三维有限元分析法在三种不同根管器械预备弯曲
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【摘要】 三维有限元分析法是研究口腔生物力学的重要手段之一，近年来在口腔医学应力研究中的应用中越来越广泛，本文就其在三种不同器械预备弯曲根管中的应用和进展作一综述。
【关键词】 三维有限元分析法 根管预备 应力分析
【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
目前临床上使用的根管预备器械种类较多，手用不锈钢器械在弯曲根管预备过程中易出现丧失工作长度，根尖敞开，肘部形成以及根管偏移等问题，镍钛器械虽然具有效率高，成形效果好等优点，但其韧性一旦下降，易发生器械分离，因此预备弯曲根管就成为临床工作当中的一大难点，实验研究[1]表明，在根管预备过程中，器械的截面属性，锥度和器械材料属性等是导致器械分离的重要影响因素。为了临床上弯曲根管预备时器械的正确选择，本文就对三维有限元分析法在K锉、 ProTaper和ProFile三种器械预备弯曲根管中的应用和进展作一综述。
1 手用不锈钢根管预备器械主要包括K锉、H锉及改良设计锉，由于K锉的切削能力较强、成形能力较好及成本低的优点，故成为临床应用最广泛的根管预备器械。张娜等[2]建立了三维有限元模型分析根管锥度变化对牙体组织应力分布的影响后发现，不同器械预备根管时对根管壁受力有不同影响， 35号K 型锉预备根管时根管壁所受的应力相对最小，这样就减小了根管内的应力集中，从而减小预备后根管根折的可能性。Lam等人[3]使用K锉、镍钛LS器械及镍钛GT锉对根管进行预备，完成预备及充填后进行牙齿的折裂载荷测试，最终结果显示K锉预备牙齿折裂所需载荷最大，这与张娜等的研究结果一致。不锈钢锉常见的受力模式是顺螺纹和逆螺纹扭转，袁理等[4]构建20#不锈钢K锉的三维有限元模型表明， 在这两种状态下， 根管锉应力集中的部位不同，逆螺纹扭转时， 应力集中于相邻两切割刃之间的沟槽内， 即根管锉核心部分的表面， 而顺螺纹扭转时，应力集中于薄弱的切割刃口上。在施力位置、 力值和约束位置均相同的情况下， 顺螺纹扭转比逆螺纹 扭转产生的拉、 压应力值更大， 因此切割刃更容易成为疲劳原点， 即顺螺纹扭转更容易引起折断， 与多数学者观点一致。不锈钢 K锉在临床应用中应尽量避免顺螺纹扭转， 或者在顺螺纹扭转时应注意使用较轻的力量， 以减少切割刃部位的应力集中， 进而减少器械变形损伤。临床上通常用标准法预备，在根管粗大较直的情况下采用比较适合，若根管细小且有弯曲，可能出现根尖偏移等情况[5]研究证明，无论何种类型的不锈钢器械在弯曲根管的预备过程中，因其本身具有较大的钢性，随着器械号码的增大，柔韧性减小，可发生根管拉直、根管偏移和根尖止点消失等并发症[6]。. 有研究认为，K锉对根尖1/3段清理不够，尤其在弯曲根管的预备时，而且器械的号码越大，出现断针，根管偏移等并发症的概率越大［7］，故临床中应尽量减少应用不锈钢器械预备中重度弯曲根管。
2 ProTaper锉是一种新型非ISO器械，由三根成形锉( Sx ,S1, S2) 和三根修形锉( F1, F2, F3) 组成。ProTaper锉的横截面为凸三角形，切削力较强，Xu [8]用有限元法探讨了六种镍钛根管器械不同截面积之扭力情况，研究证实凸面形和螺旋三角横断面器械抗力矩最强，尖端是有部分切削能力的引导性尖，可以引导器械沿着根管形态顺势进入，防止过量切削牙本质壁，ProTaper刃部的锥度是多样化、可变的，为逐渐增加的锥度，该设计认为在预备根管时能较好地保持根管的初始解剖形态，而刃部末端锥度和直径增大，可以敞开根管口和根管上段[9]，减小弯曲度。ProTaper镍钛锉采用了镍钛材质，其物理特点具备更好的柔韧性和弹性，优良的物理弹性提高了ProTaper镍钛锉的抗折断能力，并决定了良好的根管居中性。