李 寧，徐 皚，劉興容，蔣雪玉

（西南醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院牙體牙髓科，四川瀘州 646000）

根管預(yù)備是根管治療術(shù)的關(guān)鍵步驟，進(jìn)行根管預(yù)備會(huì)改變牙齒根管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致牙根力學(xué)性能發(fā)生變化,在根管預(yù)備時(shí)應(yīng)盡量維持根管的初始形態(tài)[1]。且根管形態(tài)復(fù)雜，根管解剖因素中特別是根管彎曲程度對(duì)根管預(yù)備的影響很大，而良好的根管預(yù)備是嚴(yán)密充填根管的前提[2]。有研究顯示根管彎曲度超過30°的根管預(yù)備容易導(dǎo)致并發(fā)癥，如：折斷器械，根管堵塞，形成臺(tái)階和肘部等并發(fā)癥[3]。

三維有限元分析方法是目前研究應(yīng)力分析比較科學(xué)和精確的方法之一[4]。本研究利用成人下頜中切牙，建立與牙齒標(biāo)本高度相似的牙齒三維模型，再利用Pro/Engineer Wildfire 4.0軟件，建立不同彎曲角度和彎曲半徑的牙齒模型，分析應(yīng)力分布，了解力學(xué)機(jī)制。

1 材料和方法

1.1 材料

無牙體缺損、明顯磨耗、無明顯根管彎曲的成人下頜中切牙，把牙齒清理干凈后放置0.9%的生理鹽水中。

1.2 主要設(shè)備及軟件應(yīng)用

ThinkPad筆記本電腦（Intel Core2 Duo T5600,2G內(nèi)存，Windows XP系統(tǒng)），Mimics 10.01軟件（Materialise,Belgium）;Geomagic Studio 10 軟件(RaindropGeomagic,USA)；Micro-CT(Siemens Inveon Micro-CT，第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院實(shí)驗(yàn)室)。

1.3 方法

1.3.1 掃描數(shù)據(jù)

對(duì)牙齒標(biāo)本進(jìn)行Micro-CT掃描，掃描時(shí)保持牙齒長(zhǎng)軸與檢查床平行，與掃描平面垂直，將牙齒固定。掃描自切緣至根尖，層厚間距21 μm，獲得2 027張數(shù)據(jù)點(diǎn)圖，將數(shù)據(jù)保存為DICOM格式[5]。

1.3.2 下頜中切牙模型構(gòu)建

將Micro-CT掃描獲得的斷層影像DICOM格式導(dǎo)入Mimics 10.0軟件中，根據(jù)牙齒和牙髓的灰度值的差異（髓腔的灰度值-1 024～-124，牙釉質(zhì)的灰度值+2 000～+3 072、牙本質(zhì)灰度值+1 700～+2 850），界定圖像閾值[6]，通過布爾運(yùn)算分別建立牙齒硬組織和牙髓三維表面圖像模型，并將所得模型存為STL格式[7]。在Geomagic studio 10軟件中導(dǎo)入STL格式的模型文件，在曲面創(chuàng)建之前，修復(fù)模型上的缺陷，進(jìn)行表面光滑、填孔并去除噪音點(diǎn)[8]。以利于牙齒三維模型的有限元的網(wǎng)格劃分，但是修整后要盡量接近真實(shí)牙齒。精修過后得到的三角網(wǎng)格曲面，經(jīng)過分析曲面、劃分曲面區(qū)域、構(gòu)建曲面片、構(gòu)建曲面柵格及曲面擬合等步驟，以IGES格式保存。

1.3.3 建立不同彎曲角度和彎曲半徑的的下頜中切牙三維有限元模型。

用Mimics進(jìn)行測(cè)量，將牙齒側(cè)面斷層掃描影像轉(zhuǎn)化為矢狀面斷層影像，測(cè)量牙根冠狀面、矢狀面最大直徑、牙根內(nèi)直徑（冠狀面及矢狀面）、牙根長(zhǎng)度及錐度角。通過定位牙根矢狀面的中心點(diǎn)坐標(biāo)獲取牙根中心線關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)，截面越多獲取的中心線就越貼近實(shí)際的中心線[9]。本實(shí)驗(yàn)采用0.4 mm間隔獲取矢狀面斷層掃描影像，獲得牙根中心線關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)共80個(gè)。彎曲根管的中心線空間任意曲線是由多個(gè)圓弧混合組合而成，參與混合的圓弧包括左視圖、主觀圖、俯視圖，使用Pro/Engineer Wildfire 4.0軟件設(shè)計(jì)出三個(gè)曲面圖，然后根據(jù)曲面相交所形成的曲線得到彎曲根管的中心線坐標(biāo)，建立彎曲角度為20°、40°和彎曲半徑為2 mm、5 mm的四組牙齒三維有限元模型。

