根管預(yù)備順序的數(shù)據(jù)模擬優(yōu)化研究

戢曉 景鈁淇 李雅 薛晶

1.口腔疾病研究國家重點實驗室 國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院牙體牙髓病科 成都610041；2.四川大學(xué)華西臨床醫(yī)學(xué)院 成都610041

根管治療是牙髓根尖周感染性疾病的常用治療方法。據(jù)報道[1]，根管治療成功率為60%～90%。根管預(yù)備是根管治療的第一步，對根管治療的成功起著重要的作用[2]。為了提高根管治療的效果，選擇具有合適的切割和成形能力的器械非常重要。除了牙體自身的因素，器械的抗折能力（抗疲勞性）、中心定位能力、切削效率等在一定程度上也會影響根管治療效果。

雖然輕度彎曲根管（彎曲度＜10°）在臨床實踐中較多見，但中度及重度彎曲根管（彎曲度為10°～30°）是根管治療的難點。當(dāng)根管彎曲度增大，器械擴銼時形變增加，對根管壓力不均，易發(fā)生臺階、根管穿孔、根尖偏移等情況；同時由于器械在根管內(nèi)來回旋轉(zhuǎn)，反復(fù)承受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，會破壞原有內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)，使器械更易折斷[3]。

鎳鈦銼是根管治療的重要操作器械。目前，隨著銼的設(shè)計、金屬材料、馬達運轉(zhuǎn)方式等改進，鎳鈦器械的使用安全性和效率已大大提高。不同的學(xué)者也對各種影響因素作了大量的研究[4-5]。由于不同銼的設(shè)計和使用順序不同，單獨使用某種鎳鈦銼很難達到根管預(yù)備的最佳效果，部分學(xué)者[6-8]提出對于復(fù)雜根管及彎曲根管可采用混合技術(shù)，即利用各類銼的材質(zhì)和設(shè)計優(yōu)點，將其組合應(yīng)用于根管預(yù)備中，從而達到更完善的根管清理和成形的目的?；旌霞夹g(shù)的應(yīng)用在一定程度上說明了在復(fù)雜根管中器械預(yù)備順序的重要性，但目前對于復(fù)雜根管尚無指導(dǎo)性的預(yù)備策略和銼使用順序。研究[9-10]表明：根管銼的力學(xué)性能可以通過數(shù)值模擬來評估。由于根管壁可以用鎳鈦銼預(yù)備為連續(xù)直線，因此可以采用圓臺模型來模擬操作過程中根管形態(tài)的變化。本項目采用數(shù)值模擬來替代實驗室測試，利用根管銼表面積和體積的變化推測根管預(yù)備過程中所受力的改變情況，對不同順序根管銼進行評估，優(yōu)化根管預(yù)備順序，以提高根管治療成功率，并為進一步研究提供參考。

1 材料和方法

1.1 理論模型構(gòu)建

使用Excel 2016電子表格，推導(dǎo)特定直徑和錐度的銼表面積和體積計算公式，并在Excel 2016中計算不同直徑和錐度的銼表面積和體積。

根管銼的表面積及體積計算示意圖見圖1。銼可以理解為一段截斷的倒錐體或一個圓臺（圖1）；變錐度的銼則是多個高度較短的圓臺相連，其體積和側(cè)表面積為多個圓臺的和[9-10]。銼的表面積和體積計算可以參考臺體的計算公式，假設(shè)銼尖端直徑為D0，半徑為r0，銼螺紋末端的直徑為D16，半徑為r16，銼的錐度為T，銼的螺紋有效長度為H（本研究中H為16 mm），臺體斜邊長為L。將臺體延伸為圓錐體，上方小錐體高為h0，錐體斜邊長為L0，整個錐體高為h16，斜邊長為L16，銼成形表面積即為臺體展開扇環(huán)面積S，臺體體積V為整個錐體體積減小錐體體積。相應(yīng)的變量之間推導(dǎo)公式見圖2。從圖2的公式推導(dǎo)來看，只要知道銼的尖端直徑D0及錐度T，即可換算出不同銼的成形表面積S及預(yù)備體積V，導(dǎo)入Excel 2016后即可完成銼的理論模型構(gòu)建，只需輸入相應(yīng)的銼尖直徑及錐度即可得到任意銼的計算結(jié)果。

