三維有限元分析法在三種不同根管器械預備彎曲
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【摘要】 三維有限元分析法是研究口腔生物力學的重要手段之一，近年來在口腔醫(yī)學應力研究中的應用中越來越廣泛，本文就其在三種不同器械預備彎曲根管中的應用和進展作一綜述。
【關鍵詞】 三維有限元分析法 根管預備 應力分析
【Abstract】 The three-dimensional finite element method is one of the most important methods in the study of oral biomechanics,Used more and more widely in the research of oral medicine stress,This review was represented on the application and research of three-dimensional finite element method incurved root canal preparation by Three kinds of instrument.
【Key words】 three-dimensional finite element method root canal preparation stress analysis
目前臨床上使用的根管預備器械種類較多，手用不銹鋼器械在彎曲根管預備過程中易出現(xiàn)喪失工作長度，根尖敞開，肘部形成以及根管偏移等問題，鎳鈦器械雖然具有效率高，成形效果好等優(yōu)點，但其韌性一旦下降，易發(fā)生器械分離，因此預備彎曲根管就成為臨床工作當中的一大難點，實驗研究[1]表明，在根管預備過程中，器械的截面屬性，錐度和器械材料屬性等是導致器械分離的重要影響因素。為了臨床上彎曲根管預備時器械的正確選擇，本文就對三維有限元分析法在K銼、 ProTaper和ProFile三種器械預備彎曲根管中的應用和進展作一綜述。
1 手用不銹鋼根管預備器械主要包括K銼、H銼及改良設計銼，由于K銼的切削能力較強、成形能力較好及成本低的優(yōu)點，故成為臨床應用最廣泛的根管預備器械。張娜等[2]建立了三維有限元模型分析根管錐度變化對牙體組織應力分布的影響后發(fā)現(xiàn)，不同器械預備根管時對根管壁受力有不同影響， 35號K 型銼預備根管時根管壁所受的應力相對最小，這樣就減小了根管內的應力集中，從而減小預備后根管根折的可能性。Lam等人[3]使用K銼、鎳鈦LS器械及鎳鈦GT銼對根管進行預備，完成預備及充填后進行牙齒的折裂載荷測試，最終結果顯示K銼預備牙齒折裂所需載荷最大，這與張娜等的研究結果一致。不銹鋼銼常見的受力模式是順螺紋和逆螺紋扭轉，袁理等[4]構建20#不銹鋼K銼的三維有限元模型表明， 在這兩種狀態(tài)下， 根管銼應力集中的部位不同，逆螺紋扭轉時， 應力集中于相鄰兩切割刃之間的溝槽內， 即根管銼核心部分的表面， 而順螺紋扭轉時，應力集中于薄弱的切割刃口上。在施力位置、 力值和約束位置均相同的情況下， 順螺紋扭轉比逆螺紋 扭轉產生的拉、 壓應力值更大， 因此切割刃更容易成為疲勞原點， 即順螺紋扭轉更容易引起折斷， 與多數學者觀點一致。不銹鋼 K銼在臨床應用中應盡量避免順螺紋扭轉， 或者在順螺紋扭轉時應注意使用較輕的力量， 以減少切割刃部位的應力集中， 進而減少器械變形損傷。臨床上通常用標準法預備，在根管粗大較直的情況下采用比較適合，若根管細小且有彎曲，可能出現(xiàn)根尖偏移等情況[5]研究證明，無論何種類型的不銹鋼器械在彎曲根管的預備過程中，因其本身具有較大的鋼性，隨著器械號碼的增大，柔韌性減小，可發(fā)生根管拉直、根管偏移和根尖止點消失等并發(fā)癥[6]。. 有研究認為，K銼對根尖1/3段清理不夠，尤其在彎曲根管的預備時，而且器械的號碼越大，出現(xiàn)斷針，根管偏移等并發(fā)癥的概率越大［7］，故臨床中應盡量減少應用不銹鋼器械預備中重度彎曲根管。
2 ProTaper銼是一種新型非ISO器械，由三根成形銼( Sx ,S1, S2) 和三根修形銼( F1, F2, F3) 組成。ProTaper銼的橫截面為凸三角形，切削力較強，Xu [8]用有限元法探討了六種鎳鈦根管器械不同截面積之扭力情況，研究證實凸面形和螺旋三角橫斷面器械抗力矩最強，尖端是有部分切削能力的引導性尖，可以引導器械沿著根管形態(tài)順勢進入，防止過量切削牙本質壁，ProTaper刃部的錐度是多樣化、可變的，為逐漸增加的錐度，該設計認為在預備根管時能較好地保持根管的初始解剖形態(tài)，而刃部末端錐度和直徑增大，可以敞開根管口和根管上段[9]，減小彎曲度。ProTaper鎳鈦銼采用了鎳鈦材質，其物理特點具備更好的柔韌性和彈性，優(yōu)良的物理彈性提高了ProTaper鎳鈦銼的抗折斷能力，并決定了良好的根管居中性。Schir-rmeister等[10]報道鎳鈦器械在彎曲根管中產生的扭矩和彎矩明顯小于不銹鋼銼，應用時更靈活，術中使用后根管成形能力和安全性更高。Necchi等[11]構建了鎳鈦器械Protaper完成銼F1的三維有限元模型，并證明了有限元分析在改善彎曲根管預備中器械性能方面的有效性，結果顯示，鎳鈦器械有良好的超彈性，能恢復原來的形狀，減少根管偏移的發(fā)生。