基于Micro-CT初步分析沟裂结构对下颌第一磨牙应力分布的研究

孙丽梅，许立侠，徐红梅



基于Micro-CT初步分析沟裂结构对下颌第一磨牙应力分布的研究

孙丽梅，许立侠，徐红梅

下颌第一磨牙；沟裂；三维有限元；应力分布

下颌第一磨牙在发育过程中多个生长叶相连，在牙冠表面形成近中沟、远中沟等五条发育沟。另外在牙冠上还有副沟、裂、点隙、窝等凹陷部位。在以往关于下颌第一磨牙受力分析的研究中[1-3]，由于扫描技术等原因，所建立的有限元模型中不包含内部点隙、沟裂等结构，对应力在牙表面的分布情况造成一定影响。本研究采用分辨率较高的Micro-CT扫描，并选择较多扫描图片，建立包含沟裂结构的下颌第一磨牙有限元模型，并初步加载载荷，分析沟裂结构的存在对下颌第一磨牙表面应力分布的影响。

1　材料与方法

1.2方法 (1)将该下颌第一磨牙标本垂直放入塑料泡沫中固定，放入Micro-CT样品杯中，使牙长轴与样品杯长轴一致。以14 μm的扫描分辨率在80 kv 及 500 mA的条件下对样本进行360 °旋转扫描。经COBRA软件重建后获得1248张样本的2-D纵断面图像，并以Dicom的格式输出(图1)。(2)下颌第一磨牙有限元模型的建立。从获得的1248张Dicom图像每隔3张选取1张，将获得的312张图片转换成Mmics格式，构建包含及不包含沟裂结构的下颌第一磨牙有限元模型(图2、3)。(3)材料参数对各物质定义，并将沟裂内物质弹性模量分别定义为0 及83000 MPa，构建包含及不包含沟裂的有限元模型，即本实验的实验组及对照组(表1)。(4)实验条件假设。实验过程中将釉质、牙本质等各种组织材料均视为连续、各向同性的均质弹性材料[4-6]。(5)边界条件。本实验中，该牙的颊舌侧以及底部牙槽骨完全固定约束，其余各面均为自由边界[2]。(6)加载条件。在磨牙面中央窝沟处置一直径为2 mm的小球，于小球上端垂直加载500 N的力，模拟正中咀嚼时磨牙受力情况。

图2　下颌第一磨牙有限元模型

图3.右下颌第一磨牙各组织有限元模型

材料弹性模量(MPa)泊松比牙釉质830000.30牙本质186000.32牙槽骨13700.30牙周膜68.90.45

1.3观察指标本实验主要观察牙体表面拉应力(S1)的分布情况，应力值前有“-”表示压应力，无“-”表示拉应力。在应力云纹图上，以由蓝至红各颜色表示应力分布情况，越接近红色表示拉应力值越大，越接近蓝色表示压应力值越大。

2　结　　果

图4　加载后实验组与对照组拉应力分布

3　讨　　论

有限元分析方法是解决生物力学问题，尤其是复杂力学问题时的一种快捷有效的工具。采用有限元分析方法进行应力分析最关键的步骤就是高效快捷地建立精确的有限元模型[8-10]。三维有限元模型的建立方法较多：一种是磨片、切片法，将牙使用环氧树脂等材料进行包埋后切片获得各截面信息；另一种是采用各种测量仪器对牙齿进行扫描，获取所需的截面信息。二维截面信息的获取是一个复杂的过程且具有较大的主观性，而模型与标本的相似程度是由各个二维截面信息决定的。

目前,较常采用的获取二维信息的方法主要包括螺旋CT、CBCT等技术。Kim I等[10]回顾分析了计算机三维技术在牙体结构重建中的作用后提出，原始数据的精确度和丰富性是建立牙齿三维结构数据库的基础和前提。随着技术的发展， Micro-CT扫描技术出现，并逐渐应用于有限元分析中。该方法具有较高的精确性，分辨率以及无创性等优点。本实验中，采用Micro-CT以14 μm层间距扫描，所获得的二维信息精确度高，图片中包含各沟裂的内部沟裂结构；另外，在建立三维模型过程中每隔3张选取一张二维图片，各断层间距离较小，这就为本实验建立包含沟裂结构的精确地磨牙有限元模型提供了基础和前提条件。

综上所述，本实验通过对包含内部沟裂结构的下颌第一磨牙进行力的初步加载，发现窝沟处有拉应力的集中，且拉应力值较大，从力学分析的角度解释了临床中常见的牙隐裂等现象。该研究模型的设计也为进一步分析沟裂结构对牙体应力分布的影响奠定了理论基础。

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(2016-01-08收稿2016-08-01修回)

(责任编辑郭青)

Influence of fissures on the mandibular first molar based on digital images by Micro-CT

SUN Limei，XU Lixia，and XU Hongmei.

Department of Stomatology,General Hospital of Chinese People’s Armed Police Forces, Beijing 100039,China

ObjectiveTo investigate the effect of grooves and fissures on stress distribution of the right mandibular first molar.MethodsAn intact first mandibular molar was scanned with Micro-CT, before ANSYS14.0 software was used to establish a three-dimensional finite element model of the right first molar with or without grooves. 500N was loaded to compare the stress distribution in the two models.Resultsn the two models, the tensile stress appeared in the fovea groove. The peak tensile stress was 92.48 MPa in the experimental group and 71.34 MPa in the control .The stress peak value and distribution of tensile stress in the experimental group were significantly greater than those in the control group. ConclusionAfter loading on the two models, it is found that the existence of the grooves structure affects the stress distribution of the mandibular first molar, which requires further research.

mandibular first molar; groove; three-dimensional finite element; stress distribution

武警总医院院内资助项目(WZ201024)

孙丽梅 ,硕士研究生。

100039北京，武警总医院口腔科

徐红梅，E-mail:h-m-xu@163.com

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