口腔正畸-三维有限元分析
口腔正畸-三维有限元分析
有限元法是口腔正畸工作中常用的力学分析方法。应用有限元法对口腔正畸中各种复杂问题进行力学分析，对于口腔临床工作有着重要的指导意义。本丈对近年来国内学者在一些常见口腔正畸工作中应用有限元法的情况进行文献综述，并对有限元法未来发展做一展望。
关键词：三维有限元法；正畸生物力学
有限单元法（finite element method，FEM)简称有限元法，是一种在工程科学技术中广泛应用的数学物理方法，用于模拟并解决各种工程力学、热学、电磁学等物理场问题。自1973年ThereshertFarah 将其引人口腔医学中，开创了新的研究领域，因其具有实验应力分析方法无可比拟的优越性而在口腔医学的许多方面得到广泛应用。近年来，随着电子计算机技术的飞速发展和各种功能齐全的大型分析软件的开发利用，使有限元分析技术可以应用到各种复杂问题的力学研究，并作为一种有效.具在口腔正畸生物力学研究领域发挥效力。目前，有限元法在国内口腔研究中的应用已十分广泛，本文仅就其在口腔正畸生物力学研究中的应用做一综述。
1有限元分析的原理
有限元法的原理是将无限维空问转化到有限维空间，把连续系统转化为离散型结构，即将连续的弹性体分割成有限个单元，以其结合体代替原弹性体并逐个研究每个单元的性质。从理论力学角度讲，就是利用场函数，即分片多项式逼近，实现离散化过程，通过位移与应变、应变与应力、应变与内力、内力与外力的关系，建立线性方科组，由已知的外力求出结构内部应力和位移情况。
2三维有限元建模方法的改进
最早建立牙颌组织二维有限元模型多采用磨片、切片法。这类方法需要专门的操作设备，操作繁琐复杂，往往难以表达较复杂及细微的结构，主观性大，耗费大量人力，效率低，误差来源多，且属于破坏性建模。目前该类建立三维有限元模型的方法已较少采用。
随后出现了二维测量法，该方法测量精度高、速度快，能够反映复杂牙颌模型的表面形态。但该方法的数据采集成本高，生成计算机辅助设计（computer aided design,CAD)模型后还要进行数据转换，才能为有限元建模使用，且测量只能得到表面数据，缺乏反映组织的材料特性的能力。（CT图像建模法是日前常用的方法，其不损坏模型；适用于任何形态和各种密度的三维结构；扫描间距可根据需要调节，每个断面的解剖结构清晰可辨，能较真实地代表原物的结构；标本的数据、图像可重复使用。
但这种方法在将CT原始数据转化为位图文件时造成了数据信息的损失，并未真正深人到CT数据的本质。基于医学网像通讯标准数据建模法，以DICOM格式作为存储格式的图像处理软件，不仪可直接读入CT机输出的数据文件，而且可政善CT图像质量。DICOM格式的数据提供了非常精细的组织密度信息。此法简化了以往对CT扫描产生的二维图像进行处理和转化的繁琐过程，避免了数据和信息的丢失，直接将扫描得到的CT数据传入计算机，实现了高度自动化的计算机辅助有限元建模。
3有限元分析法在口腔正畸生物力学中的应用
错颌畸形矫治方法的基本原理是在错位牙或畸形颌骨上施加各类有关外力或去除异常肌力，通过机体的颌骨、牙周组织等硬软组织内部产生的生物力学反应，使其产生组织学改建，从而使牙颌系统得到新的形态和功能的平衡和正常发育，这是有复杂的生物力学内容的生物机械运动。因此，生物力学的分析在正畸学领域内尤为重要，而其中有限元的分析方法体现了其强大的功能。
3.1正畸矫治器三维有限元模型的建立
严拥庆等建立了包括下颌牙列及其方丝弓托槽和平直方丝的三维有限元模型，该模型初步建立了用三维有限元法对固定矫治技术进行全牙列分析的平台。相亚宁等建立带有MBT直丝弓矫治器的题下颌关节（TMJ）、上下颌骨及牙列的三维有限元模型，为进一步分析临床中MBT直丝弓矫治器的力学行为提供了一个良好的平台，进而为临床操作提供理论依据。
丁旭等建立Tip-Edge plus差动直丝弓矫治器的三维有限元实体模型，模型包括上颌骨、牙槽骨、牙列、托槽和弓丝。与上颌各个牙齿相对应的托槽模型的轴倾角、转矩角等数据与实体托槽的数据相一致。在以往关于牙齿移动的有限元研究中，主要是把力直接加载在牙齿上进行分析，而上述矫治器的有限元实体模型与正畸临床实际情况更加相似，利用矫治弓丝施力，通过托槽将力传递给牙齿来研究牙齿的移动。
3.2正畸矫治弓丝的作用机制
