后磨牙樁核修復(fù)技術(shù)的實驗研究

1、后磨牙樁核修復(fù)技術(shù)的實驗研究*            作者：尹 蘭1，王 偉1，董萼良1，劉根娣2 ，何小元【摘要】  目的  對后磨牙樁核修復(fù)技術(shù)進行實驗研究。方法  采用先進的現(xiàn)代光測技術(shù)，即數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（Digital Image Correlation Method）對修復(fù)后磨牙和正常后磨牙在模擬的牙周組織中的位移和應(yīng)變進行了測試，并比較了二者的差異。結(jié)果  樁核修復(fù)有利于保持牙弓形態(tài)，有效的傳遞牙齒上所承受的垂直載荷。結(jié)論  該研究

2、充實了數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用，豐富了醫(yī)學界口腔領(lǐng)域關(guān)于樁核修復(fù)技術(shù)的現(xiàn)有成果。      【關(guān)鍵詞】  數(shù)字圖像相關(guān)；樁核修復(fù)牙；位移； 應(yīng)變     【Abstract】  Objective  In the stomatology regions， the clinical application of post-core restoring teeth is increasing. Yet， surprisingly， the correlative theory an

3、d experiments reported are rather limited.Methods  In this paper， the advanced optical technique， that is digital image correlation method， has been used to measure the displacement and strain in periodontal support between restored molar and normal molar.Results  By the comparison，the pos

4、t-core technique has the advantage of maintaining original state and effectively transfer various loads supported by teeth. It shows that the mechanic performances of post-core restored teeth are nearly identical to the normal one.Conclusion  The restored teeth will not make bad feelings to peo

5、ple when chewing. The post-core restoring technology can be used for clinic. On the other hand， it is proved that the application of digital image correlation would have wide-ranging prospect and enriched the production about the post-core technique in medicine regions.      【Key

6、 words】   digital image correlation； post-core restoring tooth； displacement； strain      后磨牙是口腔中主要咀嚼器官之一，因磨耗或其他原因而只有殘根時，過去一般認為是拔除，但近幾年由于治療手段的科學化和先進化，對后磨牙進行樁核修復(fù)已在臨床上得到應(yīng)用。由于后磨牙位置靠后，牙根比較多，一般是二根或三根，因此屬于多樁核修復(fù)。國內(nèi)外關(guān)于此情況的實驗分析和有限元模擬的報道較少，主要集中在對切牙應(yīng)力分布的研究上。為了了解樁核修復(fù)技術(shù)對后磨牙的影響情況，本文首

7、次提出用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)對完好的離體后磨牙及樁核修復(fù)后的后磨牙進行測試。      數(shù)字圖像相關(guān)方法(DICM)是近年來發(fā)展很快的一種光測方法，這種方法通過拍攝變形前后物體表面的散斑場，然后進行相關(guān)程序的運算得到變形信息，DICM方法精度高，適用范圍廣，對測量環(huán)境要求低，因此得到廣泛的應(yīng)用。目前常用的DICM方法有兩種：一種是激光散斑法，用激光作光源照射物體，在物體表面前方干涉形成散斑場；另一種是白光散斑法，是利用物體表面特征斑點或人工在物體表面形成一個散斑場，例如在事件表面涂以玻璃微珠漆，然后用白光作光源拍攝就能得到一個散斑場。白光散斑法在最近幾年發(fā)展

8、很快，已成為一種趨勢1。      在該實驗中筆者即采用了白光散斑法，對牙體表面采取了人工制斑以及利用牙體表面本身所具有的一些斑點，以這些斑點作為圖像處理的特征信息。利用數(shù)字相關(guān)程序分析處理即可獲得牙齒在模擬牙周組織中的位移和應(yīng)變，從而為后磨牙樁核修復(fù)技術(shù)的臨床應(yīng)用提供了實驗依據(jù)。       1  基本原理      數(shù)字圖像相關(guān)方法（DICM）是一種非接觸式的，易行的，獨特的測量位移和應(yīng)變的測試方法。該方法是現(xiàn)代圖像處理技術(shù)與光測力學相結(jié)合的產(chǎn)物。它通

