不同根管通路建立方式对根管治疗后的下颌第一磨牙应力分布的影响

王 晓，田 宇，倪龙兴，王艺蓉，王 丹，李 芬，王 建

根管治疗术是牙髓病目前最主要也是最有效的治疗方式，但如何提高根管治疗后的牙齿(endodontics treated tooth,ETT)的长期留存率仍是目前临床医师面临的巨大挑战。文献报道ETT中有13.4% 的比例因出现纵折被拔除[1]，而有证据显示牙根强度主要与龋损或根管治疗中根管入路及根管预备导致的牙体结构丧失相关[2]。

为增强牙齿抗力、提高根管治疗后牙齿的长期保留率，Gutman等学者提出了微创牙髓病学(minimally invasive endodontics,MIE)[3-4]的理念。MIE理念包含多方面内容，如保留更多牙体组织、减少消毒药物对牙本质损伤、减少根管预备导致的牙本质微裂等。根管通路建立方式在MIE中起到十分重要的作用，甚至有学者认为MIE可看作是尽可能保留更多牙体硬组织的一种根管通路设计方式[5]。

过去几十年的根管治疗提倡建立直线通路[6]，以获得良好的视野，防止出现器械分离及便利操作，而直线通路建立过程中大量颈周牙本质(pericervical dentin， PCD)被去除。颈周牙本质[7]是指釉牙骨质界上下各4 mm的范围之间的牙本质结构，被认为在根管治疗后的牙齿分散咬合应力中起到重要作用。

随着近年来牙髓病学的发展，牙科材料及器械的进步，根管治疗理念的逐渐变化[8-9]，保留更多PCD及髓室顶结构成为可能。随着关于MIE的临床病例报道逐渐增多，不断有临床医师提出不同的根管通路建立方式，其中临床应用及研究报道最多的是紧凑型根管通路建立方式(contracted endodo-ntic cavities, CECs)[10]。CECs是术前依据CBCT设计出开髓孔大致位置，在牙合面中央开一小孔，在确保能完全定位所有根管口的情况下尽量保留髓室顶的一种根管通路建立方式。

下颌第一磨牙是进行根管治疗的患牙中比例最高，也是在根管治疗后的牙齿中被拔除的比例最高的牙齿[11]。但关于根管治疗中下颌第一磨牙采用何种根管通路建立方式能更好提高牙齿抗折能力的研究仍不多见。本文利用三维有限元分析的方式来评估不同根管通路建立方式对根管治疗后下颌第一磨牙应力分布的影响以及PCD的作用。

1 材料与方法

1.1 三维有限元模型建立过程

选取因牙周病拔除的完整无龋坏或缺损的轻度磨耗的下颌第一磨牙标本，使用Y.Cheetah(Y.Cheetah，德国)Micro-CT以100 μm的分辨率进行扫描。采用Micro-CT相应图像数据处理软件(VG Studio MAX 3.0，德国)将影像数据保存为DICOM格式后，通过交互式医学影像处理软件(MIMICS 19.0;Materialise,Leuven,比利时)进行图像处理，增强灰度阈值以区分牙釉质与牙本质，并将结果输出为STL文件。使用逆向工程软件(Geomagic Studio 10; Geomagic, Inc, Research Triangle Park, 美国北卡罗来纳)进行进一步图像修整，生成与真实结构具有高度几何相似性的三维结构图，再使用软件Heperwork14.0进行网格划分，建立下颌第一磨牙的三维有限元模型。模型采用单元类型为四面体单元格，建立节点数为73 641～87 638，单元格数量为439 084～501 759。完整天然牙网格划分模型见图1。将划分好的有限元网格模型模拟施加设计的应力，生成可计算的模型文件，最后使用Hyperwork组件进行结果处理，得出数据和云图。

图1 完整天然牙有限元模型

1.2 开髓洞型设计、根充及修复方法

将牙齿结构分为牙本质、牙釉质。共设计了4种根管通路预备模型(图2)：A组，完整天然牙模型；B组，紧凑型根管通路预备方式的牙齿模型；C组，完全去除髓室顶、不建立直线通路根管通路预备方式的牙齿模型；D组，完全去除髓室顶、建立直线根管通路预备方式的牙齿。使用手用器械确定初尖锉，增加3个器械号确定为主尖锉，利用MIMICS软件通过布式运算模拟根管预备(近颊根及近舌根预备至#25、04锥度，远中根预备至#40、06锥度)。预备后的根管模拟牙胶充填至根管口下2 mm处。因开髓洞型较小，为保证光固化深度，模型2、3、4根管治疗后模拟采用3M ESPE-Filtek Bulk-Fill Flowable及3M ESPE-Filtek Bulk-Fill Posterior Restorative充填。流动树脂充填至髓室顶，其余部分使用固体树脂充填。

