙周膜是牙跟牙槽骨之間連接的軟組織，對牙齒的生理動度有關鍵作用，是牙周組織炎性破壞中最重要的因素口腔招聘網 kqzp.cn。精確的有限元模型可利用micro-CT來建立牙周膜模型口腔招聘網 kqzp.cn。多數研究探究了在生理咀嚼和創傷性載荷情況下牙齒動度和牙周組織的應力分布情況口腔招聘網 kqzp.cn。

Zhang等研究利用CT圖像建立下頜第一磨牙有限元模型，分析了咬合負荷區域的面積大小、位置和方向對牙體和牙周應力的影響，結果表明牙齒和牙周受力模式明顯不同口腔招聘網 kqzp.cn。在同一咀嚼過程下，牙體所受應力明顯高于牙周，且牙體應力集中區域面積由外向內逐漸減小，提示咬合接觸的合理設計有助于改善牙體和牙周應力分布，從而減少負荷相關的結構問題口腔招聘網 kqzp.cn。

大部分研究將牙周膜建立為圍繞著牙根的一圈極薄的組織，但簡化模型不能真實反應牙齒的生理動度口腔招聘網 kqzp.cn。Tuna等改進了牙周膜模型，利用接觸模型可以減少建模時間，增加精確度并且提高模型的光滑度口腔招聘網 kqzp.cn。同時，牙周膜韌帶是一種位于牙齒周圍的多孔纖維性軟組織，在將載荷從牙齒傳輸到下頜骨的牙槽骨中起著關鍵作用口腔招聘網 kqzp.cn。

Ortún-Terrazas等建立了類似牙周膜的材料模型，具有和牙周膜相似的多孔性和纖維結構特點口腔招聘網 kqzp.cn。通過嚴格的拉伸和壓縮載荷測試驗證發現，類牙周膜的多孔材料的體積模量與孔隙流體的排液能力有關，在壓縮過程中多孔材料對組織液的排出起到重要作用；在拉伸過程中，沿載荷方向運動的膠原纖維是影響牙周膜韌帶剛度的重要因素，提示牙周膜結構的完整性是維護牙周健康的主要因素口腔招聘網 kqzp.cn。

3.三維有限元分析在正畸學領域的應用研究

口腔正畸學重點研究矯治力傳遞所致的應力分布和規律，探索矯治的機制口腔招聘網 kqzp.cn。在錯牙合畸形的正畸病例中，使用微型支抗有良好的治療效果，但其高失敗率是主要問題口腔招聘網 kqzp.cn。種植的角度、微支抗的類型和受力方向對受力面積和應力大小有顯著影響口腔招聘網 kqzp.cn。

不適當的設計和不均勻的施力分布會直接對螺釘產生應力，影響支抗的穩定性，刺激周圍的組織，并引起炎癥口腔招聘網 kqzp.cn。一項三維有限元研究表明，新型微支抗能有效降低固定螺釘的應力口腔招聘網 kqzp.cn。

Lee等發現雙皮質微支抗可減少支抗的變形和折裂，在冠狀平面得到更多的擴張，明顯提高穩定性口腔招聘網 kqzp.cn。劉慶輝等建立了上頜牙槽骨－牙周膜上頜中切牙－隱形矯治器的三維有限元模型，通過FEA表明在上頜中切牙舌向移動時，未帶附件的中切牙牙周膜受力比有附件組大，且帶優化的粘接附件體（上半橢圓形附件、上半四面體附件）比普通附件體（水平矩形附件、水平橢圓形附件）牙周膜受力要更小口腔招聘網 kqzp.cn。

腭側阻生尖牙的正畸需要嚴格的錨固控制，且治療時間長，因此準確的定位和力的應用是治療成功的關鍵口腔招聘網 kqzp.cn。有學者通過建立有限元模型研究初始力加在不同阻生程度和在不同方向（頰側、垂直側和遠中側）時阻生尖牙的受力情況，結果表明施加垂直力產生的應力最低，不同初始傾斜力在牙根上的應力分布也不同口腔招聘網 kqzp.cn。同時表明頰側力在牙頸部產生的應力會對抗運動，施加垂直力和遠中傾斜力比施加頰側力更有助于牙的移動，尤其是對嚴重傾斜的尖牙，差異更加顯著口腔招聘網 kqzp.cn。

Nagendraprased等研究被加力的阻生尖牙及其相鄰的側切牙和第一前磨牙的位移模式和牙周膜應力，結果表明不同角度的阻生尖牙的位移和應力分布有差異口腔招聘網 kqzp.cn。相同應力下，當腭側阻生的尖牙向近中傾斜時，上頜尖牙的位移減少，隨著力的增加，牙周膜所受應力也增加，提示臨床上正畸或其他治療時應用最小力拉阻生尖牙口腔招聘網 kqzp.cn。

