正畸領(lǐng)域生物力學(xué)的研究進(jìn)展

宋陽陽，李任，李金源，孫海超，史力丹，于津健,任聰，王卓淼，溫黎明*

(1.華北理工大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，河北 唐山；2.保定市婦幼保健院 口腔科，河北 保定)

0 引言

生物力學(xué)是一門利用物理力學(xué)體系來解釋生物體系中包括生理學(xué)、醫(yī)學(xué)等方面的深度交叉問題的學(xué)科。生物力學(xué)運用力的理論體系，從力的角度結(jié)合生物體的體態(tài)特征甚至是生理現(xiàn)象對問題進(jìn)行深度分析。生物力學(xué)在我國是一門新興的學(xué)科，它的起步和發(fā)展要追溯到1979年馮元幀在國內(nèi)開展的生物力學(xué)講習(xí)班，在馮元幀提出的“應(yīng)力-生長”的理論指導(dǎo)下生物力學(xué)及其衍生的分支在國內(nèi)受到了很多學(xué)者的關(guān)注并得到了大力發(fā)展[1]。生物力學(xué)的應(yīng)用范圍之廣在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域是無法計量的，這同樣體現(xiàn)在口腔生物力學(xué)的研究方面。

1 口腔生物力學(xué)的起源

我國對口腔生物力學(xué)的研究起步較晚，80年代初北京醫(yī)科大學(xué)周書敏首次發(fā)表了“彈性力學(xué)在口腔醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用”，論證了牙齒受力很久后應(yīng)力分布狀況，隨后又發(fā)表了牙周夾板的生物力學(xué)原理等[2]。我國對口腔生物力學(xué)的深入研究逐漸從零基礎(chǔ)數(shù)據(jù)到建立健全符合國人的口腔生物力學(xué)基礎(chǔ)性研究數(shù)據(jù)，從利用彈性力學(xué)分析、簡單的二維實驗設(shè)計和操作過渡到精準(zhǔn)的三維有限元法的廣泛應(yīng)用。

1.1 口生物力學(xué)的研究目的

口腔生物力學(xué)的研究目的：一是從力的角度良好的闡明在軟組織-牙-頜骨之間相互支持、相互作用的三維形態(tài)，進(jìn)一步清晰牙與其周圍骨組織及軟組織之間作用方式、等情況，為口腔組織解剖生理等提供了更為精細(xì)的指導(dǎo)，為基礎(chǔ)性研究人員提供了新的思路。二是為臨床實際操作問題提供可靠的依據(jù)，例如對微鈦板，種植體等作用元件與組織之間的應(yīng)力分析，提高作用元件的穩(wěn)定性以及效能，減少患者的痛苦，縮短治療時間，以期達(dá)到更好的診療效果。

1.2 口腔生物力學(xué)在國內(nèi)外發(fā)展概況

本世紀(jì)以來，國際和國內(nèi)生物力學(xué)研究領(lǐng)域最新的主要進(jìn)展和發(fā)展趨勢：一是力學(xué)生物學(xué)；二是生物力學(xué)建模分析及其臨床應(yīng)用[1]。在我國生物力學(xué)的研究領(lǐng)域中口腔生物力學(xué)研究目前正處于以軟組織—牙—頜骨復(fù)合結(jié)構(gòu)體為中心共同探討應(yīng)力—生長的關(guān)系的層面。

