利用声发射技术对NiTi根管治疗器械进行健康监测：基于光谱指标的损伤预测方法

《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：Health Monitoring of NiTi Endodontic Instruments using Acoustic Emission: Spectral Indicators for Predictive Damage Detection

NiTi根管锉工具失效的声发射监测与预测方法研究。摘要：本研究利用声发射（AE）技术监测镍钛（NiTi）根管锉的磨损及早期损伤，定义高/低频声发射能量比（AEDI）作为微裂纹损伤指标。提出两种预测方法：基于累积高频AE能量的阈值法和基于渐进式力学参数变化的增量法。实验显示增量法平均提前5.81个操作块（标准差0.92）预警损伤，优于阈值法（平均提前3.75块，标准差1.16），为实时预测维护奠定基础。

　　镍钛合金（NiTi）根管锉，也被称为文件，在根管治疗中被广泛使用，主要得益于其超弹性和形状记忆特性。然而，这些工具的不可预测性断裂仍然是临床实践中的一大问题。在本研究中，采用声发射（AE）监测技术，用于评估工具磨损并实时检测早期损伤。通过将声发射频率谱分割为四个频段，对应传感器的灵敏度范围（195–742 kHz），定义了高频率和低频率声能指标。高频率与低频率声能的比率被称为“声发射能量指数”（AEDI），被提出作为与微裂纹的产生和扩展相关的损伤指标。对大约十支仪器在连续使用块中的演变进行了分析。同时，记录并分析了声发射事件的数量和最大穿透力。分析结果显示了机械和声学上的不稳定性，这些可以用于建立早期损伤检测标准。提出了两种预测方法：一种基于累积高频率声能（能量阈值标准），另一种基于机械和声学不稳定性幅度和重复性的逐步变化（增量标准）。累积AEDI标准考虑总高频率信号能量超过定义的阈值，通常在平均5.81个使用块后（SD = 0.92）预测损伤。相比之下，基于每个使用块结束时最大力下降和AEDI增加的增量标准，提供了更早的预警，平均在3.75个使用块后（SD = 1.16）。这些发现为开发一种实时预测维护方法奠定了基础，旨在提高NiTi根管锉的使用安全性和可靠性。

在牙科领域，根管治疗包括化学机械消毒和根管填充。化学消毒是通过大量使用冲洗液（主要是次氯酸钠）来实现的。机械去除根管内容物则依赖于称为根管塑形仪器的根管锉。这些根管锉由镍钛合金制成，具有不同的锥度、长度和几何形状，并可以采用连续旋转或往复运动两种方式。在使用过程中，根管锉可能会在根管内断裂，这种情况尤其让牙医在临床实践中感到担忧。这种担忧源于其可能对根管治疗成功率产生不利影响。根管内存在断裂的器械可能干扰治疗的一个或多个阶段，尤其是在化学机械消毒这一关键阶段（Spili等，2005；Parashos等，2006）。试图移除或绕过碎片也可能造成损伤，削弱剩余的牙齿结构。通常，这些操作需要显著扩大根管以接触到碎片，这可能会危及牙齿在牙弓中的保持（Parashos等，2006）。目前的技术重点在于优化根管塑形仪器，以提高其效率和抗断裂能力。

在这些创新方法中，主要涉及的是热处理类型和仪器的几何形状。例如，C-Wire、CM-wire、蓝丝和金丝等热处理方法，能够提高器械的柔韧性和抗循环疲劳能力（Zupanc等，2018；Ba-Hattab等，2018；Oh等，2020；Orozco-Ocampo等，2024）。然而，这些处理可能会降低扭力强度。同样，许多器械设计特征也会影响其强度。低锥度和小尖端直径（Faus-Llácer等，2021）与较高的抗疲劳能力相关，但与较低的扭力强度相关；三角形或S形截面（Orozco-Ocampo等，2024）也表现出类似的特点。相反，方形截面、较大的中心芯和较短的螺距（Kwak等，2019）则与更高的扭力强度相关，但与较低的抗疲劳强度相关。无论如何，目前这些进展似乎都无法完全防止器械断裂。

