1、北京口腔医学 2023年第31卷第3期 Beijing Journal of Stomatology June 2023，Vol.31，No.3217口腔生物力学的研究方法罗宇 江青松【摘要】生物力学是研究生物与力学有关的问题，从力学的角度来解释生命的科学，存在于口腔医学的各个领域。实验应力应变分析和理论应力应变分析是两大分支，常用的研究方法可分为实验生物力学技术（如电阻应变测量法、光纤光栅法、全息干涉法、数字图像相关法、光弹性法等）和计算生物力学技术（如有限元法）。这些技术为研究口腔医学中的基础问题、解决临床中的实际问题、发展临床诊疗手段，提供了力学基础。现对以上研究方法在口腔领域的应用特点
2、进行分析比较。【关键词】生物力学；口腔医学；口腔生物力学【中图号】R781【文献标识码】A【DOI】10.20049/j.bjkqyx.1006-673X.2023.03.014力学是研究物质运动规律的学科，生物学是研究生命相关的学科。生物力学（biomechanics）作为生物医学、工程学的重要交叉学科，研究生物学与力学有关的问题，从力学的角度来解释生命科学。口腔生物力学是生物力学的一个分支，是一门通过力学的方法来研究口腔生物学的学科。口腔正畸、口腔修复、牙体牙髓病、口腔颌面外科等学科均存在大量生物力学相关问题，对口腔生物力学的研究，促进了口腔生物材料学和口腔临床医学技术的进步。生物力学的研
3、究方法根据研究方式的不同可分为实验应力应变分析和计算力学分析。实验应力应变分析的一项重要任务是测量构件在机械负荷下的变形情况。构件表面的应变测量，根据测量范围分为逐点应变测量，如电阻应变测量法、光纤光栅法；还有多种全场非接触光学测量法，如干涉测量技术（主要有全息干涉）和非干涉测量技术（主要有数字图像相关法）。而光弹性法则可测量构件内部的应变情况。当实验条件难以满足需求时，计算生物力学技术可模拟出相似的实验条件，如有限元法。下面将介绍这两大方面的研究方法及优缺点。1.电阻应变测量法电阻应变测量法是借助电子仪器，依据电阻丝的电阻率随其变形而变化,把力学参数转换成电学参数,通过测量电学参数并按照比例
4、关系转换成试件的应变值，其灵敏度高、精度高，主要代表为T-Scan 系统。T-Scan 的传感器由传导线组成，传导线围成多个带有小的正方形压敏区域网格，称为感应器。当在传感器箔片上施加压力时，感应器的电压下降，经数字化处理后在T-scan的软件中显示1。1987 年 Maness 等2发明的 T-Scan 咬合分析系统将时间参数引入到咬合记录中，对牙合接触进行动态定量分析。有研究发现当咬合力较低时，T-Scan 无法准确记录咬合接触和咬合力，这与传感器灵敏度和分辨率有关3。Patyk 等4通过体内实验测试发现T-Scan 系统的敏感度、二维分辨能力较弱，且感应器敏感性的变异过大，认为这局限了它
5、的临床应用。经过 10 余年发展，随着 T-Scan 系统的不断升级改进，最新的传感器箔片和软件系统的灵敏度都有了很大提高。T-Scan 传感器由厚度约 0.1 mm、易弯曲的印刷电路制成，传感器的传感单位大号为 1370 个，小号为 1122 个，并可重复使用 1525 次。T-Scan 系统的传感器箔片敏感区增加 33%，不敏感区减少 50%，并提升了稳定性5。2006 年 T-Scan 数字化咬合分析系统在临床中开始广泛应用，它已被证明精确可靠，是记录咬合接触的快速方法1。临床上，Carey 等6使用 T-Scan 系统研究了咬合印记与咬合力之间的关系，发现虽然总体趋势为印记面积随负载的
6、增加而增加，但不同的咬合力可产生相同大小的印记。因此，与传统的咬合纸相比，T-Scan 可以显示咬合接触情况，是咬合接触分析评价的可靠方法。用 T-scan 记录患者的咬合情况，可对咬合力心的位置进行调整，咬合力心离中心越近，咬合力分布更均衡、更稳定7。张人杰等8提出可将 T-Scan 用于咬合重建患者的功能性疗效评价。作者单位：100050 北京 首都医科大学口腔医学院修复科 罗宇（现在北京医科大学附属北京潞河医院）、江青松 通信作者：江青松，E-mail：，电话：010-57099210北京口腔医学 2023年第31卷第3期 Beijing Journal of Stomatology J