圖1 根管銼模型示意圖Fig 1 Schematic diagram of root canal file model

圖2 根管銼的成形表面積S及預(yù)備體積V的推導(dǎo)公式Fig 2 Derivation formula of the surface area(S)and volume(V)of the root canal files

1.2 現(xiàn)有產(chǎn)品根管銼評估

收集在臨床實踐中主要使用的不同品牌不同系統(tǒng)的鎳鈦銼，并檢索這些鎳鈦銼品牌的官方網(wǎng)站。各系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)見表1，包括鎳鈦銼頂端直徑、錐度以及根管預(yù)備的官方建議順序等。

表1 29個根管銼產(chǎn)品的基本信息Tab 1 Basic information of 29 products

本研究采用根管預(yù)備中根管的平均體積增長率作為比較不同系列鎳鈦銼的效率與安全性的主要指標，同時計算根管的平均表面積增長率以及體積和表面積增長率的方差。從目前已發(fā)表的研究和臨床實踐[11-12]來看，隨著根管預(yù)備后根管體積或表面積增長率的減小，根管預(yù)備工作將更加容易；因此在數(shù)值模擬中，根管預(yù)備過程中根管體積和表面積平均增長率最低的系列被認為是最優(yōu)的。

本研究使用折線圖顯示不同系統(tǒng)鎳鈦銼在根管預(yù)備中的根管體積/表面積增長情況；使用Excel 2016繪制錐度坐標圖，清晰顯示同一系統(tǒng)中不同銼的尖端直徑、錐度、工作長度和切割位點，以形象地展示根管預(yù)備順序及根管預(yù)備后的根管形態(tài)。橫坐標表示根管銼的工作長度，而縱坐標以0.00為中心垂直對稱，表示銼的直徑[10]。

1.3 數(shù)值模擬中的最佳根管預(yù)備順序

在對現(xiàn)有系統(tǒng)評估分析的基礎(chǔ)上，本研究將不同品牌、不同尺寸的鎳鈦銼合并，排列組合出根管預(yù)備的各種可能順序，探索根管預(yù)備中使用鎳鈦銼的最佳順序，以實現(xiàn)更完整的根管清潔、成形和封閉。

基于現(xiàn)有系統(tǒng)、研究文獻和臨床實踐，本研究中根管預(yù)備順序優(yōu)化方案包括3個步驟[13]。1）不銹鋼K銼初步預(yù)備：即使用ISO標準的根管銼平滑根管壁。工作長度為16 mm，錐度為0.02。本研究選擇3種型號，即#10（尖端直徑0.10 mm）、#15（尖端直徑0.15 mm）和#20（尖端直徑0.20 mm）。2）通道銼（glide path，旋轉(zhuǎn)鎳鈦根管銼針）建立光滑通道：本方案設(shè)計中包括1或2根通道銼，用于進一步預(yù)備根管，并降低成形銼的阻力。通道銼的尺寸介于K銼和成形銼之間。3）成形銼（shaping file，旋轉(zhuǎn)鎳鈦根管銼針）最終成形：設(shè)計3或4根銼，用于最終的牙根管成形。根據(jù)現(xiàn)有系統(tǒng)（尤其是經(jīng)典系統(tǒng)和新近開發(fā)的系統(tǒng)）中收集的數(shù)據(jù)，第1根成形銼確定為5種：1704（表示尖端直徑為0.17 mm且錐度為0.04，依此類推）、2004、2006、2502、2504；最后1根成形銼確定為4種：3004、3504、2506、3006。具體的數(shù)值模擬方法見圖3。

圖3 最佳根管預(yù)備順序的數(shù)值模擬方法Fig 3 Numerical simulation method of optimal root canal preparation sequence

