不同根管通路建立方式對根管治療后的下頜第一磨牙應力分布的影響

王 曉，田 宇，倪龍興，王藝蓉，王 丹，李 芬，王 建

根管治療術是牙髓病目前最主要也是最有效的治療方式，但如何提高根管治療后的牙齒(endodontics treated tooth,ETT)的長期留存率仍是目前臨床醫師面臨的巨大挑戰。文獻報道ETT中有13.4% 的比例因出現縱折被拔除[1]，而有證據顯示牙根強度主要與齲損或根管治療中根管入路及根管預備導致的牙體結構喪失相關[2]。

為增強牙齒抗力、提高根管治療后牙齒的長期保留率，Gutman等學者提出了微創牙髓病學(minimally invasive endodontics,MIE)[3-4]的理念。MIE理念包含多方面內容，如保留更多牙體組織、減少消毒藥物對牙本質損傷、減少根管預備導致的牙本質微裂等。根管通路建立方式在MIE中起到十分重要的作用，甚至有學者認為MIE可看作是盡可能保留更多牙體硬組織的一種根管通路設計方式[5]。

過去幾十年的根管治療提倡建立直線通路[6]，以獲得良好的視野，防止出現器械分離及便利操作，而直線通路建立過程中大量頸周牙本質(pericervical dentin， PCD)被去除。頸周牙本質[7]是指釉牙骨質界上下各4 mm的范圍之間的牙本質結構，被認為在根管治療后的牙齒分散咬合應力中起到重要作用。

隨著近年來牙髓病學的發展，牙科材料及器械的進步，根管治療理念的逐漸變化[8-9]，保留更多PCD及髓室頂結構成為可能。隨著關于MIE的臨床病例報道逐漸增多，不斷有臨床醫師提出不同的根管通路建立方式，其中臨床應用及研究報道最多的是緊湊型根管通路建立方式(contracted endodo-ntic cavities, CECs)[10]。CECs是術前依據CBCT設計出開髓孔大致位置，在牙合面中央開一小孔，在確保能完全定位所有根管口的情況下盡量保留髓室頂的一種根管通路建立方式。

下頜第一磨牙是進行根管治療的患牙中比例最高，也是在根管治療后的牙齒中被拔除的比例最高的牙齒[11]。但關于根管治療中下頜第一磨牙采用何種根管通路建立方式能更好提高牙齒抗折能力的研究仍不多見。本文利用三維有限元分析的方式來評估不同根管通路建立方式對根管治療后下頜第一磨牙應力分布的影響以及PCD的作用。

1 材料與方法

1.1 三維有限元模型建立過程

選取因牙周病拔除的完整無齲壞或缺損的輕度磨耗的下頜第一磨牙標本，使用Y.Cheetah(Y.Cheetah，德國)Micro-CT以100 μm的分辨率進行掃描。采用Micro-CT相應圖像數據處理軟件(VG Studio MAX 3.0，德國)將影像數據保存為DICOM格式后，通過交互式醫學影像處理軟件(MIMICS 19.0;Materialise,Leuven,比利時)進行圖像處理，增強灰度閾值以區分牙釉質與牙本質，并將結果輸出為STL文件。使用逆向工程軟件(Geomagic Studio 10; Geomagic, Inc, Research Triangle Park, 美國北卡羅來納)進行進一步圖像修整，生成與真實結構具有高度幾何相似性的三維結構圖，再使用軟件Heperwork14.0進行網格劃分，建立下頜第一磨牙的三維有限元模型。模型采用單元類型為四面體單元格，建立節點數為73 641～87 638，單元格數量為439 084～501 759。完整天然牙網格劃分模型見圖1。將劃分好的有限元網格模型模擬施加設計的應力，生成可計算的模型文件，最后使用Hyperwork組件進行結果處理，得出數據和云圖。

圖1 完整天然牙有限元模型

1.2 開髓洞型設計、根充及修復方法

將牙齒結構分為牙本質、牙釉質。共設計了4種根管通路預備模型(圖2)：A組，完整天然牙模型；B組，緊湊型根管通路預備方式的牙齒模型；C組，完全去除髓室頂、不建立直線通路根管通路預備方式的牙齒模型；D組，完全去除髓室頂、建立直線根管通路預備方式的牙齒。使用手用器械確定初尖銼，增加3個器械號確定為主尖銼，利用MIMICS軟件通過布式運算模擬根管預備(近頰根及近舌根預備至#25、04錐度，遠中根預備至#40、06錐度)。預備后的根管模擬牙膠充填至根管口下2 mm處。因開髓洞型較小，為保證光固化深度，模型2、3、4根管治療后模擬采用3M ESPE-Filtek Bulk-Fill Flowable及3M ESPE-Filtek Bulk-Fill Posterior Restorative充填。流動樹脂充填至髓室頂，其余部分使用固體樹脂充填。