目前關(guān)于生物力學(xué)研究則主要體現(xiàn)在口腔頜面軟硬組織力學(xué)改建；固定義齒、可摘義齒、全口義齒生物力學(xué)；牙頜面畸形矯治生物力學(xué)；種植義齒、牙周病矯治生物力學(xué)；口腔修復(fù)材料學(xué)；口腔摩擦力學(xué)等方面。例如，Matthew C. Coombs[3]提出性別差異可導(dǎo)致顳下頜關(guān)節(jié)形態(tài)計量差異，并通過對不同組別顳下頜關(guān)節(jié)運動過程中關(guān)節(jié)及周圍肌肉韌帶等軟組織進(jìn)行生物力學(xué)分析，為TMJ的發(fā)生機(jī)制提出參考性建議。而Fabiane Maria Ferreira[4]通過有限元分析TMJ治療過程中的關(guān)節(jié)-軟組織結(jié)構(gòu)，為TMJ的治療提供可參考性的臨床數(shù)據(jù)。在關(guān)于種植義齒修復(fù)無牙頜的研究中完全無牙下頜骨所需的植體數(shù)量、植入位點、植體的應(yīng)力等一系列問題一直存在爭議。使用更多的植入物可能產(chǎn)生良好的生物力學(xué)效果，但也產(chǎn)生了較高的成本以及更為復(fù)雜的手術(shù)方案設(shè)計，Ahmed A Elsayyad等人則通過建立下頜骨無牙頜生物學(xué)模型，模擬種植修復(fù)方案并記錄種植體周圍骨產(chǎn)生的Von Mises應(yīng)力效應(yīng)探索合理的修復(fù)方式[5]。

2 口腔生物力學(xué)現(xiàn)有的研究方法概述

2.1 現(xiàn)有的口腔生物力學(xué)研究方法

自1985年，我國對于口腔生物力學(xué)的研究手段逐步實現(xiàn)多樣化。如用顯微硬度計研究牙釉質(zhì)的斷裂韌性，用光彈貼片法測量橋體受載支持組織受力狀況、激光全息光彈法、激光全息干涉法、數(shù)字圖像處理法等，關(guān)于口腔生物力學(xué)的研究方法大致被分為兩大類：實驗生物力學(xué)技術(shù)與計算生物力學(xué)技術(shù)。前者包括電測法、光彈法等，后者主要為有限元法等數(shù)學(xué)模擬方法[6]。

電測法是借助電子儀器，將實驗材料以非電量轉(zhuǎn)為電量信號，通過收集信號獲取模型數(shù)據(jù)的一種測試方法。電測法具有很高的靈敏度，它在一定程度上不受檢測環(huán)境的復(fù)雜性限制能夠準(zhǔn)確測量數(shù)據(jù)精確度很高，但無法從直觀的角度提供實驗?zāi)Ｐ偷娜惨约皯?yīng)力分布的具體狀況。

光彈法是應(yīng)用光學(xué)的基本原理，結(jié)合力學(xué)的理論通過數(shù)學(xué)工具的推演，以實驗為手段去研究結(jié)構(gòu)物中的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等力學(xué)量的一門學(xué)科。具有直觀性能夠用于分析不同形狀的復(fù)雜構(gòu)件的力學(xué)特點，是口腔生物力學(xué)研究中常用的方法。但是該方法無法得到任意位置的應(yīng)力值，同樣具有一定的局限性。而隨著三維有限元法的出現(xiàn)逐漸完善了二維層面研究的不足，它的出現(xiàn)與傳統(tǒng)的光彈法等相比其結(jié)果數(shù)值的計算更加精確[6-8]。

2.2 有限元法

有限單元法(finite element method， FEM)：是一種數(shù)學(xué)分析手段，對實驗過程中收集的數(shù)據(jù)細(xì)化到每一個單元，每一個有限元單位相互連接行成整體的幾何結(jié)構(gòu)，每個有限單元的力學(xué)特性的總和即為結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)特性。

2.3 有限元法的原理

2.3.1 建模

切片、磨片法：即利用切片機(jī)，在實體組織上獲取部分結(jié)構(gòu)，以用于數(shù)據(jù)庫的建立。但由于整個過程耗時費力且需要對取材部位生理解剖特點十分了解，該法的使用率逐漸在減少。

CT圖像建模：依賴于計算機(jī)技術(shù)的強(qiáng)大，我們僅需要對受試人群進(jìn)行CT掃描后通過計算機(jī)軟件將圖層進(jìn)行轉(zhuǎn)化并分析最終建立三維層面上的立體模型。該法因具有靈敏度高，定點準(zhǔn)確，省時省力等特點受到研究人員的好評。