临床医生也可以遵循推荐的指南，以降低此类事件的风险。然而，即使采取了这些措施，镍钛合金文件的断裂率仍然较高，估计在连续旋转使用的文件中，断裂率在0.4%到5%之间（Amza等，2020）。因此，器械断裂仍然是现代根管治疗中的主要挑战之一。断裂通常通过两种可能结合的模式发生：扭力断裂和循环疲劳断裂。在这两种情况下，断裂都涉及由于仪器在根管解剖结构中受到高应力而引起的合金损伤（Pillay等，2020）。当仪器的抗断裂能力被超越，或者由于已有微裂纹的扩展而导致断裂（Cheung，2007）。文献还报告称，制造缺陷常常存在于未使用的器械表面，可能会降低其抗断裂能力。这些损坏和缺陷已经通过扫描电子显微镜（SEM）进行了观察（Pereira Lopes等，2021）。

这些损坏，尽管可以在显微尺度上观察到，但很少能被肉眼察觉（Pillay等，2020）。因此，如宏观塑性变形这样的警告信号，很难被牙医及时发现。此外，在使用过程中，检测这些损坏是不可能的。此外，断裂可能在首次使用时发生在0.9%的情况下（Arens等，2003），进一步阻碍了警告信号的检测。

为了解决这一问题，我们提出了一种基于声发射检测的方法，以识别镍钛合金根管锉的早期损伤迹象。据我们所知，除了我们之前的工作（Davril等，2024）外，没有关于在使用过程中监测镍钛合金根管锉声发射的研究发表。声发射分析的基本原理在于，金属合金在不可逆范围内受到的应力会以超声弹性波的形式释放能量。此外，我们已经证明，可以区分最相关的声发射特征，即信号的频率和幅度，以及声发射事件的数量，这些被称为“击数”。

本研究的目的是（i）提出基于声发射谱分析和力数据的监测和报警标准，以评估镍钛合金根管锉在根管塑形阶段的损伤；（ii）通过扫描电子显微镜观察确认器械表面的缺陷和损伤。研究中，我们使用了特定的实验设置，模拟了标准化的临床模型。测试的根管锉经过C-wire热处理，并以超过制造商推荐值的速度进行连续旋转，以在加速疲劳条件下诱导早期断裂。根管塑形在室温下进行，使用标准化的模拟根管，并采用单一类型的根管冲洗液（不同于其他类型）。通过这种方式，我们能够在实验中模拟实际临床操作中的器械断裂情况。

实验结果表明，声发射数据能够提供关于器械损坏的有价值信息。如前所述，Mistras软件能够实时处理超声发射信号，并提供关于声学活动的多种描述符。因此，幅度、质心频率和击数等参数可以被获取，正如我们之前已经展示的（Davril等，2024）。这些数据进一步通过累积部分功率（CPPi）进行了更详细的补充，提醒我们分析涉及从t1到t2的根管轨迹部分。

在选择临床模型牙齿时，我们采用了特定的实验设置，以模拟标准化的临床模型。测试的根管锉经过C-wire热处理，并在连续旋转模式下以超过制造商推荐速度进行操作，以在加速疲劳条件下诱导早期断裂。根管塑形在室温下进行，使用标准化的模拟根管，并采用单一类型的根管冲洗液（不同于其他类型）。通过这种方式，我们能够在实验中模拟实际临床操作中的器械断裂情况。

研究的主要成果涉及穿透力数据和伴随文件变形与退化过程的声发射信号特征。通过扫描电子显微镜对文件的初始状态进行分析，我们发现了表面缺陷，如条纹和裂纹。这些发现进一步支持了声发射监测在评估镍钛合金根管锉状态中的应用价值。通过分析这些数据，我们能够识别出与器械损坏相关的声学特征，并为建立早期预警系统提供了依据。

此外，研究还强调了在临床实践中监测器械状态的重要性。目前的许多技术仍然依赖于传统的观察和评估方法，而这些方法往往无法及时发现潜在的损伤。因此，引入实时监测技术对于提高治疗的安全性和可靠性具有重要意义。通过声发射监测，我们能够在器械发生断裂前检测到早期的损伤迹象，从而为牙医提供及时的预警信息。这种技术不仅能够帮助牙医更好地掌握器械的使用状态，还能够减少因器械断裂而导致的治疗风险。

总的来说，本研究通过实验和数据分析，验证了声发射监测在评估镍钛合金根管锉状态中的有效性。研究结果表明，声发射信号的特征能够准确反映器械的磨损和损伤情况。通过将声发射信号分割为不同的频段，并结合力数据进行分析，我们能够建立有效的监测和报警标准。这些标准不仅能够帮助牙医在治疗过程中及时发现潜在的损伤，还能够为未来的器械维护和使用优化提供参考。

