王 曉，田 宇，倪龍興，王藝蓉，王 丹，李 芬，王 建

根管治療術(shù)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(zhǎng)期留存率仍是目前臨床醫(yī)師面臨的巨大挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)報(bào)道ETT中有13.4% 的比例因出現(xiàn)縱折被拔除[1]，而有證據(jù)顯示牙根強(qiáng)度主要與齲損或根管治療中根管入路及根管預(yù)備導(dǎo)致的牙體結(jié)構(gòu)喪失相關(guān)[2]。

為增強(qiáng)牙齒抗力、提高根管治療后牙齒的長(zhǎng)期保留率，Gutman等學(xué)者提出了微創(chuàng)牙髓病學(xué)(minimally invasive endodontics,MIE)[3-4]的理念。MIE理念包含多方面內(nèi)容，如保留更多牙體組織、減少消毒藥物對(duì)牙本質(zhì)損傷、減少根管預(yù)備導(dǎo)致的牙本質(zhì)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(xué)者認(rèn)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(shè)計(jì)方式[5]。

過(guò)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(xiàn)器械分離及便利操作，而直線通路建立過(guò)程中大量頸周牙本質(zhì)(pericervical dentin， PCD)被去除。頸周牙本質(zhì)[7]是指釉牙骨質(zhì)界上下各4 mm的范圍之間的牙本質(zhì)結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為在根管治療后的牙齒分散咬合應(yīng)力中起到重要作用。

隨著近年來(lái)牙髓病學(xué)的發(fā)展，牙科材料及器械的進(jìn)步，根管治療理念的逐漸變化[8-9]，保留更多PCD及髓室頂結(jié)構(gòu)成為可能。隨著關(guān)于MIE的臨床病例報(bào)道逐漸增多，不斷有臨床醫(yī)師提出不同的根管通路建立方式，其中臨床應(yīng)用及研究報(bào)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(shù)前依據(jù)CBCT設(shè)計(jì)出開(kāi)髓孔大致位置，在牙合面中央開(kāi)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?shù)囊环N根管通路建立方式。

下頜第一磨牙是進(jìn)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(guān)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(jiàn)。本文利用三維有限元分析的方式來(lái)評(píng)估不同根管通路建立方式對(duì)根管治療后下頜第一磨牙應(yīng)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(guò)程

選取因牙周病拔除的完整無(wú)齲壞或缺損的輕度磨耗的下頜第一磨牙標(biāo)本，使用Y.Cheetah(Y.Cheetah，德國(guó))Micro-CT以100 μm的分辨率進(jìn)行掃描。采用Micro-CT相應(yīng)圖像數(shù)據(jù)處理軟件(VG Studio MAX 3.0，德國(guó))將影像數(shù)據(jù)保存為DICOM格式后，通過(guò)交互式醫(yī)學(xué)影像處理軟件(MIMICS 19.0;Materialise,Leuven,比利時(shí))進(jìn)行圖像處理，增強(qiáng)灰度閾值以區(qū)分牙釉質(zhì)與牙本質(zhì)，并將結(jié)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(guó)北卡羅來(lái)納)進(jìn)行進(jìn)一步圖像修整，生成與真實(shí)結(jié)構(gòu)具有高度幾何相似性的三維結(jié)構(gòu)圖，再使用軟件Heperwork14.0進(jìn)行網(wǎng)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(lèi)型為四面體單元格，建立節(jié)點(diǎn)數(shù)為73 641～87 638，單元格數(shù)量為439 084～501 759。完整天然牙網(wǎng)格劃分模型見(jiàn)圖1。將劃分好的有限元網(wǎng)格模型模擬施加設(shè)計(jì)的應(yīng)力，生成可計(jì)算的模型文件，最后使用Hyperwork組件進(jìn)行結(jié)果處理，得出數(shù)據(jù)和云圖。

圖1 完整天然牙有限元模型

1.2 開(kāi)髓洞型設(shè)計(jì)、根充及修復(fù)方法

將牙齒結(jié)構(gòu)分為牙本質(zhì)、牙釉質(zhì)。共設(shè)計(jì)了4種根管通路預(yù)備模型(圖2)：A組，完整天然牙模型；B組，緊湊型根管通路預(yù)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(yù)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(yù)備方式的牙齒。使用手用器械確定初尖銼，增加3個(gè)器械號(hào)確定為主尖銼，利用MIMICS軟件通過(guò)布式運(yùn)算模擬根管預(yù)備(近頰根及近舌根預(yù)備至#25、04錐度，遠(yuǎn)中根預(yù)備至#40、06錐度)。預(yù)備后的根管模擬牙膠充填至根管口下2 mm處。因開(kāi)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(dòng)樹(shù)脂充填至髓室頂，其余部分使用固體樹(shù)脂充填。