Schir-rmeister等[10]报道镍钛器械在弯曲根管中产生的扭矩和弯矩明显小于不锈钢锉，应用时更灵活，术中使用后根管成形能力和安全性更高。Necchi等[11]构建了镍钛器械Protaper完成锉F1的三维有限元模型，并证明了有限元分析在改善弯曲根管预备中器械性能方面的有效性，结果显示，镍钛器械有良好的超弹性，能恢复原来的形状，减少根管偏移的发生。ProTaper临床上用冠向下法预备，有限元分析表明，根管锉在大小、方向和作用点相同的扭转力作用下， 约束点接近根尖的最大拉应力值较大，这与临床上根管预备技术的选用有关当采用步退法时，根管锉尖端与根管壁接触；而当采用冠向下法时，根管锉切割刃的中1/3甚至冠1/3与根管壁接触，根尖与根管壁无接触，采用步退法时，在相同受力条件下根管锉将受到更大的应力， 可能导致根管锉更容易折断，因此，推广使用冠向下预备技术有利于在临床上更有效地预防器械折断现象的发生[12]。Kim[13]比较了三种镍钛根管器械在弯曲根管内旋转进出的应力变化幅度和退出根管瞬间的残留应力后认为：ProTaper的最大应力值和应力变化幅度最大，这样就增加了根管内应力集中而根折和器械由于应力集中而分离，其安全性和其效率主要取决于器械的使用方式以及器械的加工方法[14]。镍钛器械锥度大，对根管侧壁切削增加，引起了人们对是否会降低牙根抗折强度的担心，虽然大锥度的根管预备器械预备出的根管有较好的扩展，有利于根管的冲洗和充填，但同时也增大根管腔中上1/3段的直径，使牙本质壁变薄[15]，近年来对根管应力的有限元研究也表明，根管壁厚度的减小会引起根管壁应力的升高[16]。因此剩余牙本质厚度是影响牙齿抗折能力的重要因素。尽管ProTaper镍钛锉有一些不足之处，但是对于预备弯曲根管治疗效果好，术后并发疼痛症状少，适合临床推广。
3 ProFile锉属于大锥度非ISO器械，；有三个锥度：ProFile04( 0.04锥度)、ProFile06(0.06锥度)、ProFileOS(0.05~ 0.08锥度)，ProFile刃部横截面为U形，尖端圆钝，抗弯惯性矩较大，可预防弯曲根管预备时并发症的发生；切缘以放射状平面与根管壁接触，削弱了器械的切削力量；大锥度，简化了预备步骤而达到理想的根管形态，便于充填[17]。陈露[18]等在三种镍钛根管器械在弯曲和扭转状态下的有限元分析中证明：ProFile的弯曲应力最小，在相同尖端位移下所需弯矩也最小，这意味着ProFile具有较好的弹性和抗弯性能，能够自如的顺应弯曲根管的走向，减少根管在预备过程中偏移甚至拉直的倾向，因此，引起弯曲折断的风险相对较低。但[19]ProFile的扭转应力显著大于ProTaper和ProTaperUniversa，最大应力甚至已经达到伪弹性形变阶段，说明ProFile抗扭转性能差，更容易到达马氏体相而发生塑性形变，Zhang[20]认为过度的扭转力矩比过度的弯曲力矩对器械应力的影响更大，这是ProFile在临床上逐渐减少使用的原因之一。
三维有限元分析法为根管预备进行力学研究提供了良好的实验基础，但有限元法也有其不足，因为它是通过有限剖分的单元代替结构整体，所以对予有些复杂多变结构，受有限剖分的限制，会影响计算精确度。要想得到更精确的结论，仍需要进一步的临床和力学研究，随着有限元生物物理模型的日趋精确，有限元分析法与现代组织学方法相结合，为研究分析根管预备过程中的问题提供了新的有效途径，为临床上弯曲根管预备时器械的正确选择提供重要的生物力学基础，优化治疗效果。
【参考文献】
[1] Shen Y, Haapasalo M, Cheung GS, et al. J Endod, 2009, 35(1)： 129-132