圖2 不同根管通路預備方式模型

1.3 模型的假設條件與材料參數

組織及材料的屬性參數見表1(彈性模量，泊松比)，與以往研究相同，將牙齒結構及材料假定為具有連續、均勻、線性、彈性、各向同性。通用粘接劑厚度為0.04 mm，牙周膜厚度為0.25 mm[12]。因粘接劑厚度較小，對應力傳導無明顯影響，設計為殼結構，牙骨質較薄且與牙本質界限難以區分，故以牙本質考慮。

表1 組織及材料的屬性[5,12-14]

在有限元模型中各結構的接觸設定如下：復合樹脂-粘接劑，流動樹脂-復合樹脂，復合樹脂-粘接劑，粘接劑-牙本質，粘接劑-牙釉質，流動樹脂-粘接劑，釉質-牙本質，牙本質-牙髓或牙膠，牙本質-牙周膜，牙周膜-皮質骨，牙周膜-松質骨，松質骨-皮質骨。

1.4 模擬施加應力的方式

向咬合面按照以下方式加力[15](示意圖見圖3)：①在位于咬合面的8個點上施加與咬合面垂直的共計600 N的持續靜力以模擬最大咬合力。②在位于雙頰尖與遠中尖的3個點上分別施加與咬合面垂直、平行以及成45°夾角的共計225 N持續靜力以模擬日常咀嚼力。

圖3 應力加載方式示意圖

1.5 觀察指標

本實驗主要研究不同根管預備通路及PCD對應力分布的影響，主要觀察頸部及根部的應力分布，因此本實驗為了更直觀顯示牙頸部及根部組織的應力分布，分別選擇牙體表面、釉牙骨質界(cemento-enamel, CEJ)截面及髓室底截面的應力分布云圖作為觀察指標。以A組作為對照組，其余3組作實驗組；比較不同根管預備通路根管治療后牙體組織VM應力的峰值變化。

2 結 果

2.1 計算分析

采用Hyperwork有限元分析軟件組件分析上述四種應力下4種模型牙體組織的最大Von Mises應力值,見表2。

表2 下頜第一磨牙牙體最大Von Mises應力

2.2 牙體應力峰值水平

見圖4。受垂直向咀嚼力時應力峰值為：C組>D組>B組>A組，受水平向咀嚼力時應力峰值為B組>A組>C組>D組，受45°斜向咀嚼力時的應力峰值為：D組>B組>C組>A組，受最大咬合力時的應力峰值為：C組>D組>A組>B組。前3組應力峰值水平整體相差不大，但傳統型開髓不建立直線通路模型受最大咬合力時以及緊湊型開髓方式模型受水平向咀嚼力時最大應力峰值增加較多。而傳統型開髓建立直線通路模型受斜向咀嚼力時應力峰值明顯增加。

圖4 下頜第一磨牙牙體最大Von Mise應力

2.3 牙體組織整體應力分布特點及最大應力區域

牙體表面應力分布云圖見圖5。牙體表面應力分布特點如下：①4組模型最大咬合應力集中區域均為應力加載點附近，應力向外成環狀降低。②除應力加載點外的應力集中區域基本位于PCD部分,各截面最大應力主要集中在釉質層。③實驗組中受垂直向載荷情況下，緊湊型開髓方式最大應力峰值最小，而受水平向應力情況下緊湊型開髓方式最大應力峰值比其余2組稍大。④傳統型開髓不建立直線通路方式在施加載荷時與建立直線通路模型應力分布的方式大體相似，但受到水平咀嚼力及最大咬合力時，不建立直線通路模型釉牙骨質界以下的應力的分布更大。

(a):載荷為垂直向咀嚼力;(b):載荷為水平向咀嚼力;(c):載荷為斜向咀嚼力;(d):載荷為最大咬合力。因受斜向載荷時Von Mise應力集中區在舌側，此組云圖為舌向觀，其余云圖為頰向觀。應力值由藍色向紅色逐漸增大

