纖維樁樁核系統(tǒng)的仿真模擬研究概況

黃志國(guó)，李艷艷，崔喜賀，王 鋒

(1.承德石油高等專科學(xué)校 工業(yè)技術(shù)中心，河北 承德 067000;2.承德石油高等專科學(xué)校 機(jī)械工程系，河北 承德 067000)

在現(xiàn)代口腔醫(yī)學(xué)中，采用口腔生物材料來(lái)修復(fù)病損的組織器官的案例日益增多?？谇簧锊牧媳涣袨椤秶?guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》的“人口與健康”重點(diǎn)領(lǐng)域的優(yōu)先發(fā)展主題。目前口腔生物材料的全球市場(chǎng)增長(zhǎng)迅速，而我國(guó)口腔生物材料90%依賴進(jìn)口。口腔生物材料的國(guó)內(nèi)研究的滯后主要是由于口腔生物材料研究所涉及的學(xué)科領(lǐng)域較廣，研究難度大［1］。

1 三維數(shù)字化口腔醫(yī)療研究現(xiàn)狀

基于三維數(shù)字化技術(shù)的口腔醫(yī)療是國(guó)際口腔醫(yī)療的最新發(fā)展趨勢(shì)。三維數(shù)字化技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)上的普遍采用，不僅可以大大提高口腔診療的質(zhì)量和效率，尤其適合解決我國(guó)目前口腔健康所面臨的緊迫局面?；谌S數(shù)字化工程技術(shù)口腔醫(yī)療專用技術(shù)、工藝、設(shè)備和材料［2－4］主要包括:

1)三維掃描測(cè)量技術(shù)與設(shè)備;

2)三維數(shù)字化診斷技術(shù)與裝備;

3)新型樹脂、陶瓷、金屬材料及粘接技術(shù)等;

4)口腔修復(fù)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助制造(CAD/CAM)系統(tǒng);

5)激光快速成型加工(RP)系統(tǒng)。

口腔先進(jìn)診療技術(shù)及材料的國(guó)產(chǎn)化及產(chǎn)業(yè)化，可以提高口腔診療的效率和質(zhì)量，降低國(guó)民就醫(yī)的成本。國(guó)內(nèi)一些口腔醫(yī)學(xué)研究者［3，4］注意到了以數(shù)字化三維技術(shù)為核心的先進(jìn)診療技術(shù)及先進(jìn)口腔生物材料的這一發(fā)展趨勢(shì)，與工程技術(shù)領(lǐng)域合作，開展了一系列的相關(guān)基礎(chǔ)和臨床應(yīng)用研究，在獲取牙體的三維數(shù)字模型、咬合關(guān)系模型的三維掃描、口腔修復(fù)體的三維CAD 理論、口腔生物材料模型的三維設(shè)計(jì)以及各類口腔修復(fù)體的數(shù)控加工取得了一定研究進(jìn)展。經(jīng)過(guò)多年努力，國(guó)內(nèi)在某些方面已經(jīng)掌握了一定的原創(chuàng)性技術(shù)理論，有了一定的研究開發(fā)基礎(chǔ)。

2 有限元分析在樁核系統(tǒng)研究中的應(yīng)用

目前，口腔修復(fù)材料的力學(xué)性能研究已成為力學(xué)、材料、醫(yī)學(xué)和生物等眾多學(xué)科共同關(guān)注的熱點(diǎn)，是當(dāng)今口腔學(xué)與生物材料科學(xué)的前沿課題之一。二十世紀(jì)八十年代以來(lái)，以有限元為代表的數(shù)值分析方法的發(fā)展，為生物力學(xué)研究提供了建模、分析求解和分析結(jié)果可視化等強(qiáng)有力的支持，已經(jīng)成為口腔修復(fù)學(xué)生物力學(xué)研究的主要手段之一［5］。現(xiàn)在有限元數(shù)值分析方法已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于口腔領(lǐng)域，利用有限元軟件的強(qiáng)大建模功能及其接口工具，可以很逼真地建立三維牙體組織模型，計(jì)算不同材料，不同載荷情況下牙齒及周圍組織的應(yīng)力應(yīng)變分布［5－7］。