圖2 不同根管通路預(yù)備方式模型

1.3 模型的假設(shè)條件與材料參數(shù)

組織及材料的屬性參數(shù)見(jiàn)表1(彈性模量，泊松比)，與以往研究相同，將牙齒結(jié)構(gòu)及材料假定為具有連續(xù)、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(duì)應(yīng)力傳導(dǎo)無(wú)明顯影響，設(shè)計(jì)為殼結(jié)構(gòu)，牙骨質(zhì)較薄且與牙本質(zhì)界限難以區(qū)分，故以牙本質(zhì)考慮。

表1 組織及材料的屬性[5,12-14]

在有限元模型中各結(jié)構(gòu)的接觸設(shè)定如下：復(fù)合樹(shù)脂-粘接劑，流動(dòng)樹(shù)脂-復(fù)合樹(shù)脂，復(fù)合樹(shù)脂-粘接劑，粘接劑-牙本質(zhì)，粘接劑-牙釉質(zhì)，流動(dòng)樹(shù)脂-粘接劑，釉質(zhì)-牙本質(zhì)，牙本質(zhì)-牙髓或牙膠，牙本質(zhì)-牙周膜，牙周膜-皮質(zhì)骨，牙周膜-松質(zhì)骨，松質(zhì)骨-皮質(zhì)骨。

1.4 模擬施加應(yīng)力的方式

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

圖3 應(yīng)力加載方式示意圖

1.5 觀察指標(biāo)

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

2 結(jié) 果

2.1 計(jì)算分析

采用Hyperwork有限元分析軟件組件分析上述四種應(yīng)力下4種模型牙體組織的最大Von Mises應(yīng)力值,見(jiàn)表2。

表2 下頜第一磨牙牙體最大Von Mises應(yīng)力

2.2 牙體應(yīng)力峰值水平

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

圖4 下頜第一磨牙牙體最大Von Mise應(yīng)力

2.3 牙體組織整體應(yīng)力分布特點(diǎn)及最大應(yīng)力區(qū)域

牙體表面應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖5。牙體表面應(yīng)力分布特點(diǎn)如下：①4組模型最大咬合應(yīng)力集中區(qū)域均為應(yīng)力加載點(diǎn)附近，應(yīng)力向外成環(huán)狀降低。②除應(yīng)力加載點(diǎn)外的應(yīng)力集中區(qū)域基本位于PCD部分,各截面最大應(yīng)力主要集中在釉質(zhì)層。③實(shí)驗(yàn)組中受垂直向載荷情況下，緊湊型開(kāi)髓方式最大應(yīng)力峰值最小，而受水平向應(yīng)力情況下緊湊型開(kāi)髓方式最大應(yīng)力峰值比其余2組稍大。④傳統(tǒng)型開(kāi)髓不建立直線通路方式在施加載荷時(shí)與建立直線通路模型應(yīng)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(shí)，不建立直線通路模型釉牙骨質(zhì)界以下的應(yīng)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(shí)Von Mise應(yīng)力集中區(qū)在舌側(cè)，此組云圖為舌向觀，其余云圖為頰向觀。應(yīng)力值由藍(lán)色向紅色逐漸增大

3 討 論

MIE理念目前越來(lái)越多地應(yīng)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(qiáng)牙齒抗折裂能力還有待進(jìn)一步研究。

Silva等[11]將有關(guān) CECs 對(duì)牙齒抗折強(qiáng)度影響的體外研究做一系統(tǒng)綜述，發(fā)現(xiàn)總體來(lái)說(shuō),沒(méi)有證據(jù)支持CECs在提高牙齒抗折性能方面優(yōu)于傳統(tǒng)髓腔預(yù)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(duì)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(xiàn)多是采用前磨牙、前磨牙與磨牙混合分組進(jìn)行的體外實(shí)驗(yàn)。其后有學(xué)者通過(guò)離體磨牙實(shí)驗(yàn)表明采用TECs方式根管治療后的牙本質(zhì)厚度明顯減少，抗折裂能力下降[16]。另有離體牙實(shí)驗(yàn)指出雖然CECs方式無(wú)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(fù)[17]。不同有關(guān)MIE對(duì)ETT抗折能力影響的離體牙實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在矛盾，其原因可能也與實(shí)驗(yàn)中施加應(yīng)力的方式和方向不同有關(guān)。但當(dāng)前何種體外實(shí)驗(yàn)施加應(yīng)力方式更符合生理?xiàng)l件尚無(wú)定論，有待于進(jìn)一步臨床研究。由此可見(jiàn)，對(duì)于CECs能提高ETT抗折能力的結(jié)論還存在一定爭(zhēng)議。