图2 不同根管通路预备方式模型

1.3 模型的假设条件与材料参数

组织及材料的属性参数见表1(弹性模量，泊松比)，与以往研究相同，将牙齿结构及材料假定为具有连续、均匀、线性、弹性、各向同性。通用粘接剂厚度为0.04 mm，牙周膜厚度为0.25 mm[12]。因粘接剂厚度较小，对应力传导无明显影响，设计为壳结构，牙骨质较薄且与牙本质界限难以区分，故以牙本质考虑。

表1 组织及材料的属性[5,12-14]

在有限元模型中各结构的接触设定如下：复合树脂-粘接剂，流动树脂-复合树脂，复合树脂-粘接剂，粘接剂-牙本质，粘接剂-牙釉质，流动树脂-粘接剂，釉质-牙本质，牙本质-牙髓或牙胶，牙本质-牙周膜，牙周膜-皮质骨，牙周膜-松质骨，松质骨-皮质骨。

1.4 模拟施加应力的方式

向咬合面按照以下方式加力[15](示意图见图3)：①在位于咬合面的8个点上施加与咬合面垂直的共计600 N的持续静力以模拟最大咬合力。②在位于双颊尖与远中尖的3个点上分别施加与咬合面垂直、平行以及成45°夹角的共计225 N持续静力以模拟日常咀嚼力。

图3 应力加载方式示意图

1.5 观察指标

本实验主要研究不同根管预备通路及PCD对应力分布的影响，主要观察颈部及根部的应力分布，因此本实验为了更直观显示牙颈部及根部组织的应力分布，分别选择牙体表面、釉牙骨质界(cemento-enamel, CEJ)截面及髓室底截面的应力分布云图作为观察指标。以A组作为对照组，其余3组作实验组；比较不同根管预备通路根管治疗后牙体组织VM应力的峰值变化。

2 结 果

2.1 计算分析

采用Hyperwork有限元分析软件组件分析上述四种应力下4种模型牙体组织的最大Von Mises应力值,见表2。

表2 下颌第一磨牙牙体最大Von Mises应力

2.2 牙体应力峰值水平

见图4。受垂直向咀嚼力时应力峰值为：C组>D组>B组>A组，受水平向咀嚼力时应力峰值为B组>A组>C组>D组，受45°斜向咀嚼力时的应力峰值为：D组>B组>C组>A组，受最大咬合力时的应力峰值为：C组>D组>A组>B组。前3组应力峰值水平整体相差不大，但传统型开髓不建立直线通路模型受最大咬合力时以及紧凑型开髓方式模型受水平向咀嚼力时最大应力峰值增加较多。而传统型开髓建立直线通路模型受斜向咀嚼力时应力峰值明显增加。

图4 下颌第一磨牙牙体最大Von Mise应力

2.3 牙体组织整体应力分布特点及最大应力区域

牙体表面应力分布云图见图5。牙体表面应力分布特点如下：①4组模型最大咬合应力集中区域均为应力加载点附近，应力向外成环状降低。②除应力加载点外的应力集中区域基本位于PCD部分,各截面最大应力主要集中在釉质层。③实验组中受垂直向载荷情况下，紧凑型开髓方式最大应力峰值最小，而受水平向应力情况下紧凑型开髓方式最大应力峰值比其余2组稍大。④传统型开髓不建立直线通路方式在施加载荷时与建立直线通路模型应力分布的方式大体相似，但受到水平咀嚼力及最大咬合力时，不建立直线通路模型釉牙骨质界以下的应力的分布更大。

(a):载荷为垂直向咀嚼力;(b):载荷为水平向咀嚼力;(c):载荷为斜向咀嚼力;(d):载荷为最大咬合力。因受斜向载荷时Von Mise应力集中区在舌侧，此组云图为舌向观，其余云图为颊向观。应力值由蓝色向红色逐渐增大