2 結(jié) 果

使用Mimics軟件建立牙齒硬組織和牙髓三維表面圖像模型（圖1），Geomagic studio 10軟件建立牙齒及牙髓的曲面模型（圖2）。進(jìn)一步采用Pro/Engineer Wildfire 4.0軟件建立了不同彎曲角度和彎曲半徑的的四組彎曲根管，分別為：20°2 mm、20°5 mm、40°2 mm 、40°5 mm。模型形態(tài)結(jié)構(gòu)清晰，具有良好的幾何和生物相似性，是較理想的下頜中切牙根管系統(tǒng)三維有限元模型。

圖1 在Mimics軟件中初建的模型

圖2 在Geomagic軟件中曲面化的模型

3 討論

很多學(xué)者在三維建模的方法上進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究和探索[10]，磨片、切片法是破壞性建模方法,其主觀性大、誤差大已經(jīng)被淘汰[11]；用三維測(cè)量法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集成本較高,數(shù)據(jù)處理時(shí)間較長(zhǎng)，無法反映組織內(nèi)在的材料特性,因而也不常用；CT圖像處理法需要把CT膠片上的每一張圖像轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的位圖格式，在掃描傳遞數(shù)據(jù)的過程中容易丟失很多信息，同時(shí)也直接影響著所建立模型精確性，所以也不適合研究較為精細(xì)的實(shí)驗(yàn)使用。本研究通過Micro-CT掃描的方法獲得DICOM數(shù)據(jù)，用Mimics軟件直接讀取DICOM數(shù)據(jù),避免了常規(guī)在Photoshop、Autocad等軟件中圖像的重新定位和二次處理[12]。通過灰度閾值的調(diào)整對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行前處理,提取出圖像的輪廓,避免圖像在Mimics中因多次調(diào)整閾值而產(chǎn)生孔洞、毛刺、棱角等缺陷,減少了信息的損失和失真,提高了模型精度。Geomagic Studio可將掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出一個(gè)NURBS曲面，生成曲面的質(zhì)量和精度都比較高[13]。作為自動(dòng)化逆向工程軟件，Geomagic Studio可以作為CAD、CAE和CAM工具提供完美補(bǔ)充[14]。

研究顯示下頜切牙的唇舌側(cè)彎曲牙齒為50.5%、近遠(yuǎn)中向彎曲的牙齒為15.7%、唇舌側(cè)且近遠(yuǎn)中向彎曲的牙齒為15.7%。彎曲根管的測(cè)量方法較多，臨床上最常用的測(cè)量法為雙參數(shù)測(cè)定法，是通過兩個(gè)參數(shù)來衡量根管彎曲部分的形態(tài)，一個(gè)是根管彎曲度，另一個(gè)是彎曲半徑，以Schneider法測(cè)量根管彎曲度[15]，Schneider分類法：小于20°屬于中度彎曲，大于25°屬于重度彎曲。有研究顯示下頜切牙中度彎曲為18.7%、重度彎曲牙齒為8.5%。本實(shí)驗(yàn)通過Pro/Engineer Wildfire 4.0軟件把牙齒設(shè)置成唇舌向彎曲、彎曲角度為20°和40°、彎曲半徑為2 mm和5 mm，彎曲部位為根尖三位之一，對(duì)臨床實(shí)際操作有較好的指導(dǎo)意義。Mimics可將牙齒側(cè)面斷層掃描影像轉(zhuǎn)化為矢狀面斷層影像[16]，通過Mimics10.0自帶工具從任意角度、方向上觀察牙齒三維模型，用來測(cè)量牙根冠狀面、矢狀面最大直徑、牙根內(nèi)直徑（冠狀面及矢狀面）、牙根長(zhǎng)度及錐度角等，能精確的反應(yīng)根管內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，為下一步實(shí)驗(yàn)奠定良好的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

本研究利用成人下頜中切牙，建立與牙齒標(biāo)本高度相似的牙齒三維模型，能精確反應(yīng)根管內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步研究根管預(yù)備過程中的生物力學(xué)情況提供了一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。有望為研究根管預(yù)備過程中的問題提供新的有效途徑，為臨床上彎曲根管預(yù)備過程中器械的正確選擇提供重要的生物力學(xué)基礎(chǔ)，優(yōu)化治療效果。