目前有限元分析法在口腔生物力學的研究越來越廣泛。根管治療術是公認的治療牙髓病、根尖周病的有效方法。操作過程包括根管預備、根管消毒、根管充填。通過對牙體組織或根管係統影像學掃描、三維重建，建立三維有限元模型，模擬根管治療的過程並對其結構、形狀、載荷和材料力學性能等的應力分布進行分析，可用於分析根管治療器械應力分布，從而預防器械折斷，優化器械性能;用於評估根管治療後牙根折裂的危險因素，製定臨床操作標準;用於模擬溫度上升對牙周膜的影響，從而篩選合適的操作方法等等。現將三維有限元分析法在根管治療中的應用和研究進展進行綜述。
一、三維有限元分析法在根管預備研究中的應用
1.根管預備器械的應力分析研究
傳統根管預備器械的研究大多采用傳統實驗力學方法，近十幾年來，有限元法作為理論分析的有效手段，在根管治療器械的力學性能分析及優化設計領域逐漸得到廣泛、有效的應用。研究涉及器械的材質、類型、截麵形式等機械參數對器械效能的影響，及不同根管解剖對根管預備時器械應力分布的影響。器械不同機械參數對性能的影響：根管預備過程中，預備器械的設計、材料屬性、類型等均會影響器械的切割效果、疲勞壽命，從而引起器械的折斷。
實驗力學方法研究證實截麵形態可能是影響器械性能的重要因素，不同器械受多種參數變化的影響，若研究單一因素的作用而去除其他因素的幹擾，有限元法比實驗力學有更大的優勢。Zhang等比較10種不同截麵形態的鎳鈦銼在彎曲或扭轉時的應力分布。結果顯示相對於根管銼的錐度和號數，銼橫截麵形態對銼的應力分布的影響更大。Quartec、NRT和MTwo橫截麵形態設計在過大的扭轉力下容易發生器械折斷。采用三維有限元法可方便研究材料屬性改變對器械機械性能的影響。
Santos等采用有限元法比較合金成分變化控製記憶的鎳鈦銼(CM)與超彈性鎳鈦銼的機械性能，研究表明控製記憶的鎳鈦銼具有更好的柔韌性和潛在抗疲勞性。Montalvao等研究特殊熱處理機械加工的鎳鈦銼M-Wire合金根管治療器械，有限元法分析顯示M-Wire器械具有較小的楊氏模量可使器械柔韌性增加，能減少關鍵部位的應力集中，降低器械折斷的風險。另外，一些學者對鎳鈦器械的其他參數也做相關的研究。He等采用有限元法量化評估鎳鈦V型銼的螺旋角度、錐度和槽紋長度等對鎳鈦銼彎曲彈性和扭轉剛性的影響，提出在有限元模型上可通過修改器械的幾何參數，改善鎳鈦銼的機械性能。
器械根管預備時應力分布：根管預備過程中，器械的應力集中位置是其最可能發生折斷或疲勞裂紋初始位置，因此了解根管器械上的應力分布，采取必要措施，可降低臨床器械折斷的幾率。一方麵，根管銼在預備不同根管形態時應力變化明顯不同，大量三維有限元研究結果均表明，根管彎曲度越大、彎曲半徑越小、彎曲位置越靠近器械柄部，根管銼受到的拉壓應力越大，越容易發生器械的折斷。針對預備不同粗細的根管，Berutti等認為ProFile比ProTaper更有彈性，臨床適用於較寬根管和彎曲根管預備的後期;同樣的負載下ProTaper比ProFile應力小且分布均勻，適用於預備細小根管和彎曲根管的初期。
另一方麵，研究認為鎳鈦器械的折斷和根管預備技術有關;Blum等三維有限元研究顯示，采用逐步後退法，在相同受力條件下，根管銼將受到更大的應力，導致根管銼更容易折斷。所以冠向下預備技術可預防器械折斷的發生。Kim等認為器械殘餘應力的存在、累積會降低器械強度，增加器械折斷的風險;認為比較通用ProTaper與ProFile，ProTaper可能增加周期性疲勞的風險，潛在增加器械折斷的幾率。
有限元法是檢驗根管銼機械性能的較好方法，研究結果為設計新型根管銼提供數據支持;可用於預測根管預備過程中根管銼的拉、應力變化，預防器械折斷，有利鎳鈦器械在臨床中的安全使用。
2.根管預備對牙體組織應力的影響
根管預備程度、錐度：根管預備的目的是徹底清除根管內的感染物及根管壁表層感染牙本質，形成良好的根管錐度，有利於根管衝洗、根管充填。隨著管壁牙本質不斷被切削，根管壁橫斷麵積不斷減小，可引起牙根應力分布改變，達到一定程度將導致牙根抗折能力降低。根管預備過程中若發生器械折斷，即使成功取出折斷器械，由於去除過多的牙本質，使根管壁應力明顯增加;有限元應力雲圖可見取出前最大應力位於充填材料/牙本質界麵，取出後位於頰側根/骨界麵，易引發頰舌向的垂直根裂。
國內、外三維有限元研究顯示根管預備後錐度增大會引起根管壁應力升高，側方加載比垂直加載時根管壁產生的應力大，該變化主要出現在根中上三分之一段，這和臨床上根折的好發部位一致。因此，臨床中應根據實際根管解剖情況(根管壁厚度、彎曲度)，以徹底去除根管壁感染物為標準，將根管預備至合適程度與錐度。