3 讨 论

MIE理念目前越来越多地应用于牙髓病及根尖周病的治疗中。但何种根管通路建立方式能更好地增强牙齿抗折裂能力还有待进一步研究。

Silva等[11]将有关 CECs 对牙齿抗折强度影响的体外研究做一系统综述，发现总体来说,没有证据支持CECs在提高牙齿抗折性能方面优于传统髓腔预备通路(traditional endodontic cavities， TECs)。MIE理念的提出最早主要是为提高磨牙抗力，对其余牙齿的抗力提升可能较弱[3-4]，但完整离体磨牙收集较为困难，故既往文献多是采用前磨牙、前磨牙与磨牙混合分组进行的体外实验。其后有学者通过离体磨牙实验表明采用TECs方式根管治疗后的牙本质厚度明显减少，抗折裂能力下降[16]。另有离体牙实验指出虽然CECs方式无法提高根管治疗后牙齿的抗折能力，但其断裂方式更有利于牙齿的保留及后期的修复[17]。不同有关MIE对ETT抗折能力影响的离体牙实验结果存在矛盾，其原因可能也与实验中施加应力的方式和方向不同有关。但当前何种体外实验施加应力方式更符合生理条件尚无定论，有待于进一步临床研究。由此可见，对于CECs能提高ETT抗折能力的结论还存在一定争议。

有限元分析法(finite element analysis, FEA)作为生物力学分析中的一种重要方法，与体内和体外研究方法相比,被认为是一种快速、准确、可靠的替代方法[18]。FEA在牙髓病学领域的应用已十分广泛，如应用于开髓、根管预备、根管充填、根尖手术等方面。FEA能减少样本量需求，排除人为因素及个体差异等实验干扰因素，其在MIE研究领域具有较好的应用前景。

本实验通过采用 Micro-CT 扫描离体牙，Mimics、Geomagic逆向工程软件建立实体模型，Hyperwork软件建立了下颌第一磨牙不同髓腔通路预备方式的高精度三维有限元模型，并进行网格划分研究应力分布。

本实验的结果显示天然牙的总体抗折能力最强。当垂直向应力与非垂直向应力作用于CECs与传统开髓模型时得到的结果不同。当施加垂直向咬合力于CECs治疗后的下颌第一磨牙模型时，其最大Von Mises应力值与整体应力水平均低于两种传统开髓方式模型,当施加非垂直向咬合力时，最大Von Mises应力值与两种传统开髓模型比较无明显优势。总体来说CECs相较其余两个实验组抗折裂能力较强。

CECs与传统开髓不建立直线通路的髓腔预备方式的Von Mises应力峰值相近，仅在受最大咬合力时差别较明显。虽然不建立直线通路模型在根部及冠部的应力分布相对整体偏高但相差的绝对值并不大、且受力较为均衡。因此我们有理由认为虽然CECs保留了更多的髓室顶结构，但牙齿对日常咀嚼力的整体抗力可能相差不大。不过由于采用CECs方式根管治疗后的牙齿在载荷作用下分布在颈部及根部的应力相对较小，因此相较传统开髓方式，CECs方式颈部及根部出现折裂的可能更小，这可能有利于ETT的长期保留。

传统开髓不建立直线通路方式模型在载荷作用下，与建立直线通路模型比较，釉牙骨质界上方近牙颈部应力减小，但下方的应力分布稍增大，由此可证明PCD的保留使应力能更好地向牙根传递。不建立直线通路模型在受最大咬合力时应力峰值更高，但此时应力峰值位于咬合面的应力加载点附近，而颈部应力集中区的应力水平相差不大，因此折裂可能更容易出现在牙冠上部。建立直线通路模型受斜向咀嚼力时应力峰值明显增大，且应力集中区位于牙颈部。而建立直线通路的过程中颈部大量的PCD被切削，因此建立直线通路使根管治疗后的牙齿受斜向咀嚼力时更易在颈部折裂。因此虽然尚不能说传统开髓不建立直线通路的方式较建立直线通路方式进行根管治疗后的牙齿总体抗力更强，但PCD的保留可能使牙齿即使折裂也易于再次修复，从而提升牙齿长期留存率。这与之前的体外实验结果相似[19]。

应用FEA对牙齿在咬合过程中的生物力学特性进行研究具有很好的参考意义，但其仍具有局限性。本实验采用静力学载荷模拟，无法模拟动态变化，温度变化以及疲劳循环，计算机模拟下的体外研究无法完全复制临床生理条件，其测算结果仍需辅以临床评价。