纖維樁樁核系統的仿真模擬研究概況

黃志國，李艷艷，崔喜賀，王 鋒

(1.承德石油高等專科學校 工業技術中心，河北 承德 067000;2.承德石油高等專科學校 機械工程系，河北 承德 067000)

在現代口腔醫學中，采用口腔生物材料來修復病損的組織器官的案例日益增多。口腔生物材料被列為《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》的“人口與健康”重點領域的優先發展主題。目前口腔生物材料的全球市場增長迅速，而我國口腔生物材料90%依賴進口。口腔生物材料的國內研究的滯后主要是由于口腔生物材料研究所涉及的學科領域較廣，研究難度大［1］。

1 三維數字化口腔醫療研究現狀

基于三維數字化技術的口腔醫療是國際口腔醫療的最新發展趨勢。三維數字化技術在口腔醫學上的普遍采用，不僅可以大大提高口腔診療的質量和效率，尤其適合解決我國目前口腔健康所面臨的緊迫局面。基于三維數字化工程技術口腔醫療專用技術、工藝、設備和材料［2－4］主要包括:

1)三維掃描測量技術與設備;

2)三維數字化診斷技術與裝備;

3)新型樹脂、陶瓷、金屬材料及粘接技術等;

4)口腔修復用計算機輔助設計和輔助制造(CAD/CAM)系統;

5)激光快速成型加工(RP)系統。

口腔先進診療技術及材料的國產化及產業化，可以提高口腔診療的效率和質量，降低國民就醫的成本。國內一些口腔醫學研究者［3，4］注意到了以數字化三維技術為核心的先進診療技術及先進口腔生物材料的這一發展趨勢，與工程技術領域合作，開展了一系列的相關基礎和臨床應用研究，在獲取牙體的三維數字模型、咬合關系模型的三維掃描、口腔修復體的三維CAD 理論、口腔生物材料模型的三維設計以及各類口腔修復體的數控加工取得了一定研究進展。經過多年努力，國內在某些方面已經掌握了一定的原創性技術理論，有了一定的研究開發基礎。

2 有限元分析在樁核系統研究中的應用

目前，口腔修復材料的力學性能研究已成為力學、材料、醫學和生物等眾多學科共同關注的熱點，是當今口腔學與生物材料科學的前沿課題之一。二十世紀八十年代以來，以有限元為代表的數值分析方法的發展，為生物力學研究提供了建模、分析求解和分析結果可視化等強有力的支持，已經成為口腔修復學生物力學研究的主要手段之一［5］。現在有限元數值分析方法已經廣泛地應用于口腔領域，利用有限元軟件的強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，計算不同材料，不同載荷情況下牙齒及周圍組織的應力應變分布［5－7］。

基于口腔三維數字化的纖維樁樁核系統的仿真與實驗研究是當前口腔生物材料的一個前沿研究領域，在國際上日益引起人們的關注［8］。纖維樁樁核系統的仿真與實驗研究的核心思想在于采用計算機輔助工程技術，通過計算幾何與圖像圖形學、機械與生物力學、口腔臨床醫學等學科交叉，基于國際上先進的“基于三維數字化的工程技術”口腔診療技術特點，根據口腔頜骨和牙齒解剖結構特點，結合計算機三維醫學影像處理技術，模擬和預知樁核修復效果，仿生設計和構建符合中國人特點的纖維樁黏結系統。

近年來，大量國內外學者采用有限元方法進行了樁核系統的模擬研究，取得了大量的研究成果。例如:在修復牙冠嚴重缺損的患牙時，使用較粗直徑的纖維樁可以降低牙體組織內部的應力［9］。金屬樁核由于彈性模量較高，在受到外力時不易變形，將力直接傳導到根尖部樁與根管交界處，在近根尖區易形成應力集中，而且產生應力的峰值大于纖維樁［10］。通過離體牙體外最大載荷實驗和有限元分析發現，在受到加載條件相同時，比較堅硬的預成金屬樁的抗折強度低于玻璃纖維樁。這是由于金屬樁在牙體組織內形成了較大的應力集中，在承受載荷時首先造成了牙體組織的損傷而使修復體的抗折強度較低;而與牙本質彈性模量接近的纖維樁表現了更好的機械性能［11］。通過有限元分析研究發現，樁核修復體內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，這種應力會造成粘結層斷裂繼而使樁從牙根內脫出［12］。因此，盡量使樁、粘結劑、牙本質三者的彈性模量接近而緩解應力集中，似乎可以達到理想的修復效果［13］。

有限元計算分析方法較其他傳統的實驗應力分析方法有明顯的優越性在于:有限元法能夠給出所需要的模型任意部位的應力和位移狀態;不僅能給出任意部位的數據結果，還能由計算機自動給出整體的三維圖像;一旦生物醫學模型轉化為數學力學模型，就可以反復使用同一模型進行各種載荷狀況的計算，從而保證了模型的完全相似性;由于使用了計算機手段，使得大量的數據處理變得較為容易，不管研究對象的幾何形狀、材料性質、支持條件和加載方式多么復雜，都能進行分析，并且迅速得出結果。

3 展望

隨著有限元技術的發展，計算機技術和相關醫學專業圖像軟件開發的深入，建模技術的不斷提高，計算結果與實驗結果有了較好的一致性，這些研究使人們對口腔疾病的治療效果有了越來越深入的認識，促進了口腔技術的發展［6，7］。將有限元分析方法與最優化技術結合起來，將促進口腔疾病診斷和修復計算機輔助設計的實現，使臨床治療技術躍上新臺階，給口腔科醫學臨床應用提供科學的理論依據，促進生物力學向更深入、更廣泛、更光明的前景發展。

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