7、une 2023，Vol.31，No.3218优点：T-Scan 的传感器尺寸小、精度高；技术成熟，已在临床广泛用于咬合接触情况的测量。缺点：T-Scan 属于接触式测量方法，所测得的咬合力数值是一个相对值而不是绝对值，且超过一定限度的咬合力无法准确测量；有研究称当重复使用时传感器膜的表面并不总是表现出均一的灵敏度9；置于口内的传感器可能会影响咬合，受到唾液的影响10；当体位改变咬合接触位置不准时，则无法确认口腔中的咬合接触。尽管存在以上不足，T-Scan 咬合分析系统仍是目前测量动态咬合接触较先进的方法。2.光纤布拉格光栅法光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating,FBG）作为
8、一种新型的光学器件，利用光学方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成衍射光栅，传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格波长的调制来获取传感信息，将外界物理量转换成可直接测量的光信号。与传统电阻应变测量法相比，FBG性能更高，可进行高灵敏度的参数测量11。从 20 世纪 70 年代至今，FBG 有了很大的进步，已有很多医疗设备传感器的相关研究11。Tjin 等12首次将 FBG 技术用于口腔领域，由于 FBG 传感器尺寸小，易于嵌入夹板中且保持夹板效率不变，对于睡眠呼吸暂停综合征患者，将 FBG 传感器置于牙弓夹板矫治器中来监测其佩戴时的压力和温度。近年来通过 FBG 技术与红外成像技术的联
9、合应用，Fiorin 等13对磨牙症患者的夜间睡眠进行监测，发现磨牙症的发作与咀嚼肌节律性运动的联系。因此，FBG 传感器在颞下颌关节相关疾病中具有应用潜力14。Grewal 等15在牙列模型和运动防护牙托上粘上 FBG 传感器，观察其在冲击载荷下的作用效果，通过计算 FBG 应变值的差值来反映运动防护牙托所吸收的冲击能量。优点：FBG 以光纤为信号载体，体积小、重量轻、可嵌入到毫米级厚度的材料中13；实验系统较简单；与电阻应变测量法相比，FBG属于光学测量方法，能够抗电磁干扰。缺点：使用FBG 时，需从波长偏移中提取相关信息，存在热力耦合现象，即温度场会对应力场有所影响。3.全息干涉法传统的
10、测量方式如电阻应变片、FBG 等，与待测物体贴合，通过共同变形的方式记录表面变形，虽然精度高，但只能获得某一个方向上的测量信息。为获得更大面积的表面应变信息，进而研发出了全场测量技术。全息干涉法（holographic interferometry,HI）是一种非接触全场测量技术，使用全息照相，在模型不受力时通过模型的物光与参考光在全息底片上发生干涉，进行第一次曝光，加载后再在同一张全息底片上进行第二次曝光，获得物体变形前后的干涉条纹图来分析物体运动、形变的一种精细测量，其对微小位移敏感度高16。HI 可用于分析牙体和周围组织的形变、力的传递、修复体的稳定性等。Chen等17在全冠牙合面中央窝
11、处加载垂直负荷，使用 HI观察冠边缘开口和水平位移的情况，并认为该方法可用于临床判断粘接是否失败。Pezzoli 等18对不同设计的可摘局部义齿，使用 HI 对基牙和义齿鞍基的位移进行测量，证明了近中牙合支托对基牙产生的扭力较小，并且对牙槽骨的作用力更趋于垂直。优点：HI 作为光学技术，有实时、全场、非接触、高灵敏度等优点，在无干预的情况下可视地测量物体表面的微小变化。所测量的物体可以是透明的或不透明的，且表面可为任意形状。缺点：HI 的成像受光敏电子成像器件的分辨率影响。HI 易受震动的影响，需要搭建复杂的光路，通常只能在光学平台上进行试验。当修复体位移超过一定程度时，HI 的相干光源无法产