根據(jù)上述方案設(shè)計，最終的優(yōu)化方案由4種模式組成：1根通道銼和3根成形銼（3+1），1根通道銼和4根成形銼（4+1），2根通道銼和3根成形銼（3+2），2根通道銼和4根成形銼（4+2）。在每種模式中，有3種K銼、5種第1根成形銼和4種最后1根成形銼，可以形成3×5×4=60種組合，每個組合中K銼、第1根和最后1根成形銼的尺寸固定。實際上，由于一些組合中順序較后的銼尺寸大于較前的銼，這些組合會被刪去。在Excel 2016中，每個組合構(gòu)成一張工作表，在工作表中通道銼以及在第1根銼和最后1根銼之間的鎳鈦銼的所有可能尺寸被列出，從而產(chǎn)生各種預(yù)備順序，包括現(xiàn)有系統(tǒng)中已有的和當(dāng)前實踐中被忽略的。本研究規(guī)定：后1根銼的體積必須大于前1根銼的體積，銼的錐度和尖端直徑精確到小數(shù)點后2位，所有儀器的工作長度均設(shè)置為16 mm。

根管預(yù)備順序的具體評價參考值=（參考順序的根管體積增長率平均值－該順序根管體積增長率平均值）×（參考順序的根管體積增長率方差－該順序平均根管體積方差）[14]，其中的參考順序指在同一張工作表所有可能順序中，根管體積增長率平均值最高的順序。將該參考值以降序排序，參考值最大的順序被認為是最佳順序。當(dāng)參考值相等時，計算根管表面積增長率的相對應(yīng)的參考值進行降序排序。在每種模式中，所有工作表中的最佳順序放在一張工作表中，使用相同的方法再次計算這一工作表中的最佳順序，從而得到4種模式中各自的最佳順序。折線圖用于顯示不同順序的根管體積和表面積增長率情況，錐度坐標模式圖用于形象地展示根管預(yù)備順序和預(yù)備結(jié)果。

2 結(jié)果

2.1 現(xiàn)有產(chǎn)品根管銼評估

本研究回顧了26種不同系列的根管銼信息及其推薦的根管預(yù)備順序，包括Bassi Logic、Hero Shaper、Hero 642、Hyflex CM Coltene、IRace、K3、M3 2016、M3 PRO、M3 2018、Pathfile、ProDesign Logic、ProFile、Proglider、ProTaper、ProTaper Next、ProTaper Gold、Reciproc、Reciproc Blue、R-Pilot、S3、SC、TF（R-phase）、TruNatomy、TRUShape、vTaper和Wave One。26個產(chǎn)品的基本信息見表1，包括錐度、每一根管銼的底部和頂部直徑，以及在根管預(yù)備過程中官方建議的使用順序。K銼被設(shè)置為頂部直徑分別為0.10、0.15、0.20 mm，而在包含了通道銼的預(yù)備順序中，僅加入直徑0.10 mm的K銼。

本研究結(jié)果表明：vTaper根管銼配合0.20 mm頂部直徑的K銼進行根管預(yù)備過程中，體積增長率平均值（0.172）、體積增長率方差（0.047）和表面積增長率平均值（0.081）在納入的各種產(chǎn)品中最低，在本研究的評價體系中可以認為是最佳的；以平均體積增長率為主要指標，從小到大排列第2～6位的依次為vTaper（#15 K銼）、vTaper（#10 K銼）、Hero Shaper復(fù)雜根管系列（#20 K銼）、ProTaper Gold（#20 K銼）和SC（#20 K銼）（本研究在排序時不包含通道銼）。上述6個體積增長率平均值最低品牌的具體數(shù)據(jù)見表2。體積增長率平均值最低的產(chǎn)品的體積/表面積增長折線圖見圖4。

圖4 評估后最佳根管銼排序前6的產(chǎn)品推薦預(yù)備過程中體積增長率（左）和表面積增長率（右）變化折線圖（計算時不包括僅含通道銼的產(chǎn)品）Fig 4 Line chart of the volume growth rate(left)and surface area growth rate(right)during the root canal preparation with the top six products in evaluation(the calculation didn’t includeproductscontaining only glide path)

表2 6個體積增長率平均值最低系列的體積、表面積增長率平均值與方差Tab 2 The mean and variance of volume/surface area growth rates of 6 systems with lowest average volume growth rate