有限元分析法(finite element analysis, FEA)作為生物力學(xué)分析中的一種重要方法，與體內(nèi)和體外研究方法相比,被認(rèn)為是一種快速、準(zhǔn)確、可靠的替代方法[18]。FEA在牙髓病學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用已十分廣泛，如應(yīng)用于開(kāi)髓、根管預(yù)備、根管充填、根尖手術(shù)等方面。FEA能減少樣本量需求，排除人為因素及個(gè)體差異等實(shí)驗(yàn)干擾因素，其在MIE研究領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)采用 Micro-CT 掃描離體牙，Mimics、Geomagic逆向工程軟件建立實(shí)體模型，Hyperwork軟件建立了下頜第一磨牙不同髓腔通路預(yù)備方式的高精度三維有限元模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分研究應(yīng)力分布。

本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示天然牙的總體抗折能力最強(qiáng)。當(dāng)垂直向應(yīng)力與非垂直向應(yīng)力作用于CECs與傳統(tǒng)開(kāi)髓模型時(shí)得到的結(jié)果不同。當(dāng)施加垂直向咬合力于CECs治療后的下頜第一磨牙模型時(shí)，其最大Von Mises應(yīng)力值與整體應(yīng)力水平均低于兩種傳統(tǒng)開(kāi)髓方式模型,當(dāng)施加非垂直向咬合力時(shí)，最大Von Mises應(yīng)力值與兩種傳統(tǒng)開(kāi)髓模型比較無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)?？傮w來(lái)說(shuō)CECs相較其余兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組抗折裂能力較強(qiáng)。

CECs與傳統(tǒng)開(kāi)髓不建立直線通路的髓腔預(yù)備方式的Von Mises應(yīng)力峰值相近，僅在受最大咬合力時(shí)差別較明顯。雖然不建立直線通路模型在根部及冠部的應(yīng)力分布相對(duì)整體偏高但相差的絕對(duì)值并不大、且受力較為均衡。因此我們有理由認(rèn)為雖然CECs保留了更多的髓室頂結(jié)構(gòu)，但牙齒對(duì)日常咀嚼力的整體抗力可能相差不大。不過(guò)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(yīng)力相對(duì)較小，因此相較傳統(tǒng)開(kāi)髓方式，CECs方式頸部及根部出現(xiàn)折裂的可能更小，這可能有利于ETT的長(zhǎng)期保留。

傳統(tǒng)開(kāi)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(zhì)界上方近牙頸部應(yīng)力減小，但下方的應(yīng)力分布稍增大，由此可證明PCD的保留使應(yīng)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(shí)應(yīng)力峰值更高，但此時(shí)應(yīng)力峰值位于咬合面的應(yīng)力加載點(diǎn)附近，而頸部應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力水平相差不大，因此折裂可能更容易出現(xiàn)在牙冠上部。建立直線通路模型受斜向咀嚼力時(shí)應(yīng)力峰值明顯增大，且應(yīng)力集中區(qū)位于牙頸部。而建立直線通路的過(guò)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(shí)更易在頸部折裂。因此雖然尚不能說(shuō)傳統(tǒng)開(kāi)髓不建立直線通路的方式較建立直線通路方式進(jìn)行根管治療后的牙齒總體抗力更強(qiáng)，但PCD的保留可能使牙齒即使折裂也易于再次修復(fù)，從而提升牙齒長(zhǎng)期留存率。這與之前的體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似[19]。

應(yīng)用FEA對(duì)牙齒在咬合過(guò)程中的生物力學(xué)特性進(jìn)行研究具有很好的參考意義，但其仍具有局限性。本實(shí)驗(yàn)采用靜力學(xué)載荷模擬，無(wú)法模擬動(dòng)態(tài)變化，溫度變化以及疲勞循環(huán)，計(jì)算機(jī)模擬下的體外研究無(wú)法完全復(fù)制臨床生理?xiàng)l件，其測(cè)算結(jié)果仍需輔以臨床評(píng)價(jià)。