Moga等發現旋轉正畸力引起的壓力最大，平移力對毛細血管產生的壓力最小口腔招聘網 kqzp.cn。若牙周膜面積減少，更小的正畸力下牙周膜承擔應力的能力更強口腔招聘網 kqzp.cn。

4.三維有限元分析在口腔修復學領域的應用研究

口腔修復旨在恢復缺牙患者的牙列缺損或缺失及其生理功能口腔招聘網 kqzp.cn。有針對性地設計出合理的修復方案，則可最大限度地減少牙齒醫源性折裂，顯著提高修復后患牙的使用壽命口腔招聘網 kqzp.cn。Dejak等發現腭/舌傾的前牙受力最小，前牙唇傾角度越大受力越大，樁核修復的唇傾前牙相對于相同位置的唇傾前牙受力顯著增加口腔招聘網 kqzp.cn。通過構建三維有限元模型，分析牙尖覆蓋厚度對全瓷高嵌體修復前磨牙應力分布影響發現，增大全瓷高嵌體的牙尖覆蓋厚度可減小全瓷高嵌體破裂的風險，但可能會導致高嵌體脫落和腭側牙本質折裂口腔招聘網 kqzp.cn。

Zhang等通過三維有限元模型分析了不同邊緣厚度、不同聚合度及粘接劑厚度對玻璃陶瓷材料斷裂強度的影響，研究發現修復體邊緣越厚、聚合度越小，玻璃陶瓷抵抗斷裂的能力越大，證實了修復體的厚度與抗斷裂能力成正比，聚合角度與抗折性成反比口腔招聘網 kqzp.cn。研究還提示應預留50～100μm的粘接劑厚度，以通過緩沖應力降低全冠折斷的風險口腔招聘網 kqzp.cn。

Miura等模擬4種支架設計對三單位懸臂梁式固定義齒機械性能的影響，對比了常規設計組、支架設計為向頰舌側各延展2mm組、支架設計為自基牙根部向連接體區域提高0.5mm組和后兩組的結合設計組，結果表明結合設計組受力更加均衡，可避免應力集中，具有保護基牙的作用口腔招聘網 kqzp.cn。

Shahmiri等通過三維有限元研究發現：Ⅰ型桿設計具有更強的支撐作用，而遠中牙合支托相較近中牙合支托的支架設計對活動義齒基托具有更強的支撐作用口腔招聘網 kqzp.cn。Chen等對牙支持式和種植體－天然牙聯合支持的修復方式進行生物力學分析發現，游離端植入兩顆種植體并與天然牙聯合支持的套筒冠設計使基牙受力更均勻，提示在臨床過程中，若游離端缺失，應在游離端盡量植入至少兩顆種植體以延長修復體的使用壽命口腔招聘網 kqzp.cn。

5.三維有限元分析在種植學領域的應用研究

種植義齒行使咀嚼功能時所應具有的生物力學特性以及種植體與頜骨間牢固骨結合的能力，對于種植的成功至關重要口腔招聘網 kqzp.cn。三維有限元分析法在口腔種植學中的應用是當前研究熱點之一口腔招聘網 kqzp.cn。應用三維有限元分析可研究種植體各部件和種植體周圍骨組織的受力方式口腔招聘網 kqzp.cn。

研究表明，種植體數量、直徑、長度、螺紋形、材質以及周圍骨組織本身的質量和數量影響了植體周圍骨組織的受力方式口腔招聘網 kqzp.cn。在種植體的機械力學研究中，經常使用VonMises應力、最大/最小主應力和最大剪應力評估口腔招聘網 kqzp.cn。

VonMises應力表示模型內部的應力分布情況，最大/最小主應力可評估模型的張力與壓力情況，最大剪應力表示模型在復雜的應力作用下處于破壞的臨界狀態口腔招聘網 kqzp.cn。眾所周知，機械應力對骨組織內穩態的意義重大口腔招聘網 kqzp.cn。動物實驗也表明咬合應力過大可導致種植體周圍骨組織喪失口腔招聘網 kqzp.cn。

在一項關于牙種植體支持式覆蓋義齒病例的長期研究中，無炎癥骨結合喪失的發生率遠比種植體周圍炎高，提示在植體－骨組織界面的生物力學平衡是種植體長期存活的關鍵口腔招聘網 kqzp.cn。三維有限元模型對應力分布和受力方式的分析可幫助改善各類種植體的設計口腔招聘網 kqzp.cn。

Arinc利用FEA評估冠部的修復材料和結構對種植體和周圍骨組織的應力作用，分析了下頜植體支持式固定義齒在不同材料（鈷鉻基底陶瓷、鋯基底陶瓷和鋯增強的聚甲基丙烯酸甲酯的基底樹脂）和不同的連接體寬度（2、3、4mm）在斜向加載力下的受力情況，結果表明鈷鉻支持陶瓷對植體應力最小，植體材料和連接體寬度可能影響皮質骨、松質骨和植體的應力口腔招聘網 kqzp.cn。