根管預備方法：根管預備方式可分為手用器械預備法和機用器械預備法。機用器械比手用器械預備時會切割較多的牙本質，是否會導致根管壁應力明顯增大、牙根折斷，引人關注。
張娜等采用有限元法模擬手用和機用器械預備後根部牙體組織的應力，結果顯示機用器械預備法在根管口部位的根管側壁應力水平略高於手用器械預備組，但應力差值非常小，對牙根的整體應力水平和強度不會產生明顯的影響。更加值得關注的是，國內、外眾多學者有限元研究顯示手用不鏽鋼器械在操作時需要反複提拉，極易形成根管壁上不規則區域。不規則區域在外力作用下將產生應力集中，易導致牙根折斷;機用鎳鈦器械比手用不鏽鋼器械更能去除根管壁上的不規則區域，形成連續光滑截麵為圓形的根管。因此機用鎳鈦器械較之手用不鏽鋼器械具有更強的均勻管壁應力的作用，可減少根折的發生。
超聲蕩洗：超聲蕩洗用於根管清理方麵效果顯著，臨床應用廣泛，但蕩洗過程中根管壁應力分布的研究尚少。Tiong等采用計算機模擬方法研究不同情況下超聲蕩洗銼在模擬根管中產生的聲波壓力，發現超聲銼在20mm長、1mm寬的模擬根管中，功率為6振動時，產生的最大壓力為1.3Mpa，遠小於牙本質的最大承受範圍。冷飛等有限元研究也認為超聲蕩洗過程中，根管壁的最大應力值在牙本質的最大承受範圍之內，不會引起牙本質不可逆的形變。以上有限元研究顯示超聲銼用於根管蕩洗是安全的，但研究僅分析超聲高頻振動對根管壁的應力，省略振動導致液體產生的超聲空化強度及流體動力學對根管壁應力的影響，因此研究還有待於更加深入和完善。
3.三維有限元分析法在根管充填研究中的應用
常用根管充填方法有側方加壓充填法和垂直加壓充填法，2種方法均要在充填過程中施加一定的力量。根管充填的壓力是否會導致牙根應力過大從而引發牙折，存在疑問。許多學者研究2種方法在充填過程中根管壁的應力大小和分布。Yaman等與Telli等有限元研究顯示在垂直加壓充填和側方加壓充填時，根管牙本質的最大應力均遠小於牙本質的強度。說明垂直加壓充填或側方加壓充填的力量不太可能導致牙折，臨床上加壓充填中發生牙折可能與根管局部不規則和牙根過分彎曲等因素有關。Ricks-Williamson等提出根管預備過度導致的根管壁變薄，也會導致根管充填時根管壁較大的應力。Walton等對根管充填過程進行三維有限元分析發現，不適當的側壓充填器械也可能會造成牙根的折裂，如側壓充填器錐度過大，則可能使根管壁產生很大的應力。
另外，Telli等用三維有限元方法研究在根管壁有內吸收、穿孔或根尖周病變等不同情況下，進行熱牙膠垂直加壓時牙根應力分布的變化，結果表明在各種情況下，熟練運用牙膠充填技術，不過度加壓不太可能發生牙根折裂，牙根最大VonMises應力為5.37Mpa，遠小於文獻報道牙本質抗張強度50～100Mpa。因此，無論是垂直加壓或側方加壓根管充填，隻要規範操作、勿過度加壓，2種充填方法都是安全可行的。有限元分析法除用於根管充填過程中根管壁的應力分析，近年來還應用其研究充填過程中的熱學問題。Er等通過建立上頜尖牙的有限元模型，分析熱牙膠充填過程中牙周膜的溫度變化與分布，結果顯示牙周膜的最高溫度為43.5度，他認為在上尖牙熱牙膠充填不會對牙周組織造成潛在傷害。而Zhou等在下頜第一磨牙有限元模型上分析熱牙膠充填時，不同加熱時間在牙周膜的溫度分布，結果顯示加熱頭啟動3s牙周膜溫度就幾乎可達到47度，他建議臨床中應該小心控製加熱時間。目前研究認為根管充填，尤其充填根管壁很薄的危險區(下切牙或下磨牙近中根)時應小心控製加熱時間和每次注入的熱牙膠量，以免導致根周組織熱損傷。
二、三維有限元分析法在根管治療研究中的問題
三維有限元分析法作為理論應力的研究方法，為研究根管治療中的力學問題提供良好的實驗基礎，但其也存在著一些不足。①模型的相似性問題：口腔是一複雜、動態的生物力學環境，有限元模型構建的基礎是對研究對象幾何形態的簡化和材料力學特征的理想化。比如很多研究把牙齒及其支持組織假設為各向同性的均質彈性體，但實際上，牙齒、牙周膜、牙槽骨均為各向異性的非線性材料;尤其是牙周膜組織具有粘彈性。②模型有效性問題：模型能否反映模擬對象的力學特征，或在多大程度上可實現合理模擬，需對有限元模型的有效性進行驗證。在口腔領域，大部分學者忽略有限元模型的有效性驗證。其原因可能是難以對人的在位牙進行力學實驗;而在離體牙進行實驗驗證的意義存在爭議。有效性驗證的方法上尚需要進一步探索研究。
綜上所述，三維有限元分析法是研究根管治療中的相關問題的有力工具，可用於優化根管預備器械、改進治療方法、預防器械折斷;用於分析根管預備和根管充填中的應力分布，從而預防牙根的折裂。隨著計算機、工程軟件技術、材料力學的不斷發展，三維有限元分析法將不斷改進，有望提供更準確可靠的生物力學平台，更好地解決臨床實際問題。
來源：北京口腔醫學2016年第24卷第5期
