正畸領域生物力學的研究進展

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.華北理工大學口腔醫學院，河北 唐山；2.保定市婦幼保健院 口腔科，河北 保定)

0 引言

生物力學是一門利用物理力學體系來解釋生物體系中包括生理學、醫學等方面的深度交叉問題的學科。生物力學運用力的理論體系，從力的角度結合生物體的體態特征甚至是生理現象對問題進行深度分析。生物力學在我國是一門新興的學科，它的起步和發展要追溯到1979年馮元幀在國內開展的生物力學講習班，在馮元幀提出的“應力-生長”的理論指導下生物力學及其衍生的分支在國內受到了很多學者的關注并得到了大力發展[1]。生物力學的應用范圍之廣在醫學領域是無法計量的，這同樣體現在口腔生物力學的研究方面。

1 口腔生物力學的起源

我國對口腔生物力學的研究起步較晚，80年代初北京醫科大學周書敏首次發表了“彈性力學在口腔醫學中的應用”，論證了牙齒受力很久后應力分布狀況，隨后又發表了牙周夾板的生物力學原理等[2]。我國對口腔生物力學的深入研究逐漸從零基礎數據到建立健全符合國人的口腔生物力學基礎性研究數據，從利用彈性力學分析、簡單的二維實驗設計和操作過渡到精準的三維有限元法的廣泛應用。

1.1 口生物力學的研究目的

口腔生物力學的研究目的：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，進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的指導，為基礎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，例如對微鈦板，種植體等作用元件與組織之間的應力分析，提高作用元件的穩定性以及效能，減少患者的痛苦，縮短治療時間，以期達到更好的診療效果。

1.2 口腔生物力學在國內外發展概況

本世紀以來，國際和國內生物力學研究領域最新的主要進展和發展趨勢：一是力學生物學；二是生物力學建模分析及其臨床應用[1]。在我國生物力學的研究領域中口腔生物力學研究目前正處于以軟組織—牙—頜骨復合結構體為中心共同探討應力—生長的關系的層面。

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

2 口腔生物力學現有的研究方法概述

2.1 現有的口腔生物力學研究方法

自1985年，我國對于口腔生物力學的研究手段逐步實現多樣化。如用顯微硬度計研究牙釉質的斷裂韌性，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、數字圖像處理法等，關于口腔生物力學的研究方法大致被分為兩大類：實驗生物力學技術與計算生物力學技術。前者包括電測法、光彈法等，后者主要為有限元法等數學模擬方法[6]。

電測法是借助電子儀器，將實驗材料以非電量轉為電量信號，通過收集信號獲取模型數據的一種測試方法。電測法具有很高的靈敏度，它在一定程度上不受檢測環境的復雜性限制能夠準確測量數據精確度很高，但無法從直觀的角度提供實驗模型的全貌以及應力分布的具體狀況。

光彈法是應用光學的基本原理，結合力學的理論通過數學工具的推演，以實驗為手段去研究結構物中的應力、應變和位移等力學量的一門學科。具有直觀性能夠用于分析不同形狀的復雜構件的力學特點，是口腔生物力學研究中常用的方法。但是該方法無法得到任意位置的應力值，同樣具有一定的局限性。而隨著三維有限元法的出現逐漸完善了二維層面研究的不足，它的出現與傳統的光彈法等相比其結果數值的計算更加精確[6-8]。

2.2 有限元法

有限單元法(finite element method， FEM)：是一種數學分析手段，對實驗過程中收集的數據細化到每一個單元，每一個有限元單位相互連接行成整體的幾何結構，每個有限單元的力學特性的總和即為結構的整體力學特性。

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，在實體組織上獲取部分結構，以用于數據庫的建立。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：依賴于計算機技術的強大，我們僅需要對受試人群進行CT掃描后通過計算機軟件將圖層進行轉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法的又一次進步，它直接利用拍攝的CT數據在電腦軟件上直接從二維圖層轉化為三維圖層，使精準度得到了提高。

DICOM數據建模，基于CT拍攝的基礎上，將圖片保存為DICOM(醫學圖像通訊標準)格式，利用相關軟件(ABAQUS)對圖片進行單元拆分并將單元數據提取，通過有限元分析軟件進行數據整合并生成模型實現有限元的建立。

Mimics建模法：利用Materialise公司交互式醫學圖像控制系統通過將CT掃描圖轉化為STL格式的模型數據輸出或保存，用快速成形軟件轉化為IGS格式，利用ABAQUS軟件經布爾運算剪切獲取模型，Mimics建模法優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，可依據研究需要對模型進行模塊化修改[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點為一個單元，當節點的數量接近于無限大時，節點總和也就是各個單元的總和即為實驗模型的整體。

有限元法應用過程包括以下3個主要部分：數據輸人、運算和數據輸出。有限元法求解必須提供以下己知條件：①節點數目；②各節點坐標；③單元數目和形狀；④材料的力學性能：彈性模量(E)和泊松比(υ)；⑤邊界條件；⑥外部節點的載荷。我們應用{K}{U}={Q}這一數學公式對模型進行荷載力、材料屬性、模型幾何形狀邊界與約束條件進行分析。注({K}為整個結構的剛度矩陣，{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性，在實驗過程中不對實驗體進行創傷性取材手段，通過CBCT等手段收集資料利用軟件模擬進行分析，實現了實驗流程的簡化。其次，它具有很高的準確性，同樣能夠適用于各種復雜條件的建模，并利用軟件精準計算并分析。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部的各個應力點的應力狀態、模型的幾何結構等，給與我們更為直觀的實驗結果。但由于模型中軟組織的提取不易且模型運動得復雜導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果的準確性。