6.三維有限元分析在口腔頜面外科領域的應用研究

口腔頜面部是人體的暴露部位，易遭到損傷，同時由于頜面部復雜的解剖結構，傳統的研究方法耗時、耗材且不能重復，實驗研究過程復雜口腔招聘網 kqzp.cn。在口腔頜面外科領域，三維有限元分析主要應用于骨折過程中頜骨受力的模擬分析口腔招聘網 kqzp.cn。

在頜面部區域內，下頜角骨折因其并發癥高發且手術路徑復雜，在內固定后常出現術區感染和骨愈合不佳的問題口腔招聘網 kqzp.cn。通過三維有限元模型的應力分析可進一步了解患者康復過程中鋼釘與骨組織之間的作用關系口腔招聘網 kqzp.cn。三維有限元分析研究表明，相對于在骨折區下緣放置單一雙皮質板，在上緣放置單張力帶具有更佳的穩定性，因此臨床推薦單張力帶結構固定作為一種微創方法來治療骨折口腔招聘網 kqzp.cn。

頜骨的真實標本難以獲取，三維有限元模型可模擬真實的頜面外科結構從而降低了相關研究的難度口腔招聘網 kqzp.cn。Huempfne-Hierl等證實了三維有限元模型可用于模擬人顱骨的外傷情況，并且提供關于病理和各種骨折分型的信息口腔招聘網 kqzp.cn。Bujtár等發現三維有限元分析還可用于人類下頜骨三個發育時期模型的構建及應力分布分析口腔招聘網 kqzp.cn。

有研究發現，當同時受到創傷性載荷時，三維有限元分析模型顯示頦部受到的應力值最高口腔招聘網 kqzp.cn。這些結果說明了應力的水平跟受力的位置和骨密度有關，對外科手術有指導意義口腔招聘網 kqzp.cn。

7.小結與展望

在臨床中，分析不同載荷條件下口腔的應力分布對評估牙齒及修復體的損耗至關重要口腔招聘網 kqzp.cn。由于牙體結構的復雜性、各種組織材料間的機械和化學性質的差異性、牙體形態和周圍結構關系的復雜性，很多實驗方法和手段不能得到準確可靠的結果口腔招聘網 kqzp.cn。現在常用的FEA有2D建模和3D建模兩種口腔招聘網 kqzp.cn。2D節省成本，簡化材料為同質性及均質性，建模簡單粗糙，可用于定性研究口腔招聘網 kqzp.cn。

3D更加精確可以用于定量研究，且3D建模已可以做到還原組織的部分非線性和各向異性特點，通過技術發展可以更加精確口腔招聘網 kqzp.cn。許多研究表明，FEA應用于口腔力學已成為主流的研究應力分布的分析方法，迅速發展的計算機和建模技術也使FEA在生物力學的應用中日益成為一種非常可靠和準確的方法，但FEA也有其局限性口腔招聘網 kqzp.cn。在臨床上，組織的受力是動態的、具有周期循環性的，而有限元模型的研究大多數是模擬加載時的靜態情況，而非實際的臨床情況口腔招聘網 kqzp.cn。

Jongsma等在對不同建模方式下纖維樁受力方式的研究中發現，即使模型用到了非線性建模方式，已經好于絕大多數同類研究，但離現實仍有差距，獲得的結果并不能直接進入臨床口腔招聘網 kqzp.cn。另外，同時把材料的性質設定為各向異性和非均勻性可以得到更精確的模型，但需要更加復雜的數學計算，因此如何建立更精確的三維模型成為其應用的關鍵問題口腔招聘網 kqzp.cn。現在已有很多高科技技術應用于口腔領域，例如口內掃描儀、咬合記錄儀、CAD/CAM系統和FEA等口腔招聘網 kqzp.cn。

未來的突破在于將這些技術應用相互結合，比如利用口內掃描儀確定幾何特性，將數據傳輸到CAD中進行治療方案的設計然后通過FEA加載咬合力后的情況，提示是否有受力過大的情況，便于方案設計的改進，最終從CAD的設計轉化為CAM生產流程口腔招聘網 kqzp.cn。三維有限元分析中建模的工作量占到整個工作量的70%～80%，通過新的手段減少建模時間、簡化FEA難度是發展的重要方向，若能實現自動化建模，將可以達到臨床上特異性建模的設想，也將大大提高FEA的應用口腔招聘網 kqzp.cn。

三維有限元分析法未來的應用應該集中在骨組織、顳下頜關節、自然牙和義齒的模型優化和驗證口腔招聘網 kqzp.cn。現階段，有限元分析更加適用于預測新方法且這些新方法的臨床效果日后能夠證實的情況或新器械與傳統器械的比較口腔招聘網 kqzp.cn。通過有限元計算預測出各組的異同點可以為進一步的臨床研究奠定堅實的基礎口腔招聘網 kqzp.cn。