CBCT圖像建模：CBCT法是基于CT法的又一次進(jìn)步，它直接利用拍攝的CT數(shù)據(jù)在電腦軟件上直接從二維圖層轉(zhuǎn)化為三維圖層，使精準(zhǔn)度得到了提高。

DICOM數(shù)據(jù)建模，基于CT拍攝的基礎(chǔ)上，將圖片保存為DICOM(醫(yī)學(xué)圖像通訊標(biāo)準(zhǔn))格式，利用相關(guān)軟件(ABAQUS)對圖片進(jìn)行單元拆分并將單元數(shù)據(jù)提取，通過有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整合并生成模型實現(xiàn)有限元的建立。

Mimics建模法：利用Materialise公司交互式醫(yī)學(xué)圖像控制系統(tǒng)通過將CT掃描圖轉(zhuǎn)化為STL格式的模型數(shù)據(jù)輸出或保存，用快速成形軟件轉(zhuǎn)化為IGS格式，利用ABAQUS軟件經(jīng)布爾運算剪切獲取模型，Mimics建模法優(yōu)點在于提高了模型的幾何精確度簡單、快速、可靠且模型可塑性強(qiáng)，可依據(jù)研究需要對模型進(jìn)行模塊化修改[6,9-14]。

2.3.2 有限元法分析FEA

首先，視被測物有限元為每一個節(jié)點為一個單元，當(dāng)節(jié)點的數(shù)量接近于無限大時，節(jié)點總和也就是各個單元的總和即為實驗?zāi)Ｐ偷恼w。

有限元法應(yīng)用過程包括以下3個主要部分：數(shù)據(jù)輸人、運算和數(shù)據(jù)輸出。有限元法求解必須提供以下己知條件：①節(jié)點數(shù)目；②各節(jié)點坐標(biāo)；③單元數(shù)目和形狀；④材料的力學(xué)性能：彈性模量(E)和泊松比(υ)；⑤邊界條件；⑥外部節(jié)點的載荷。我們應(yīng)用{K}{U}={Q}這一數(shù)學(xué)公式對模型進(jìn)行荷載力、材料屬性、模型幾何形狀邊界與約束條件進(jìn)行分析。注({K}為整個結(jié)構(gòu)的剛度矩陣，{U}為未知位移量，{Q}為載荷向量)[6]。

2.3.3 有限元法特點

有限元法最顯而易見的一個特點即為無創(chuàng)性，在實驗過程中不對實驗體進(jìn)行創(chuàng)傷性取材手段，通過CBCT等手段收集資料利用軟件模擬進(jìn)行分析，實現(xiàn)了實驗流程的簡化。其次，它具有很高的準(zhǔn)確性，同樣能夠適用于各種復(fù)雜條件的建模，并利用軟件精準(zhǔn)計算并分析。除以上兩點外，有限元法還能直接模擬我們所要研究的模型內(nèi)部的各個應(yīng)力點的應(yīng)力狀態(tài)、模型的幾何結(jié)構(gòu)等，給與我們更為直觀的實驗結(jié)果。但由于模型中軟組織的提取不易且模型運動得復(fù)雜導(dǎo)致邊界約束條件也常被簡化處理，而這些因素都會影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 正畸領(lǐng)域生物力學(xué)的研究

3.1 口腔正畸生物力學(xué)

口腔正畸的目的是將合理的矯治力作用在牙-頜骨-牙周組織這一復(fù)雜結(jié)構(gòu)體上，使擁擠、錯位的牙齒通過平移或扭轉(zhuǎn)等方式達(dá)到整體牙頜系統(tǒng)健康、平衡、穩(wěn)定、美觀且不易復(fù)發(fā)的目標(biāo)。因而口腔正畸生物力學(xué)的研究成為了研究口腔正畸矯治基礎(chǔ)和臨床研究的重要方面。而一般的口腔生物力學(xué)研究方法包括：理論應(yīng)力分析法和實驗應(yīng)力分析法兩種，其中有限元法就是一種使用較多的經(jīng)典理論應(yīng)力分析法[12]。