ProTaper臨床上用冠向下法預備，有限元分析表明，根管銼在大小、方向和作用點相同的扭轉力作用下， 約束點接近根尖的最大拉應力值較大，這與臨床上根管預備技術的選用有關當采用步退法時，根管銼尖端與根管壁接觸；而當采用冠向下法時，根管銼切割刃的中1/3甚至冠1/3與根管壁接觸，根尖與根管壁無接觸，采用步退法時，在相同受力條件下根管銼將受到更大的應力， 可能導致根管銼更容易折斷，因此，推廣使用冠向下預備技術有利于在臨床上更有效地預防器械折斷現(xiàn)象的發(fā)生[12]。Kim[13]比較了三種鎳鈦根管器械在彎曲根管內旋轉進出的應力變化幅度和退出根管瞬間的殘留應力后認為：ProTaper的最大應力值和應力變化幅度最大，這樣就增加了根管內應力集中而根折和器械由于應力集中而分離，其安全性和其效率主要取決于器械的使用方式以及器械的加工方法[14]。鎳鈦器械錐度大，對根管側壁切削增加，引起了人們對是否會降低牙根抗折強度的擔心，雖然大錐度的根管預備器械預備出的根管有較好的擴展，有利于根管的沖洗和充填，但同時也增大根管腔中上1/3段的直徑，使牙本質壁變薄[15]，近年來對根管應力的有限元研究也表明，根管壁厚度的減小會引起根管壁應力的升高[16]。因此剩余牙本質厚度是影響牙齒抗折能力的重要因素。盡管ProTaper鎳鈦銼有一些不足之處，但是對于預備彎曲根管治療效果好，術后并發(fā)疼痛癥狀少，適合臨床推廣。
3 ProFile銼屬于大錐度非ISO器械，；有三個錐度：ProFile04( 0.04錐度)、ProFile06(0.06錐度)、ProFileOS(0.05~ 0.08錐度)，ProFile刃部橫截面為U形，尖端圓鈍，抗彎慣性矩較大，可預防彎曲根管預備時并發(fā)癥的發(fā)生；切緣以放射狀平面與根管壁接觸，削弱了器械的切削力量；大錐度，簡化了預備步驟而達到理想的根管形態(tài)，便于充填[17]。陳露[18]等在三種鎳鈦根管器械在彎曲和扭轉狀態(tài)下的有限元分析中證明：ProFile的彎曲應力最小，在相同尖端位移下所需彎矩也最小，這意味著ProFile具有較好的彈性和抗彎性能，能夠自如的順應彎曲根管的走向，減少根管在預備過程中偏移甚至拉直的傾向，因此，引起彎曲折斷的風險相對較低。但[19]ProFile的扭轉應力顯著大于ProTaper和ProTaperUniversa，最大應力甚至已經達到偽彈性形變階段，說明ProFile抗扭轉性能差，更容易到達馬氏體相而發(fā)生塑性形變，Zhang[20]認為過度的扭轉力矩比過度的彎曲力矩對器械應力的影響更大，這是ProFile在臨床上逐漸減少使用的原因之一。
三維有限元分析法為根管預備進行力學研究提供了良好的實驗基礎，但有限元法也有其不足，因為它是通過有限剖分的單元代替結構整體，所以對予有些復雜多變結構，受有限剖分的限制，會影響計算精確度。要想得到更精確的結論，仍需要進一步的臨床和力學研究，隨著有限元生物物理模型的日趨精確，有限元分析法與現(xiàn)代組織學方法相結合，為研究分析根管預備過程中的問題提供了新的有效途徑，為臨床上彎曲根管預備時器械的正確選擇提供重要的生物力學基礎，優(yōu)化治療效果。
【參考文獻】
[1] Shen Y, Haapasalo M, Cheung GS, et al. J Endod, 2009, 35(1)： 129-132
[2]張 娜, 趙守亮, 王勝朝, 等. 牙體牙髓牙周病學雜志2007, 17 （7）： 390-393
[3]Lam PP, Palamara JE, Messer HH. Fracture strength of tooth roots following canal preparation by hand an rotary instrumentation. JEndod, 2005, 31(7): 529-532
[4]袁理, 岳林, 王嘉德. 不銹鋼K銼斷裂機制及受力情況的三維有限元分析, 中華口腔醫(yī)學雜志 2007, 42（6）： 346-348
[5]Adorno CG， Yoshioka T， Suda H． The effect of root preparation technique and instrumentation length on the development of apical root cracks[J]．J Endod，2009， 35(3)：389-392
[6] Schafer E, Schulz- Bongert U, Tulus G. J Endod, 2004, 30 （6） ： 432- 435
[7]Schirrmeister J F,Strohl C,Altenburger M J，et al．Shaping ability and safety of five different rotary nickel-titanium instruments compared with stainless steel hand instrumentation in simulated curved root canals[J].Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod,2006,101(6):807- 813
[8] Xu X, Zheng YF, Eng D, et al. Comparative study of torsional and bending properties for six models of nicke-ltitanium root canal in struments with different cross-sections[J]. J Endod, 2006, 32(4) : 372-375