9、過CCD將物體變形前后的圖像（即散斑）轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像，由計算機作相關(guān)運算，找出兩幅數(shù)字圖像之間的細微差別，從而測出物體的位移、應(yīng)變等信息。數(shù)字圖像相關(guān)方法在宏觀、細觀和微觀結(jié)構(gòu)的變形測量分析中都具有突出的優(yōu)越性，自20世紀80年代由山口一郎和Peters等人相互獨立提出以來，現(xiàn)在應(yīng)用領(lǐng)域比較廣泛，已基本發(fā)展成非接觸變形測量的強有力手段2。      由于斑點的隨機性，物體上每點周圍一個小區(qū)域中斑點分布是各不相同的，這個小區(qū)域通常稱為子集，對于物體變形的測量可通過觀察子集的移動和變形來完成。圖1為同一坐標系下的物體變形前后的兩幅圖像。物體由E變形而移動到F

10、，E上一點P(x0，y0)移至P。移動的整像素位移為（u， v）。圖1  物體變形前后圖像Fig.1  Image of object before and after deformation   如果取P為研究點，以P為中心取子集A，假設(shè)為m×m個像素，則A就記錄了P點周圍隨機分布的斑點灰度值的信息，移動后，原來子集A處的斑點，就位于子集B處相應(yīng)的位置，斑點間一一對應(yīng)，這是另一樣本空間。由概率和統(tǒng)計理論知道，兩樣本空間A，B完全匹配即相關(guān)，則相關(guān)系數(shù)為1，若有變形，相關(guān)系數(shù)會下降，則相關(guān)系數(shù)就小于1。若取一個非相應(yīng)位置處的子集B，則B和A就不

11、完全相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)更小或為03。設(shè)f(xi，yj)為變形前圖像子集A中(i，j)處的光強，g(x*i；y*j)為變形后圖像子集B中對應(yīng)點坐標(x*i；y*j)的光強，f，g-D， 為計算子集區(qū)域的平均灰度值。則子集A和子集B的相關(guān)系數(shù)可用標準化協(xié)方差相關(guān)函數(shù)來估計： 可以由A、B的相關(guān)來確定某點的P的位移及其導數(shù)，只要兩者相關(guān)，對于相關(guān)系數(shù)分布的C(u，v)曲面，根據(jù)相關(guān)系數(shù)取最大值時的位移就是真實的散斑位移4。因此由上述原理可以得到物體變形的位移信息，從而用數(shù)值方法得到相應(yīng)的應(yīng)變。      2  實驗過程  

12、    2.1  試件的制備  試件主要分為兩部分：一部分為中大醫(yī)院提供的一組新鮮離體無齲、無損傷的正常后磨牙（浸泡于生理鹽水中），包括上磨牙和下磨牙（男性的）；另一部分是制備的牙周組織模擬體，由上海第二醫(yī)科大學醫(yī)藥材料廠生產(chǎn)的自凝透明粉（20g）+（80ml）義齒基托樹脂液劑型（又稱：自凝牙托水，上海珊瑚化工廠生產(chǎn)），配置比例為1：4，放置于空氣中自然固化，待液體呈粘稠狀，稍微具有一定強度時，將后磨牙埋置于其中，模擬牙齒在牙周組織中的形態(tài)。待材料完全固化好后即可進行實驗。實驗后對這些正常的后磨牙使用樁核修復(fù)技術(shù)進行加工即可得到修復(fù)后的試件模型。

13、0;     2.2  實驗裝置   實驗系統(tǒng)由安置在固定結(jié)構(gòu)上的白光光源、被測試件、CCD攝像頭、砝碼-杠桿加載裝置、圖像采集與處理設(shè)備(計算機)等，實驗在防振臺上進行。實驗裝置簡圖如圖2。圖2  實驗裝置簡圖Fig.2  Sketch of experiment installation    2.3  實驗方法   先將試件定位在砝碼-杠桿加載裝置的測試臺上，試件下緣與測試臺臺面均勻接觸，防止下緣呈點接觸，影響測量的位移和應(yīng)變數(shù)值。然后對試件進行分級

14、加載，每級荷載為25KN，加載等級為20級，加力方向擬正中咬時垂直受力狀態(tài)。為了突出牙齒在牙周模型中的力學特性，提高測試精度，加載時加大了加荷力度。因為對于男性，每個磨牙在正常情況下，磨牙牙周膜所能耐受的咀嚼壓力為350KN，但一般通過訓練咀嚼壓力可以有很大提高，且不會形成牙周組織的損傷，而這些強大的咬力迅速向臨近牙槽骨擴散，以增加單位面積的承受能力，而不形成對牙周組織的創(chuàng)傷性力5。所以這里荷載加到500KN是可行的。      在定位好試件后，根據(jù)需要選擇CCD的鏡頭、光圈和調(diào)整焦距，采用穩(wěn)定、均勻光源，以使得到散斑圖中的散斑顆粒清晰、大小合適。為了減