3.2 正畸領(lǐng)域研究進(jìn)展概述

3.2.1 不對稱矯治的口腔生物力學(xué)研究

Edsard van Steenbergen[15]等人通過對幾種不對稱性矯治案例進(jìn)行描述，采用不同的矯治計劃并將矯治效果進(jìn)行比較，來關(guān)注幾種不對稱矯治的應(yīng)用及其生物力學(xué)的分析。曾慶妍等人通過建立包括上領(lǐng)骨、上牙列、牙周膜、牙槽骨、托槽和不同深度的不對稱搖椅弓的三維非線性有限元模型，在ABAQUS軟件中進(jìn)行非線性計算方法分析計算不同深度不對稱搖椅弓((2mm， 4mm， 6mm)在矯治加力，上牙列在三維方向上的移動趨勢和牙周膜應(yīng)力變化，探討不對稱搖椅弓作用于牙列的生物力學(xué)機(jī)理[16]。

3.2.2 微種植支抗的口腔生物力學(xué)研究

鄧峰[17]通過建立含微種植體—第二雙尖牙—第一磨牙的上頜骨三維有限元模型，探究微植體—骨界面應(yīng)力分布以及探討微植體頸部的優(yōu)化設(shè)計。

霍金鳳[18]通過力學(xué)加載對鄰近拔牙創(chuàng)微種植體骨界面影響的MicroCT分析，在持續(xù)加力的4-8周，隨著時間的延長，骨小梁體積分?jǐn)?shù)(BV/TV、骨小梁數(shù)量(Tb.N、骨接觸率(BIC)均隨之增長，骨小梁分離度(Tb. Sp)逐漸減小，此時力學(xué)加載有利于微種植體一骨界面骨重建過程。

李晨曦、劉一冰等[19]應(yīng)用三維有限元法進(jìn)行比較Ⅲ類骨質(zhì)中不同愈合時間對微種植體穩(wěn)定性的影響中提出針對III類骨質(zhì)患者，應(yīng)在微型種植體愈合一段時間以增強(qiáng)種植體穩(wěn)定性，不可即刻加載；微種植體—骨界面的初始應(yīng)力主要是由過盈量產(chǎn)生的，兩者呈正相關(guān)。

3.2.3 無托槽矯治技術(shù)的生物力學(xué)研究

John Morton等[20]在對隱形矯治系統(tǒng)的性能設(shè)計中對Invisalign系統(tǒng)中使用的原則概述，Invisalign aligner采用生物力學(xué)的基本原理來控制牙齒移動。憑借這一特性，隱形矯治器方可實現(xiàn)牙齒的壓低，旋轉(zhuǎn)，傾斜，等運動。周嚀[21]通過建立3D數(shù)字化模型觀察隱形矯治擴(kuò)弓的效率、牙齒移動速率并利用CBCT進(jìn)行隱形矯治器較之前后的效果評估。

3.2.4 個性化舌側(cè)矯治技術(shù)的生物力學(xué)研究

數(shù)字化技術(shù)改變了近二十年正畸醫(yī)師的治療手段，尤其是在引進(jìn)舌側(cè)個性化矯治之后[22]。蔡留意[23]通過建立包含eBrace托槽、牙齒、牙周膜、牙槽骨、弓絲和微種植體的三維有限模型分析個體化舌側(cè)矯治器上鄰腭不同位置微種植體滑動法關(guān)閉上前牙間隙的生物力學(xué)特征，反映了一般舌側(cè)矯治力系和個體化舌側(cè)矯治獨有的矯治力學(xué)特點，為舌側(cè)矯治生物力學(xué)研究和以后的類似研究提供良好的基礎(chǔ)。