[9]李喆，于靜濤，壽奮勇等. 2種機用鎳鈦器械根管成形效果的對比研究[J]. 上海口腔醫(yī)學, 2010, 19(1):100-103
[10] Schirrmeister JF, Strohl C, Altenburger MJ, et al. OralSurg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod, 2006,101 （6） ： 807- 813
[11] Necchi S, Taschieri S, Petrini L, et al. Mechanical behavior of Ni-Ti rotary endodontic files in simulated clinical conditions: a computational study. Int Endod J 2008;41:939-949
[12]Blum JY，Machtou P，Micallef JP．Location of contact areas on rotary Profile instruments in relationship to the forces developed during mechanical preparation on extracted teeth．Int Endod J，1999, 32(4):108-110
[13]KimHC, Cheung GS, Lee CJ, et al. ComParison offorces generated during root canal shaping and residual stresses of three niekel-titaniu-mrotary Filesby usingathree-dimensional fiite-element analysis[J].JEndod, 2008, 34(6):743-747.
[14]Mounce R. A clinically relevant review of e nickel titanium canal enlargement. Availableat: www.ineedc.com. Accessed May 2008. 9-12
[15] Rund quist BD,Versluis A. How does canal taper root stress[J]? Int endod J,2006， 39： 226－237
[16] Gifford JL,Walsh M P， Vogel HJ．Structures and metalion-binding properties of the Ca2＋-binding helix-loop-helix EF-hand motifs[J]. Biochem,2007,405(6):199
[17] Huang DM，Luo HX，Zhang L,et al． Study of the progressive changes in canal shape after using different instruments by hand in simulated S-Shaped canals[J]. J Endodon, 2007, 33(8) : 986 ～ 989
[18]陳露，吳補領，高杰. 三種鎳欽根管器械在彎曲和扭轉狀態(tài)下的有限元分析.牙體牙髓牙周病學雜志,2012，22(3).138-141
[19] Shen Y, Cheung GS , Bian Z , et al . Comparison of defects in ProFile and ProTaper systems after clinical use[J] . J Endod, 2006, 32(1): 61-65
[20] Zhang EW, Cheung GS, Zheng YF. Influence of cross-sectional design and dimension on m echanical behavior of nicke-ltitanium in strum ents under torsion and bending: a numerical analysis[J]. J Endod, 2010, 36(8): 1394-1398
【關鍵詞】 三維有限元分析法 根管預備 應力分析
【Abstract】 The three-dimensional finite element method is one of the most important methods in the study of oral biomechanics,Used more and more widely in the research of oral medicine stress,This review was represented on the application and research of three-dimensional finite element method incurved root canal preparation by Three kinds of instrument.