李岩峰等建立了用于正畸治疗的镍钛圆丝和方丝弓的有限元模型，可以预测弓丝在矫治形变过程中（各时段）其本身结构中各节点、单元的受力、位移情况，为矫治方案的设计提供量化依据。
朱伟民等对复合矫治弓丝正畸过程的力学行为进行了有限元分析，得到了各个不同类型弓丝对下颌侧切牙、尖牙、第二前磨牙与第一磨牙整体的作用力-位移曲线，并由此分析得出不同类型弓丝对于不同牙齿的正畸范围。
石勰等建立下颌牙列、牙周支持组织以及不同角度、不同弧形深度的0.46mm×0.64mm不锈钢下颌标准弓形摇椅弓的三维有限元模型，分析得出摇椅弓角度和弧形深度的变化对施于牙齿的垂直向力产生显著影响。张智勇等通过有限元方法分析标准T型曲打开1.0mm情况下上颌各牙齿的位移趋势和牙根及牙周支持组织内的应力分布规律，得出T型曲作用下前、后段均有伸长且各牙均表现为倾斜移动，冠部大于根部；T型曲关闭间隙时会引起上前牙伸长至覆殆加深。康振中等建立了包括牙周膜、牙槽骨的左下颌中切牙和左下颌第一磨牙的三维有限元模型，分析得出，应用末端后倾弯打开咬合，在前磨牙粘托槽且弓丝人槽情况下，可以防止支抗磨牙前倾或支抗丧失。在前磨牙无托槽情况下，主要是通过压低下前牙打开咬合。赵广敏等利用有限元力学分析方法比较口腔正畸方丝弓与多曲方丝弓在简单受力时对受力侧牙列的影响，发现跟方丝弓比较，对多曲方丝弓上的个别牙做垂直牵引或被动入槽时，牙列上的其他牙受力极轻，基本不会受到不利影响。这些研究对帮助人们认识正畸弓丝的作用机制起到了积极的作用。
3.3三维有限元法在口腔种植支抗中的应用
随着口腔种植技术的发展，种植体支抗概念被引入到口腔正畸与颌面部矫形治疗的领域。这是一种崭新而有效的加强支抗方法。然而，对其生物力学有一个正确的认识才能更好地指导临床。Hayashi等利用腭部种植体内收尖牙，用三维有限元法分析滑动法和推簧的作用，结果显示≤lN的力量是有效的，且滑动法较推簧对于尖牙的旋转易控制。吴丽萍等通过三维有限元分析研究腭部支抗种植体，在受力状态下，支抗种植体总体上是一种近中移动和垂直压低的复合运动；上颌第一恒磨牙的近中颊尖的腭向位移最大，远中舌尖的颊向位移最大，整体上表现为腭向倾斜及近中舌向扭转的运动趋势。Lin等利用三维有限元研究发现，微小种植体可在任何倾斜角度上承载1.96N的水平向正畸力。增加种植体的倾斜角度，可以提高其承载水平向正畸力的能力，提示临床应选择垂直于颊侧牙槽骨方向植人微小支抗种植体。丁熙等~研究表明，即刻垂直加载时，种植体周围骨质应力无明显集中，分布较均匀，颊舌向及近远中向加载时应力、应变明显增大，分布不均匀。目前，种植体与周围骨组织的结合方式、不同施力大小、施力方向及施力时机对其稳定性的影响还有待进一步的研究。
3.4颌骨牵张成骨三维有限元模型的应用
口腔颌面部颌骨牵引成骨技术主要应用于累及上下颌骨的各种不同类型的发育不全畸形和骨缺损、缺失畸形，目前牵张成骨2005年，史真等选择颅颌面发育正常青年男性，将螺旋CT技术与计算机技术相结合，建立下颌骨牵张成骨三维有限元模型并测量了不同加载条件下下颌骨的VonMises应力、颓顶点和右侧下颌角点的位移。
2006年，张晓慧等在颅上颌复合体模型上模拟上颌骨LeFortI型截骨，进行前后向牵张成骨，在上颌颛牙槽崎处施以平行于Y轴的前方牵引力，结果发现，除前后向有明显位移趋势外，在横向和垂直向方面，上颌结节处还有明显地向外、向下的移位趋势。
2007年，徐贤寅等建立牙齿在下颌牵引成骨区内移动的三维有限元模型，分析各个骨愈合时期，成骨区对牙移动产生的应力反应无显著差异，但在早期，牙齿发生较大的倾斜移动，提示在牵引成骨完成后，早期移动牙齿时应使用轻力。
2008年，刘春丽等模拟牵张成骨时牵张方向对下颌骨体部牵张成骨的影响，得出牵张器平行矢状轴优于平行下颌骨体，此项研究为牵张器在临床应用中的放置位置和牵引方向提供了理论依据。
2009年，雷勇华等在已建立的唇腭裂上颌骨三维有限元模型的基础上，模拟前牵引加腭部扩弓治疗，上颌骨发生向前、向下、向外的增长。有扩弓治疗的水平位移值明显减小。健侧和患侧牙弓均未出现牙弓内缩的变化。研究发现，上颌前牵引联合应用腭部扩弓治疗唇腭裂患者，有利于全面改善上颌骨的发育。上述牵张成骨的生物力学分析对颌骨牵张成骨的设计及术后的预测具有指导性意义。
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