2.2 數(shù)值模擬中的最佳根管預(yù)備順序

在評估過程中，筆者注意到，某些尺寸的鎳鈦銼僅屬于某些特定產(chǎn)品，因此本研究進一步組合各種尺寸鎳鈦銼以優(yōu)化根管預(yù)備過程（即鎳鈦根管銼混合預(yù)備技術(shù)），得到最佳根管預(yù)備順序。根據(jù)“材料和方法”部分敘述的步驟，本研究中4種模式下均可各自得出一種最佳預(yù)備順序：3+1模式為2002—2003—2004—2504—3004；3+2模式為2002—1803—1804—2004—2504—3004；4+1模式為2002—1703—1704—2004—2504—3004；4+2模式 為2002—1503—1703—1704—2004—2504—3004，其評價參考值見表3。最佳預(yù)備方案在根管預(yù)備過程中體積和表面積增長率的折線圖見圖5。根管預(yù)備過程的模式圖見圖6。

圖5 最佳根管預(yù)備順序的體積和表面積增長率折線圖Fig 5 Line chart of volume and surface area growth ratesof the best root canal preparation sequences

圖6 最佳根管預(yù)備順序模式圖Fig 6 Schematic diagram of thebest root canal preparation sequences

表3 最佳根管預(yù)備順序下體積、表面積增長率的平均值和方差Tab 3 The mean and variance of volume/surface area growth rates under optimal root canal preparation sequence

3 討論

根管治療中，根管系統(tǒng)達到徹底消毒和清創(chuàng)是根管預(yù)備的核心目標。因此，選擇有切割和成形能力的器械及器械之間的配合使用對提高根管治療的效率至關(guān)重要。參照既有研究[15]，本研究采用了數(shù)值模擬的方法來評估根管預(yù)備順序?qū)Ω茴A(yù)備效果的影響，初步得出了相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，以便為后續(xù)研究提供依據(jù)。

目前根據(jù)采集到的部分產(chǎn)品，根管治療采用的器械一般為K銼、通道銼、成形銼聯(lián)合使用模式。在數(shù)據(jù)模擬過程中，筆者發(fā)現(xiàn)：若無通道銼會導(dǎo)致一套銼的體積及表面積增長率及其方差過高，不利于得出銼的最佳使用順序，因此，本次數(shù)據(jù)模擬采用3種類型銼聯(lián)合使用模式。關(guān)于K銼的種類、開頭和結(jié)尾的鎳鈦銼，以及整套銼的數(shù)量，筆者結(jié)合了收集到的各個產(chǎn)品和目前臨床上的使用模式，在保證操作安全性的前提下盡可能提高根管預(yù)備效率，因此，本次數(shù)據(jù)模擬的結(jié)果對臨床操作和基礎(chǔ)實驗設(shè)計的優(yōu)化有指導(dǎo)意義。

“通道銼”或稱“通暢銼”（glide path），其預(yù)備指從根管口到根尖孔的初步敞開，形成一個光滑的、可重復(fù)的滑行通道，引導(dǎo)后續(xù)的根管成形銼（旋轉(zhuǎn)鎳鈦銼）進行根管預(yù)備[16]，提高后續(xù)預(yù)備的效率[17-18]。在彎曲根管預(yù)備中使用通道銼可減少后續(xù)大錐度鎳鈦銼的錐度鎖（taper lock）[19]，降低扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和器械分離的發(fā)生率[20]，避免出現(xiàn)根管偏移、臺階、穿孔等現(xiàn)象[21-23]，有利于后續(xù)大錐度根管銼維持根管原有解剖形態(tài)[24]，提高根管預(yù)備成功率，改善臨床預(yù)后。研究[25]發(fā)現(xiàn)，針對彎曲根管，使用通道銼后的根管形態(tài)對ProTaper Next鎳鈦銼系統(tǒng)的根管預(yù)備形態(tài)，尤其是中心定位能力有顯著影響，主要體現(xiàn)在通道銼預(yù)備的根尖段偏移量和通道銼中上段預(yù)敞情況兩方面。體外研究[26]顯示，使用PathFile系統(tǒng)創(chuàng)建滑行路徑提高了WaveOne往復(fù)銼在模擬彎曲S形根管的根尖和冠狀筆直區(qū)部分的中心定位能力，并降低了操作失誤導(dǎo)致根管形態(tài)異常的發(fā)生率。