【Key words】 three-dimensional finite element method root canal preparation stress analysis
目前臨床上使用的根管預備器械種類較多，手用不銹鋼器械在彎曲根管預備過程中易出現(xiàn)喪失工作長度，根尖敞開，肘部形成以及根管偏移等問題，鎳鈦器械雖然具有效率高，成形效果好等優(yōu)點，但其韌性一旦下降，易發(fā)生器械分離，因此預備彎曲根管就成為臨床工作當中的一大難點，實驗研究[1]表明，在根管預備過程中，器械的截面屬性，錐度和器械材料屬性等是導致器械分離的重要影響因素。為了臨床上彎曲根管預備時器械的正確選擇，本文就對三維有限元分析法在K銼、 ProTaper和ProFile三種器械預備彎曲根管中的應用和進展作一綜述。
1 手用不銹鋼根管預備器械主要包括K銼、H銼及改良設計銼，由于K銼的切削能力較強、成形能力較好及成本低的優(yōu)點，故成為臨床應用最廣泛的根管預備器械。張娜等[2]建立了三維有限元模型分析根管錐度變化對牙體組織應力分布的影響后發(fā)現(xiàn)，不同器械預備根管時對根管壁受力有不同影響， 35號K 型銼預備根管時根管壁所受的應力相對最小，這樣就減小了根管內的應力集中，從而減小預備后根管根折的可能性。Lam等人[3]使用K銼、鎳鈦LS器械及鎳鈦GT銼對根管進行預備，完成預備及充填后進行牙齒的折裂載荷測試，最終結果顯示K銼預備牙齒折裂所需載荷最大，這與張娜等的研究結果一致。不銹鋼銼常見的受力模式是順螺紋和逆螺紋扭轉，袁理等[4]構建20#不銹鋼K銼的三維有限元模型表明， 在這兩種狀態(tài)下， 根管銼應力集中的部位不同，逆螺紋扭轉時， 應力集中于相鄰兩切割刃之間的溝槽內， 即根管銼核心部分的表面， 而順螺紋扭轉時，應力集中于薄弱的切割刃口上。在施力位置、 力值和約束位置均相同的情況下， 順螺紋扭轉比逆螺紋 扭轉產生的拉、 壓應力值更大， 因此切割刃更容易成為疲勞原點， 即順螺紋扭轉更容易引起折斷， 與多數學者觀點一致。不銹鋼 K銼在臨床應用中應盡量避免順螺紋扭轉， 或者在順螺紋扭轉時應注意使用較輕的力量， 以減少切割刃部位的應力集中， 進而減少器械變形損傷。臨床上通常用標準法預備，在根管粗大較直的情況下采用比較適合，若根管細小且有彎曲，可能出現(xiàn)根尖偏移等情況[5]研究證明，無論何種類型的不銹鋼器械在彎曲根管的預備過程中，因其本身具有較大的鋼性，隨著器械號碼的增大，柔韌性減小，可發(fā)生根管拉直、根管偏移和根尖止點消失等并發(fā)癥[6]。. 有研究認為，K銼對根尖1/3段清理不夠，尤其在彎曲根管的預備時，而且器械的號碼越大，出現(xiàn)斷針，根管偏移等并發(fā)癥的概率越大［7］，故臨床中應盡量減少應用不銹鋼器械預備中重度彎曲根管。
2 ProTaper銼是一種新型非ISO器械，由三根成形銼( Sx ,S1, S2) 和三根修形銼( F1, F2, F3) 組成。ProTaper銼的橫截面為凸三角形，切削力較強，Xu [8]用有限元法探討了六種鎳鈦根管器械不同截面積之扭力情況，研究證實凸面形和螺旋三角橫斷面器械抗力矩最強，尖端是有部分切削能力的引導性尖，可以引導器械沿著根管形態(tài)順勢進入，防止過量切削牙本質壁，ProTaper刃部的錐度是多樣化、可變的，為逐漸增加的錐度，該設計認為在預備根管時能較好地保持根管的初始解剖形態(tài)，而刃部末端錐度和直徑增大，可以敞開根管口和根管上段[9]，減小彎曲度。ProTaper鎳鈦銼采用了鎳鈦材質，其物理特點具備更好的柔韌性和彈性，優(yōu)良的物理彈性提高了ProTaper鎳鈦銼的抗折斷能力，并決定了良好的根管居中性。