3.2.5 外科手術(shù)輔助正畸治療的生物力學(xué)研究

正如患者所期盼的那樣，正畸治療期間不僅要安全還要快速，外科輔助技術(shù)作為優(yōu)化牙齒-牙槽骨空間分配的跨學(xué)科口腔治療手段，為正畸牙加速牙齒運動帶來了便宜，例如，壓電技術(shù)，牙周膜牽張等。大量回顧性調(diào)查表示外科手術(shù)輔助正畸治療可有效減少骨的阻力，加速牙齒移動，并降低因長期受到矯治力壓迫而產(chǎn)生的根尖吸收，牙髓壞死等風(fēng)險。但由于數(shù)據(jù)顯示目前的研究進(jìn)展多集中于短時間內(nèi)的臨床效應(yīng)研究，對于長久的穩(wěn)定性以及外科手術(shù)能夠加速正畸治療的具體數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)一步研究[24-26]。

Anthony A Vargas等人也報道稱在外科手術(shù)并結(jié)合種植體可促使鄰牙發(fā)生移動，并且實現(xiàn)磨牙直立[27]。Hsin-Yu Hou等學(xué)者則從技術(shù)層面上提出一種新的三維(3D)計算機(jī)輔助壓電切割指南(CAPG) ，這樣的設(shè)計可以最大限度地減少手術(shù)并發(fā)癥的風(fēng)險，以促進(jìn)微創(chuàng)牙周加速成骨的矯治[28]?？偟膩碚f，外科手術(shù)輔助正畸治療在短時間內(nèi)確實能夠減小阻力，加快牙體移動且在大部分實驗數(shù)據(jù)都顯示對牙體周圍軟硬組織并沒有造成不可逆性損傷。

3.2.6 正畸學(xué)中牙周組織應(yīng)力的生物力學(xué)研究

黃輝祥[29]采用納米壓痕技術(shù)對牙周膜的生物力學(xué)特性的可靠性進(jìn)行測試實驗研究，通過建立牙周膜超彈性本構(gòu)模型、牙周膜纖維增強(qiáng)本構(gòu)模型、牙周膜粘彈性本構(gòu)模型、牙周膜粘-超彈性本構(gòu)模型，試描述不同的加載率對牙周膜試樣進(jìn)行壓痕實驗測試，建立基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)以支持牙周膜軟組織實驗。Zixin Li等人為探索牙周韌帶(PDL)在正畸過程中受機(jī)械力量后重塑過程，建立正畸牙-牙周膜-牙槽骨的運動模型，通過有限元分析PDL的應(yīng)力分布以及膠原纖維的重塑的特點，具體介紹了牙周組織改建的具體過程[30]。

4 正畸生物力學(xué)實驗的評估與未來

Iosif Sifakakis，Theodore Eludes[31]提出對于正畸實驗室數(shù)據(jù)能否轉(zhuǎn)化為正畸臨床應(yīng)用有待于評估并驗證，其中他們提出：1)有限元分析的可靠性取決于結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料性能、負(fù)載配置。2)對于正畸的運動評估阻力中心非常重要，阻力中心的分析應(yīng)用到FEA中。3)評估正畸作用的力和力矩，特別是轉(zhuǎn)矩量化這一方面，由于生物力學(xué)的差異性使得結(jié)果無法直接對比。4)在實驗室中研究的滑動裝置摩擦系統(tǒng)，由于不同裝置的抗滑動性不同，離體摩擦研究方案可靠性很差。5)體外實驗不能替代臨床實驗，多數(shù)離體實驗結(jié)果不應(yīng)在臨床實踐中直接推斷。

隨著數(shù)字化的發(fā)展進(jìn)程，我們對力的掌握，使得我們在口腔醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究型領(lǐng)域或臨床實驗中都獲得了很大的進(jìn)步，同時，也面臨著新的挑戰(zhàn)在現(xiàn)有的條件下學(xué)者們應(yīng)承前啟后，站在前輩們打下的夯實的基礎(chǔ)上再度開拓創(chuàng)新。