3 討 論

MIE理念目前越來越多地應用于牙髓病及根尖周病的治療中。但何種根管通路建立方式能更好地增強牙齒抗折裂能力還有待進一步研究。

Silva等[11]將有關 CECs 對牙齒抗折強度影響的體外研究做一系統綜述，發現總體來說,沒有證據支持CECs在提高牙齒抗折性能方面優于傳統髓腔預備通路(traditional endodontic cavities， TECs)。MIE理念的提出最早主要是為提高磨牙抗力，對其余牙齒的抗力提升可能較弱[3-4]，但完整離體磨牙收集較為困難，故既往文獻多是采用前磨牙、前磨牙與磨牙混合分組進行的體外實驗。其后有學者通過離體磨牙實驗表明采用TECs方式根管治療后的牙本質厚度明顯減少，抗折裂能力下降[16]。另有離體牙實驗指出雖然CECs方式無法提高根管治療后牙齒的抗折能力，但其斷裂方式更有利于牙齒的保留及后期的修復[17]。不同有關MIE對ETT抗折能力影響的離體牙實驗結果存在矛盾，其原因可能也與實驗中施加應力的方式和方向不同有關。但當前何種體外實驗施加應力方式更符合生理條件尚無定論，有待于進一步臨床研究。由此可見，對于CECs能提高ETT抗折能力的結論還存在一定爭議。

有限元分析法(finite element analysis, FEA)作為生物力學分析中的一種重要方法，與體內和體外研究方法相比,被認為是一種快速、準確、可靠的替代方法[18]。FEA在牙髓病學領域的應用已十分廣泛，如應用于開髓、根管預備、根管充填、根尖手術等方面。FEA能減少樣本量需求，排除人為因素及個體差異等實驗干擾因素，其在MIE研究領域具有較好的應用前景。

本實驗通過采用 Micro-CT 掃描離體牙，Mimics、Geomagic逆向工程軟件建立實體模型，Hyperwork軟件建立了下頜第一磨牙不同髓腔通路預備方式的高精度三維有限元模型，并進行網格劃分研究應力分布。

本實驗的結果顯示天然牙的總體抗折能力最強。當垂直向應力與非垂直向應力作用于CECs與傳統開髓模型時得到的結果不同。當施加垂直向咬合力于CECs治療后的下頜第一磨牙模型時，其最大Von Mises應力值與整體應力水平均低于兩種傳統開髓方式模型,當施加非垂直向咬合力時，最大Von Mises應力值與兩種傳統開髓模型比較無明顯優勢。總體來說CECs相較其余兩個實驗組抗折裂能力較強。

CECs與傳統開髓不建立直線通路的髓腔預備方式的Von Mises應力峰值相近，僅在受最大咬合力時差別較明顯。雖然不建立直線通路模型在根部及冠部的應力分布相對整體偏高但相差的絕對值并不大、且受力較為均衡。因此我們有理由認為雖然CECs保留了更多的髓室頂結構，但牙齒對日常咀嚼力的整體抗力可能相差不大。不過由于采用CECs方式根管治療后的牙齒在載荷作用下分布在頸部及根部的應力相對較小，因此相較傳統開髓方式，CECs方式頸部及根部出現折裂的可能更小，這可能有利于ETT的長期保留。

傳統開髓不建立直線通路方式模型在載荷作用下，與建立直線通路模型比較，釉牙骨質界上方近牙頸部應力減小，但下方的應力分布稍增大，由此可證明PCD的保留使應力能更好地向牙根傳遞。不建立直線通路模型在受最大咬合力時應力峰值更高，但此時應力峰值位于咬合面的應力加載點附近，而頸部應力集中區的應力水平相差不大，因此折裂可能更容易出現在牙冠上部。建立直線通路模型受斜向咀嚼力時應力峰值明顯增大，且應力集中區位于牙頸部。而建立直線通路的過程中頸部大量的PCD被切削，因此建立直線通路使根管治療后的牙齒受斜向咀嚼力時更易在頸部折裂。因此雖然尚不能說傳統開髓不建立直線通路的方式較建立直線通路方式進行根管治療后的牙齒總體抗力更強，但PCD的保留可能使牙齒即使折裂也易于再次修復，從而提升牙齒長期留存率。這與之前的體外實驗結果相似[19]。

應用FEA對牙齒在咬合過程中的生物力學特性進行研究具有很好的參考意義，但其仍具有局限性。本實驗采用靜力學載荷模擬，無法模擬動態變化，溫度變化以及疲勞循環，計算機模擬下的體外研究無法完全復制臨床生理條件，其測算結果仍需輔以臨床評價。