[2]张 娜, 赵守亮, 王胜朝, 等. 牙体牙髓牙周病学杂志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. 不锈钢K锉断裂机制及受力情况的三维有限元分析, 中华口腔医学杂志 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，于静涛，寿奋勇等. 2种机用镍钛器械根管成形效果的对比研究[J]. 上海口腔医学, 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]陈露，吴补领，高杰. 三种镍钦根管器械在弯曲和扭转状态下的有限元分析.牙体牙髓牙周病学杂志,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
【关键词】 三维有限元分析法 根管预备 应力分析
【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
目前临床上使用的根管预备器械种类较多，手用不锈钢器械在弯曲根管预备过程中易出现丧失工作长度，根尖敞开，肘部形成以及根管偏移等问题，镍钛器械虽然具有效率高，成形效果好等优点，但其韧性一旦下降，易发生器械分离，因此预备弯曲根管就成为临床工作当中的一大难点，实验研究[1]表明，在根管预备过程中，器械的截面属性，锥度和器械材料属性等是导致器械分离的重要影响因素。为了临床上弯曲根管预备时器械的正确选择，本文就对三维有限元分析法在K锉、 ProTaper和ProFile三种器械预备弯曲根管中的应用和进展作一综述。
1 手用不锈钢根管预备器械主要包括K锉、H锉及改良设计锉，由于K锉的切削能力较强、成形能力较好及成本低的优点，故成为临床应用最广泛的根管预备器械。张娜等[2]建立了三维有限元模型分析根管锥度变化对牙体组织应力分布的影响后发现，不同器械预备根管时对根管壁受力有不同影响， 35号K 型锉预备根管时根管壁所受的应力相对最小，这样就减小了根管内的应力集中，从而减小预备后根管根折的可能性。Lam等人[3]使用K锉、镍钛LS器械及镍钛GT锉对根管进行预备，完成预备及充填后进行牙齿的折裂载荷测试，最终结果显示K锉预备牙齿折裂所需载荷最大，这与张娜等的研究结果一致。不锈钢锉常见的受力模式是顺螺纹和逆螺纹扭转，袁理等[4]构建20#不锈钢K锉的三维有限元模型表明， 在这两种状态下， 根管锉应力集中的部位不同，逆螺纹扭转时， 应力集中于相邻两切割刃之间的沟槽内， 即根管锉核心部分的表面， 而顺螺纹扭转时，应力集中于薄弱的切割刃口上。在施力位置、 力值和约束位置均相同的情况下， 顺螺纹扭转比逆螺纹 扭转产生的拉、 压应力值更大， 因此切割刃更容易成为疲劳原点， 即顺螺纹扭转更容易引起折断， 与多数学者观点一致。不锈钢 K锉在临床应用中应尽量避免顺螺纹扭转， 或者在顺螺纹扭转时应注意使用较轻的力量， 以减少切割刃部位的应力集中， 进而减少器械变形损伤。临床上通常用标准法预备，在根管粗大较直的情况下采用比较适合，若根管细小且有弯曲，可能出现根尖偏移等情况[5]研究证明，无论何种类型的不锈钢器械在弯曲根管的预备过程中，因其本身具有较大的钢性，随着器械号码的增大，柔韧性减小，可发生根管拉直、根管偏移和根尖止点消失等并发症[6]。. 有研究认为，K锉对根尖1/3段清理不够，尤其在弯曲根管的预备时，而且器械的号码越大，出现断针，根管偏移等并发症的概率越大［7］，故临床中应尽量减少应用不锈钢器械预备中重度弯曲根管。