3 正畸領域生物力學的研究

3.1 口腔正畸生物力學

口腔正畸的目的是將合理的矯治力作用在牙-頜骨-牙周組織這一復雜結構體上，使擁擠、錯位的牙齒通過平移或扭轉等方式達到整體牙頜系統健康、平衡、穩定、美觀且不易復發的目標。因而口腔正畸生物力學的研究成為了研究口腔正畸矯治基礎和臨床研究的重要方面。而一般的口腔生物力學研究方法包括：理論應力分析法和實驗應力分析法兩種，其中有限元法就是一種使用較多的經典理論應力分析法[12]。

3.2 正畸領域研究進展概述

3.2.1 不對稱矯治的口腔生物力學研究

Edsard van Steenbergen[15]等人通過對幾種不對稱性矯治案例進行描述，采用不同的矯治計劃并將矯治效果進行比較，來關注幾種不對稱矯治的應用及其生物力學的分析。曾慶妍等人通過建立包括上領骨、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力變化，探討不對稱搖椅弓作用于牙列的生物力學機理[16]。

3.2.2 微種植支抗的口腔生物力學研究

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—骨界面應力分布以及探討微植體頸部的優化設計。

霍金鳳[18]通過力學加載對鄰近拔牙創微種植體骨界面影響的MicroCT分析，在持續加力的4-8周，隨著時間的延長，骨小梁體積分數(BV/TV、骨小梁數量(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]應用三維有限元法進行比較Ⅲ類骨質中不同愈合時間對微種植體穩定性的影響中提出針對III類骨質患者，應在微型種植體愈合一段時間以增強種植體穩定性，不可即刻加載；微種植體—骨界面的初始應力主要是由過盈量產生的，兩者呈正相關。

3.2.3 無托槽矯治技術的生物力學研究

John Morton等[20]在對隱形矯治系統的性能設計中對Invisalign系統中使用的原則概述，Invisalign aligner采用生物力學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牙齒的壓低，旋轉，傾斜，等運動。周嚀[21]通過建立3D數字化模型觀察隱形矯治擴弓的效率、牙齒移動速率并利用CBCT進行隱形矯治器較之前后的效果評估。

3.2.4 個性化舌側矯治技術的生物力學研究

數字化技術改變了近二十年正畸醫師的治療手段，尤其是在引進舌側個性化矯治之后[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矯治器上鄰腭不同位置微種植體滑動法關閉上前牙間隙的生物力學特征，反映了一般舌側矯治力系和個體化舌側矯治獨有的矯治力學特點，為舌側矯治生物力學研究和以后的類似研究提供良好的基礎。

3.2.5 外科手術輔助正畸治療的生物力學研究

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，外科輔助技術作為優化牙齒-牙槽骨空間分配的跨學科口腔治療手段，為正畸牙加速牙齒運動帶來了便宜，例如，壓電技術，牙周膜牽張等。大量回顧性調查表示外科手術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生的根尖吸收，牙髓壞死等風險。但由于數據顯示目前的研究進展多集中于短時間內的臨床效應研究，對于長久的穩定性以及外科手術能夠加速正畸治療的具體數據應進一步研究[24-26]。

Anthony A Vargas等人也報道稱在外科手術并結合種植體可促使鄰牙發生移動，并且實現磨牙直立[27]。Hsin-Yu Hou等學者則從技術層面上提出一種新的三維(3D)計算機輔助壓電切割指南(CAPG) ，這樣的設計可以最大限度地減少手術并發癥的風險，以促進微創牙周加速成骨的矯治[28]。總的來說，外科手術輔助正畸治療在短時間內確實能夠減小阻力，加快牙體移動且在大部分實驗數據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 正畸學中牙周組織應力的生物力學研究

黃輝祥[29]采用納米壓痕技術對牙周膜的生物力學特性的可靠性進行測試實驗研究，通過建立牙周膜超彈性本構模型、牙周膜纖維增強本構模型、牙周膜粘彈性本構模型、牙周膜粘-超彈性本構模型，試描述不同的加載率對牙周膜試樣進行壓痕實驗測試，建立基礎參考數據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 正畸生物力學實驗的評估與未來

Iosif Sifakakis，Theodore Eludes[31]提出對于正畸實驗室數據能否轉化為正畸臨床應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構的幾何形狀、材料性能、負載配置。2)對于正畸的運動評估阻力中心非常重要，阻力中心的分析應用到FEA中。3)評估正畸作用的力和力矩，特別是轉矩量化這一方面，由于生物力學的差異性使得結果無法直接對比。4)在實驗室中研究的滑動裝置摩擦系統，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，多數離體實驗結果不應在臨床實踐中直接推斷。

隨著數字化的發展進程，我們對力的掌握，使得我們在口腔醫學基礎研究型領域或臨床實驗中都獲得了很大的進步，同時，也面臨著新的挑戰在現有的條件下學者們應承前啟后，站在前輩們打下的夯實的基礎上再度開拓創新。