12、生干涉条纹，只能精细测量稳定性的变化19。近年来，有学者将 CT 成像与全系干涉法相结合，以实现对物体的三维结构重建20。随着分辨率的提高和全息显微镜的发明，HI 可用于分析负载下的微小组织、细胞等的微小变化21。4.数字图像相关法数字图像相关法（digital image correlation,DIC）起源于 20 世纪 80 年代，是图像处理技术与数值分析理论相结合的一种非接触式光学测量技术。测量的基本过程是用摄像机拍摄试件变形时表面的散斑图像，这些散斑图以灰度值的矩阵形式存储于计算机中，且每个像素都是一个具有灰度值的数据点，然后对变形前后两幅数字图像中相同的像素点进行相关匹配计算，从而
13、得到被测物体表面各点的位移值22。为了能记录物体表面的散斑图，样品表面需具有非重复特征的图案，以通过跟踪其运动来确定表面变形，因此若样本的表面纹理无法提供高对北京口腔医学 2023年第31卷第3期 Beijing Journal of Stomatology June 2023，Vol.31，No.3219比度斑点，则需要人工喷涂形成不规则图案23。起初 DIC 的研究多集中在二维变形的测量，称为二维 DIC24。为了实现三维变形的测量，1993 年Luo 等25提出了基于双摄像机的三维 DIC。通过双目视觉系统对待测材料表面变形前后的图像进行采集，能够获得其三维坐标及变形信息，从而实现复杂物
14、体的表面形貌重建，据此得出全场应变。虽然DIC 敏感性不如光弹法、精度不如电测法，但它并不限于使用光偏振材料26。在口腔领域中，董帅等27使用 DIC 法重构出复杂的口腔印模三维形貌。Tiossi等26将其用于测量树脂聚合过程的应变场，确定了最大应变区域，并已验证其可靠性和重复性。除了力学测量，DIC 还能进行实时成像，使用 DIC 中的离散标记点跟踪技术导航正颌手术28。优点：DIC 属于光学非接触的全场测量，可移动，可用于较大应变的测量；图像采集所需的实验设备较简单且容易获得样本图像；可通过调整摄像机的视场改变精度。缺点：DIC 的精度受摄像机、计算机图像处理技术的限制；视场越大，精度越低
15、。5.光弹性应力分析法测量试件内部的应变情况，可使用光弹性应力分析法（photoelastic stress analysis,PSA）。基本原理是利用光弹性材料的双折射效应测量应力应变，较为常用的如环氧树脂，是各向同性的非晶体材料，在自然状态下不会产生双折射，受到负载时就会产生双折射现象。可制成与研究对象形状相似的模型，或直接在物体表面进行光贴片处理，置于偏振光场中，施加一定的负载就可产生干涉条纹，这些条纹显示出模型边界和内部各点的应力情况。物体受力越大，干涉条纹越密集，可通过观察条纹来分析应变大小。PSA 可细分为冻结切片光弹法、贴片光弹法、散光光弹法等。冻结光弹法是在高温时对树脂模型加载
16、，并逐渐冷却到室温后再撤去负载，光学效应可保存下来，再通过切片分析光学条纹得到应力分布。Glickman等29将离体牙置于光弹性材料中，分别加载轴向力和倾斜力，利用冻结光弹法比较固定桥中当作基牙前后的牙根周围的应力分布。Burcak 等30针对牙外伤之后的不同夹板固定形式施加轴向力和侧向力，使用冻结光弹法分析牙根周围组织应力分布情况。李佳等31将种植体置入光弹性材料中，对三种单冠进行疲劳老化，研究对种植体周围组织应力分布的影响。贴片光弹法是在模型表面涂布光弹性涂层，利用模型在承受负载时涂层出现应变并展现出对光的双折射，进而反映出应力集中现象32。除体外模型研究外，还可用于口腔修复体生物力学的体内研究。Fernandes 等33使用贴片光弹法进行体内实验，在套筒冠义齿的颊侧涂布双折射树脂，观察承受负载时，各区域的应力情况，证明了贴片光弹性作为定量技术的有效性，并能得到与应变仪相似的应力值。优点：PSA 属于非接触式测量，既可测量物体表面的应变，也可测量内部的应变；能够可视化复杂结构（如牙周组织、牙槽骨等）中的应力，可直观地观察整个模型中的应力模式，易于找到应力集中的部位。缺点：施加的外力