鎳鈦機械通道銼由于彈性優(yōu)越等性能，制備光滑通道效果明顯優(yōu)于不銹鋼手動通道銼[27]。Micro-CT掃描證實，鎳鈦旋轉(zhuǎn)PathFile通道銼相比手動通道銼維持原始根管解剖結(jié)構(gòu)的能力更強，并可減少操作失誤導(dǎo)致的根管形態(tài)異常[28]。鎳鈦通道銼根管預(yù)備中從根尖擠壓出的細菌數(shù)量也較手動通道銼更少[29]。但目前有關(guān)通道銼的研究多為體外實驗，數(shù)據(jù)模擬及臨床實驗較少。在本優(yōu)化模型中將通道銼設(shè)定為鎳鈦材質(zhì)，分析結(jié)果也顯示：加入通道銼的優(yōu)化模型相較于現(xiàn)有市場多數(shù)無通道銼的系列，根管體積增長率平均值更低，通道銼在降低根管體積/表面積增長率方面具有重要作用。

在根管預(yù)備中，預(yù)備后根管體積和表面積是評估鎳鈦銼系統(tǒng)的重要指標[25,30-32]。使用鎳鈦銼系統(tǒng)進行根管預(yù)備后根管體積、表面積顯著增加[33]，但同一系統(tǒng)中的銼的尺寸增長速度應(yīng)保持較低且均勻，這樣銼的負載較低且均勻，并且不易損壞。因此根管預(yù)備中根管體積/表面積增長率的平均值越小，方差越小，順序越佳，其中體積相關(guān)指標更為重要?，F(xiàn)有的鎳鈦銼系統(tǒng)存在尺寸增長率波動幅度大的問題，這使得同一系統(tǒng)中的某些銼比其他銼磨耗更為嚴重，甚至在本研究中計算得出的6個最佳系統(tǒng)也是如此（圖4）。因此，本研究綜合考慮了根管預(yù)備過程中根管體積/表面積的增長率平均值和方差，具體評價參考值見材料和方法1.2部分。該評價標準綜合了根管體積/表面積增長率的值和波動程度，具有科學(xué)性和合理性，但仍需進一步的實驗來建立更加符合臨床實踐和鎳鈦銼性能的計算公式和評價標準。

本研究結(jié)果表明，在納入的現(xiàn)有鎳鈦銼系統(tǒng)中，vTaper的根管體積/表面積增長率的平均值和方差最低，在數(shù)值模擬這一角度上被認為是最好的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以有效減少每根銼的工作負荷，延長銼的使用壽命，提高根管治療的成功率。但是，vTaper全系統(tǒng)共有11根成形銼，盡管并非所有情況下都需要全部使用它們，但顯然操作比較復(fù)雜，實際應(yīng)用受到限制。本研究通過建立理論模型，在K銼和通道銼的輔助下，將最佳順序中成形銼的數(shù)量控制在3～4根之間，與大多數(shù)現(xiàn)有系統(tǒng)一致，最佳順序中K銼以及第一根和最后一根成形銼的選擇也與大多數(shù)現(xiàn)有系統(tǒng)相似。4種最佳順序（3+1、3+2、4+1、4+2）的主要評價指標平均根管體積增長率低于現(xiàn)有的大多數(shù)系統(tǒng)，根管體積增長率方差相較現(xiàn)有產(chǎn)品中的最佳vTaper分別降低82.20%、80.13%、62.16%和61.16%。此外，最佳順序的根管體積增長率方差以及根管表面積增長率的平均值和方差也處于較低水平。因此，可以得出的結(jié)論是：本研究計算得出的最佳預(yù)備順序?qū)ΜF(xiàn)有根管預(yù)備順序有明顯改善，可以有效減少根管銼的負荷，使同一系統(tǒng)中的負荷更加平衡，從而延長了整個根管銼系統(tǒng)的使用壽命并降低根管治療并發(fā)癥的發(fā)生概率。