15、少離面位移的影響、消除間隙，對試件預(yù)加微小初始力（杠桿及立柱的重量），穩(wěn)定后采集第一幅圖像，作為樣本圖像，然后分級加載，采集每級荷載下的圖像各5幅，作為目標圖像，從而得到整個加載過程的散斑圖，圖幅大小為768*576pixel。這些散斑圖就是數(shù)字圖像相關(guān)方法進行變形分析的原始數(shù)據(jù)，利用數(shù)字相關(guān)分析軟件就可以得到整個加載過程的位移與應(yīng)變演化情況。因計算結(jié)果是以像素為單位，為了將像素換算成長度單位，需要對記錄系統(tǒng)進行標定，本實驗采用簡單的標定方法，在實驗對象的同一位置處放置一把刻度尺，采集圖像，找出像素數(shù)與單位長度之間的對應(yīng)關(guān)系，就完成了標定。應(yīng)該注意的是標定后對系統(tǒng)不能再做任何調(diào)整，否則需要重新

16、標定。這里對修復(fù)前后的實驗應(yīng)分別進行標定。分析計算后得到的是各個狀態(tài)的位移場和應(yīng)變場，結(jié)果保存在數(shù)據(jù)文件里，然后用后處理軟件（origin、matlab等 ）處理和顯示出來。              對正常后磨牙試件和樁核修復(fù)后的后磨牙分別進行上述實驗，得到各自的處理結(jié)果以用于分析比較。圖3為對應(yīng)的樁核修復(fù)前后的上磨牙散斑圖像：（a）修復(fù)前  (b) 修復(fù)后圖3  樁核修復(fù)前后的上磨牙散斑圖像(a)Before restored  (b)Aft

17、er restoredFig.3  The speckle image of teeth before and after restored   3  結(jié)果與分析      由于實驗均是對同一牙齒進行樁核修復(fù)前后的位移及應(yīng)變進行測試，其試驗的模型、條件、環(huán)境、方式等均一致，從而使得修復(fù)前后的測試結(jié)果具有最大的可比性。本研究是對修復(fù)前后的后磨牙在各級荷載下的散斑圖進行處理，得到其位移場與應(yīng)變場，再利用origin處理軟件得出兩者的位移對比曲線及變形對比曲線。這些曲線即可用來分析修復(fù)技術(shù)的可行性及修復(fù)的好壞。對于上磨牙

18、，它有三個牙根，為了分析修復(fù)前后各牙根的受力情況，下面分別給出了修復(fù)前后各牙根相對于牙周組織移動的u、v場對比曲線。圖4分別為正常后磨牙和樁核修復(fù)后的后磨牙各個牙根的u場曲線，圖5分別為對應(yīng)的修復(fù)前后的后磨牙各個牙根的v場曲線。(a)修復(fù)前  （b）修復(fù)后圖4  樁核修復(fù)前后后磨牙各牙根u場對比曲線 (a)Before restored  (b)After restoredFig.4  Displacement of the teeth before and after restored in the x direction(a)修復(fù)前

19、0; (b)修復(fù)后圖5  樁核修復(fù)前后后磨牙各牙根的v場對比曲線(a)Before restored  (b) After restoredFig.5  Displacement of the teeth before and after restored in the y direction   由上面的曲線可以看出，修復(fù)前后的后磨牙各牙根隨著荷載的增大在x、y方向的位移均呈增大趨勢。注意的是為了評價修復(fù)技術(shù)的好壞，本文在分析結(jié)果時側(cè)重于對曲線進行對比分析。      從上面曲線的對比中，可以清楚地看到

20、修復(fù)后的后磨牙在受咬力下各牙根相對于牙周膜的移動情況與正常后磨牙基本保持一致，進而從另一角度說明修復(fù)前后的后磨牙對牙槽骨的作用力也保持一致，沒有畸變。同時也進一步說明咬力在修復(fù)后的后磨牙各牙根的分配、傳遞情況均與正常后磨牙保持一致。      為了更有力的說明修復(fù)前后的后磨牙在荷載下的狀態(tài)，下面給出了修復(fù)前后的后磨牙牙根的整體平均應(yīng)變曲線對比圖。圖6為樁核修復(fù)前后的后磨牙在x、y方向的應(yīng)變。(a)x方向的應(yīng)變  (b)y方向的應(yīng)變圖6  樁核修復(fù)前后的后磨牙分別在x、y方向的應(yīng)變(a)Strain in x direction  (b)Strain in y directionFig.6  Stain of the teeth before an