Schir-rmeister等[10]報道鎳鈦器械在彎曲根管中產生的扭矩和彎矩明顯小于不銹鋼銼，應用時更靈活，術中使用后根管成形能力和安全性更高。Necchi等[11]構建了鎳鈦器械Protaper完成銼F1的三維有限元模型，并證明了有限元分析在改善彎曲根管預備中器械性能方面的有效性，結果顯示，鎳鈦器械有良好的超彈性，能恢復原來的形狀，減少根管偏移的發(fā)生。ProTaper臨床上用冠向下法預備，有限元分析表明，根管銼在大小、方向和作用點相同的扭轉力作用下， 約束點接近根尖的最大拉應力值較大，這與臨床上根管預備技術的選用有關當采用步退法時，根管銼尖端與根管壁接觸；而當采用冠向下法時，根管銼切割刃的中1/3甚至冠1/3與根管壁接觸，根尖與根管壁無接觸，采用步退法時，在相同受力條件下根管銼將受到更大的應力， 可能導致根管銼更容易折斷，因此，推廣使用冠向下預備技術有利于在臨床上更有效地預防器械折斷現(xiàn)象的發(fā)生[12]。Kim[13]比較了三種鎳鈦根管器械在彎曲根管內旋轉進出的應力變化幅度和退出根管瞬間的殘留應力后認為：ProTaper的最大應力值和應力變化幅度最大，這樣就增加了根管內應力集中而根折和器械由于應力集中而分離，其安全性和其效率主要取決于器械的使用方式以及器械的加工方法[14]。鎳鈦器械錐度大，對根管側壁切削增加，引起了人們對是否會降低牙根抗折強度的擔心，雖然大錐度的根管預備器械預備出的根管有較好的擴展，有利于根管的沖洗和充填，但同時也增大根管腔中上1/3段的直徑，使牙本質壁變薄[15]，近年來對根管應力的有限元研究也表明，根管壁厚度的減小會引起根管壁應力的升高[16]。因此剩余牙本質厚度是影響牙齒抗折能力的重要因素。盡管ProTaper鎳鈦銼有一些不足之處，但是對于預備彎曲根管治療效果好，術后并發(fā)疼痛癥狀少，適合臨床推廣。
3 ProFile銼屬于大錐度非ISO器械，；有三個錐度：ProFile04( 0.04錐度)、ProFile06(0.06錐度)、ProFileOS(0.05~ 0.08錐度)，ProFile刃部橫截面為U形，尖端圓鈍，抗彎慣性矩較大，可預防彎曲根管預備時并發(fā)癥的發(fā)生；切緣以放射狀平面與根管壁接觸，削弱了器械的切削力量；大錐度，簡化了預備步驟而達到理想的根管形態(tài)，便于充填[17]。陳露[18]等在三種鎳鈦根管器械在彎曲和扭轉狀態(tài)下的有限元分析中證明：ProFile的彎曲應力最小，在相同尖端位移下所需彎矩也最小，這意味著ProFile具有較好的彈性和抗彎性能，能夠自如的順應彎曲根管的走向，減少根管在預備過程中偏移甚至拉直的傾向，因此，引起彎曲折斷的風險相對較低。但[19]ProFile的扭轉應力顯著大于ProTaper和ProTaperUniversa，最大應力甚至已經達到偽彈性形變階段，說明ProFile抗扭轉性能差，更容易到達馬氏體相而發(fā)生塑性形變，Zhang[20]認為過度的扭轉力矩比過度的彎曲力矩對器械應力的影響更大，這是ProFile在臨床上逐漸減少使用的原因之一。
三維有限元分析法為根管預備進行力學研究提供了良好的實驗基礎，但有限元法也有其不足，因為它是通過有限剖分的單元代替結構整體，所以對予有些復雜多變結構，受有限剖分的限制，會影響計算精確度。要想得到更精確的結論，仍需要進一步的臨床和力學研究，隨著有限元生物物理模型的日趨精確，有限元分析法與現(xiàn)代組織學方法相結合，為研究分析根管預備過程中的問題提供了新的有效途徑，為臨床上彎曲根管預備時器械的正確選擇提供重要的生物力學基礎，優(yōu)化治療效果。
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