2 ProTaper锉是一种新型非ISO器械，由三根成形锉( Sx ,S1, S2) 和三根修形锉( F1, F2, F3) 组成。ProTaper锉的横截面为凸三角形，切削力较强，Xu [8]用有限元法探讨了六种镍钛根管器械不同截面积之扭力情况，研究证实凸面形和螺旋三角横断面器械抗力矩最强，尖端是有部分切削能力的引导性尖，可以引导器械沿着根管形态顺势进入，防止过量切削牙本质壁，ProTaper刃部的锥度是多样化、可变的，为逐渐增加的锥度，该设计认为在预备根管时能较好地保持根管的初始解剖形态，而刃部末端锥度和直径增大，可以敞开根管口和根管上段[9]，减小弯曲度。ProTaper镍钛锉采用了镍钛材质，其物理特点具备更好的柔韧性和弹性，优良的物理弹性提高了ProTaper镍钛锉的抗折断能力，并决定了良好的根管居中性。Schir-rmeister等[10]报道镍钛器械在弯曲根管中产生的扭矩和弯矩明显小于不锈钢锉，应用时更灵活，术中使用后根管成形能力和安全性更高。Necchi等[11]构建了镍钛器械Protaper完成锉F1的三维有限元模型，并证明了有限元分析在改善弯曲根管预备中器械性能方面的有效性，结果显示，镍钛器械有良好的超弹性，能恢复原来的形状，减少根管偏移的发生。ProTaper临床上用冠向下法预备，有限元分析表明，根管锉在大小、方向和作用点相同的扭转力作用下， 约束点接近根尖的最大拉应力值较大，这与临床上根管预备技术的选用有关当采用步退法时，根管锉尖端与根管壁接触；而当采用冠向下法时，根管锉切割刃的中1/3甚至冠1/3与根管壁接触，根尖与根管壁无接触，采用步退法时，在相同受力条件下根管锉将受到更大的应力， 可能导致根管锉更容易折断，因此，推广使用冠向下预备技术有利于在临床上更有效地预防器械折断现象的发生[12]。Kim[13]比较了三种镍钛根管器械在弯曲根管内旋转进出的应力变化幅度和退出根管瞬间的残留应力后认为：ProTaper的最大应力值和应力变化幅度最大，这样就增加了根管内应力集中而根折和器械由于应力集中而分离，其安全性和其效率主要取决于器械的使用方式以及器械的加工方法[14]。镍钛器械锥度大，对根管侧壁切削增加，引起了人们对是否会降低牙根抗折强度的担心，虽然大锥度的根管预备器械预备出的根管有较好的扩展，有利于根管的冲洗和充填，但同时也增大根管腔中上1/3段的直径，使牙本质壁变薄[15]，近年来对根管应力的有限元研究也表明，根管壁厚度的减小会引起根管壁应力的升高[16]。因此剩余牙本质厚度是影响牙齿抗折能力的重要因素。尽管ProTaper镍钛锉有一些不足之处，但是对于预备弯曲根管治疗效果好，术后并发疼痛症状少，适合临床推广。
3 ProFile锉属于大锥度非ISO器械，；有三个锥度：ProFile04( 0.04锥度)、ProFile06(0.06锥度)、ProFileOS(0.05~ 0.08锥度)，ProFile刃部横截面为U形，尖端圆钝，抗弯惯性矩较大，可预防弯曲根管预备时并发症的发生；切缘以放射状平面与根管壁接触，削弱了器械的切削力量；大锥度，简化了预备步骤而达到理想的根管形态，便于充填[17]。陈露[18]等在三种镍钛根管器械在弯曲和扭转状态下的有限元分析中证明：ProFile的弯曲应力最小，在相同尖端位移下所需弯矩也最小，这意味着ProFile具有较好的弹性和抗弯性能，能够自如的顺应弯曲根管的走向，减少根管在预备过程中偏移甚至拉直的倾向，因此，引起弯曲折断的风险相对较低。但[19]ProFile的扭转应力显著大于ProTaper和ProTaperUniversa，最大应力甚至已经达到伪弹性形变阶段，说明ProFile抗扭转性能差，更容易到达马氏体相而发生塑性形变，Zhang[20]认为过度的扭转力矩比过度的弯曲力矩对器械应力的影响更大，这是ProFile在临床上逐渐减少使用的原因之一。
三维有限元分析法为根管预备进行力学研究提供了良好的实验基础，但有限元法也有其不足，因为它是通过有限剖分的单元代替结构整体，所以对予有些复杂多变结构，受有限剖分的限制，会影响计算精确度。要想得到更精确的结论，仍需要进一步的临床和力学研究，随着有限元生物物理模型的日趋精确，有限元分析法与现代组织学方法相结合，为研究分析根管预备过程中的问题提供了新的有效途径，为临床上弯曲根管预备时器械的正确选择提供重要的生物力学基础，优化治疗效果。
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