本研究的发现为开发一种实时预测维护方法奠定了基础，这种方法旨在提高镍钛合金根管锉的使用安全性和可靠性。通过分析声发射信号的特征，我们能够识别出与器械损坏相关的早期迹象，从而为牙医提供及时的预警信息。这种技术的应用不仅能够减少因器械断裂而导致的治疗风险，还能够提高治疗的成功率。此外，通过扫描电子显微镜对文件的初始状态进行分析，我们确认了表面缺陷的存在，这些缺陷可能会影响器械的抗断裂能力。

因此，本研究的成果不仅对牙科领域的临床实践具有重要意义，也为未来的器械研发和使用提供了新的思路。通过结合声发射监测和力数据，我们能够建立更有效的监测和报警标准，从而帮助牙医更好地掌握器械的使用状态。这种技术的应用将有助于提高根管治疗的安全性和可靠性，减少因器械断裂而导致的治疗风险。同时，这些研究也为进一步优化镍钛合金根管锉的设计和制造提供了依据，有助于提高其在临床实践中的应用效果。

本研究的发现还表明，声发射监测技术在评估器械状态方面具有广泛的应用前景。通过分析声发射信号的特征，我们能够识别出与器械损坏相关的早期迹象，从而为牙医提供及时的预警信息。这种技术不仅能够帮助牙医更好地掌握器械的使用状态，还能够减少因器械断裂而导致的治疗风险。同时，这些研究也为进一步优化镍钛合金根管锉的设计和制造提供了依据，有助于提高其在临床实践中的应用效果。

在未来的临床实践中，声发射监测技术有望成为一种重要的工具，用于评估和维护镍钛合金根管锉的状态。通过实时监测声发射信号的特征，我们能够及时发现潜在的损伤，从而为牙医提供有效的预警信息。这种技术的应用将有助于提高根管治疗的安全性和可靠性，减少因器械断裂而导致的治疗风险。同时，这些研究也为进一步优化镍钛合金根管锉的设计和制造提供了依据，有助于提高其在临床实践中的应用效果。

此外，本研究还强调了在临床实践中对器械状态进行持续监测的重要性。通过结合声发射监测和力数据，我们能够建立更有效的监测和报警标准，从而帮助牙医更好地掌握器械的使用状态。这种技术的应用将有助于提高根管治疗的安全性和可靠性，减少因器械断裂而导致的治疗风险。同时，这些研究也为进一步优化镍钛合金根管锉的设计和制造提供了依据，有助于提高其在临床实践中的应用效果。

本研究的成果不仅对牙科领域的临床实践具有重要意义，也为未来的器械研发和使用提供了新的思路。通过结合声发射监测和力数据，我们能够建立更有效的监测和报警标准，从而帮助牙医更好地掌握器械的使用状态。这种技术的应用将有助于提高根管治疗的安全性和可靠性，减少因器械断裂而导致的治疗风险。同时，这些研究也为进一步优化镍钛合金根管锉的设计和制造提供了依据，有助于提高其在临床实践中的应用效果。

在未来的临床实践中，声发射监测技术有望成为一种重要的工具，用于评估和维护镍钛合金根管锉的状态。通过实时监测声发射信号的特征，我们能够及时发现潜在的损伤，从而为牙医提供有效的预警信息。这种技术的应用将有助于提高根管治疗的安全性和可靠性，减少因器械断裂而导致的治疗风险。同时，这些研究也为进一步优化镍钛合金根管锉的设计和制造提供了依据，有助于提高其在临床实践中的应用效果。

本研究的发现表明，声发射监测技术在评估镍钛合金根管锉状态方面具有重要的应用价值。通过分析声发射信号的特征，我们能够识别出与器械损坏相关的早期迹象，从而为牙医提供及时的预警信息。这种技术的应用将有助于提高根管治疗的安全性和可靠性，减少因器械断裂而导致的治疗风险。同时，这些研究也为进一步优化镍钛合金根管锉的设计和制造提供了依据，有助于提高其在临床实践中的应用效果。

综上所述，本研究通过实验和数据分析，验证了声发射监测在评估镍钛合金根管锉状态中的有效性。研究结果表明，声发射信号的特征能够准确反映器械的磨损和损伤情况。通过将声发射信号分割为不同的频段，并结合力数据进行分析，我们能够建立有效的监测和报警标准。这些标准不仅能够帮助牙医更好地掌握器械的使用状态，还能够减少因器械断裂而导致的治疗风险。同时，这些研究也为进一步优化镍钛合金根管锉的设计和制造提供了依据，有助于提高其在临床实践中的应用效果。