在本研究的優(yōu)化模型中，多數(shù)根管銼是現(xiàn)有品牌中存在的，如1704[ProTaper Next(X1)/vTaper]、2004[ProTaper Gold/S3(1S)/SC/TruNatomy]、2504[BioRaCe 2008(BR2)/S3(2S)]、3004（Hero 642/Hyflex CM Coltene/IRace）等，因此口腔醫(yī)師在臨床實踐中可根據(jù)優(yōu)化模型組合使用各種品牌的根管銼以改進根管預(yù)備效果，體現(xiàn)了鎳鈦根管銼混合預(yù)備技術(shù)的應(yīng)用。對于優(yōu)化產(chǎn)品中部分現(xiàn)有產(chǎn)品沒有的根管銼，可通過定制等方式在體外實驗、臨床實驗中進行進一步驗證，也為根管銼品牌研發(fā)新產(chǎn)品，乃至特殊病例中根管銼的定制提供了參考。

本實驗作為數(shù)據(jù)模擬研究，在假定其他參數(shù)一致的情況下探討了根管銼錐度、直徑與預(yù)備順序?qū)Ω茴A(yù)備的影響。在整個根管成形過程中，根管銼的受力大小不僅與器械的幾何外觀相關(guān)，與器械材質(zhì)、橫截面形狀、溝槽深淺、螺距大小以及根管形態(tài)等也密切相關(guān)。鎳鈦合金具有超彈性，可以超過其屈服強度8%而在去除載荷后恢復(fù)其原始形狀[34]，相較傳統(tǒng)的不銹鋼器械不易折斷。對于橫截面，研究[35]顯示，U形三角的ProFile彎曲應(yīng)力較小，更適合彎曲根管；凸邊三角的ProTaper扭曲應(yīng)力較小，更適合狹窄細小根管的預(yù)備。橫截面積過大、較少的接觸點或大螺距都可能使根管壁應(yīng)力增高，導(dǎo)致牙本質(zhì)缺陷甚至牙根縱裂[12]。因此，本研究結(jié)論存在一定限制，需要進一步實驗驗證。

綜上所述，本實驗研究結(jié)果對臨床實踐和進一步的研究都有意義。首先，本研究從數(shù)據(jù)模擬和理論模型的角度探討了用于根管預(yù)備的器械的順序優(yōu)化，為進一步的體外實驗和臨床試驗提供了數(shù)據(jù)支持，有助于研究新的鎳鈦根管銼系統(tǒng)。其次，本研究結(jié)果為臨床醫(yī)生提供了參考，有利于提高根管治療的成功率，減少并發(fā)癥的發(fā)生。最后，如何綜合考慮根管預(yù)備中根管銼的材料、截面形狀和預(yù)備順序等因素，應(yīng)成為今后鎳鈦根管銼預(yù)備的研究方向。還需進行考慮更多實際因素的模擬實驗、體外實驗和臨床試驗，以進一步優(yōu)化根管預(yù)備順序并最終應(yīng)用于臨床實踐中。

4 結(jié)論

根據(jù)數(shù)據(jù)模擬，納入的現(xiàn)有鎳鈦銼系統(tǒng)中使用#20 K銼的vTaper系統(tǒng)的預(yù)備順序最佳，其根管體積增長率平均值、體積增長率方差和表面積增長率平均值最低?；诂F(xiàn)有產(chǎn)品，根據(jù)相關(guān)文獻和臨床實踐，本研究設(shè)計了優(yōu)化根管預(yù)備順序的理論模型，并推導(dǎo)得出了4種最佳順序：2002—2003—2004—2504—3004（3+1模式）、2002—1803—1804—2004—2504—3004（3+2模式）、2002—1703—1704—2004—2504—3004（4+1模式）和2002—1503—1703—1704—2004—2504—3004（4+2模式）。它們的根管體積/表面積增長率的值和波動幅度明顯小于大多數(shù)現(xiàn)有系統(tǒng)，這一研究結(jié)果將為后續(xù)的體外實驗?zāi)酥僚R床試驗提供基礎(chǔ)，并有助于提高根管治療的成功率。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。