基于口腔三維數(shù)字化的纖維樁樁核系統(tǒng)的仿真與實(shí)驗(yàn)研究是當(dāng)前口腔生物材料的一個(gè)前沿研究領(lǐng)域，在國(guó)際上日益引起人們的關(guān)注［8］。纖維樁樁核系統(tǒng)的仿真與實(shí)驗(yàn)研究的核心思想在于采用計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)，通過(guò)計(jì)算幾何與圖像圖形學(xué)、機(jī)械與生物力學(xué)、口腔臨床醫(yī)學(xué)等學(xué)科交叉，基于國(guó)際上先進(jìn)的“基于三維數(shù)字化的工程技術(shù)”口腔診療技術(shù)特點(diǎn)，根據(jù)口腔頜骨和牙齒解剖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合計(jì)算機(jī)三維醫(yī)學(xué)影像處理技術(shù)，模擬和預(yù)知樁核修復(fù)效果，仿生設(shè)計(jì)和構(gòu)建符合中國(guó)人特點(diǎn)的纖維樁黏結(jié)系統(tǒng)。

近年來(lái)，大量國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用有限元方法進(jìn)行了樁核系統(tǒng)的模擬研究，取得了大量的研究成果。例如:在修復(fù)牙冠嚴(yán)重缺損的患牙時(shí)，使用較粗直徑的纖維樁可以降低牙體組織內(nèi)部的應(yīng)力［9］。金屬樁核由于彈性模量較高，在受到外力時(shí)不易變形，將力直接傳導(dǎo)到根尖部樁與根管交界處，在近根尖區(qū)易形成應(yīng)力集中，而且產(chǎn)生應(yīng)力的峰值大于纖維樁［10］。通過(guò)離體牙體外最大載荷實(shí)驗(yàn)和有限元分析發(fā)現(xiàn)，在受到加載條件相同時(shí)，比較堅(jiān)硬的預(yù)成金屬樁的抗折強(qiáng)度低于玻璃纖維樁。這是由于金屬樁在牙體組織內(nèi)形成了較大的應(yīng)力集中，在承受載荷時(shí)首先造成了牙體組織的損傷而使修復(fù)體的抗折強(qiáng)度較低;而與牙本質(zhì)彈性模量接近的纖維樁表現(xiàn)了更好的機(jī)械性能［11］。通過(guò)有限元分析研究發(fā)現(xiàn)，樁核修復(fù)體內(nèi)部的最大剪切力主要集中在纖維樁與粘接劑之間，以及粘接劑與根管壁之間，這種應(yīng)力會(huì)造成粘結(jié)層斷裂繼而使樁從牙根內(nèi)脫出［12］。因此，盡量使樁、粘結(jié)劑、牙本質(zhì)三者的彈性模量接近而緩解應(yīng)力集中，似乎可以達(dá)到理想的修復(fù)效果［13］。

有限元計(jì)算分析方法較其他傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方法有明顯的優(yōu)越性在于:有限元法能夠給出所需要的模型任意部位的應(yīng)力和位移狀態(tài);不僅能給出任意部位的數(shù)據(jù)結(jié)果，還能由計(jì)算機(jī)自動(dòng)給出整體的三維圖像;一旦生物醫(yī)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)力學(xué)模型，就可以反復(fù)使用同一模型進(jìn)行各種載荷狀況的計(jì)算，從而保證了模型的完全相似性;由于使用了計(jì)算機(jī)手段，使得大量的數(shù)據(jù)處理變得較為容易，不管研究對(duì)象的幾何形狀、材料性質(zhì)、支持條件和加載方式多么復(fù)雜，都能進(jìn)行分析，并且迅速得出結(jié)果。

3 展望

隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)和相關(guān)醫(yī)學(xué)專業(yè)圖像軟件開發(fā)的深入，建模技術(shù)的不斷提高，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有了較好的一致性，這些研究使人們對(duì)口腔疾病的治療效果有了越來(lái)越深入的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)了口腔技術(shù)的發(fā)展［6，7］。將有限元分析方法與最優(yōu)化技術(shù)結(jié)合起來(lái)，將促進(jìn)口腔疾病診斷和修復(fù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，使臨床治療技術(shù)躍上新臺(tái)階，給口腔科醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用提供科學(xué)的理論依據(jù)，促進(jìn)生物力學(xué)向更深入、更廣泛、更光明的前景發(fā)展。

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