使用多层感知器分类器对弹性组织模型中的夹杂物进行振动声学检测：一项概念验证研究

《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：Vibroacoustic detection of inclusions in an elastomeric tissue phantom using a multilayer perceptron classifier: A proof-of-concept study

本研究通过3D重建和有限元分析模拟镍钛锉在曲根管中的应力分布及轴向力变化，结合机器人平台实验验证，提出转速＞350rpm、进给速度＜6mm/s时根管预备更安全。摘要后分隔符：

　　
镍钛根管预备器械参数优化研究

研究背景与临床意义
根管预备作为现代牙髓病治疗的核心环节，其操作参数的精准把控直接关系到治疗安全与疗效。镍钛合金器械因其独特的生物力学特性，已成为临床主流的根管预备工具。然而，不当的转速与进给速度不仅会导致根管壁的机械损伤，还可能引发器械折断等严重临床问题。世界卫生组织2022年全球口腔健康报告显示，超过35%的牙髓病患者存在根管系统解剖结构的复杂性，这进一步增加了操作风险。

传统研究多聚焦于单一参数下的器械应力分析，缺乏多参数耦合作用下的系统研究。本研究创新性地构建了三维动态有限元模型，结合机器人辅助的实体测量系统，实现了根管预备过程中轴向力、接触应力等多物理场的协同分析。研究团队通过建立直径0.6-0.8mm、长度15-25mm的镍钛器械三维几何模型，精确还原了CBCT影像中根管壁的解剖特征，为后续生物力学模拟提供了可靠的基础。

研究方法与技术路线
在实验设计层面，研究团队采用"数字建模-数值模拟-实体验证"的三段式研究路径。首先利用自适应脉冲耦合神经网络（PCNN）算法，从哈医大二附院提供的68例CBCT影像中完成根管壁的三维重建，精度达到0.1mm级。这种基于医学影像处理的前处理技术，有效解决了传统二维模型无法准确反映根管壁曲率变化的问题。

数值模拟环节采用显式动力学有限元分析（ABAQUS/Explicit），建立了包含材料非线性、几何非线性的动态模型。通过弹性-塑性模型与Johnson-Cook本构模型的耦合应用，成功捕捉了器械与根管壁接触过程中的动态应变硬化效应。特别值得关注的是，研究创新性地引入30%根管预备率的参数设置，这相当于将根管截面积扩大至初始状态的71%，从而更贴近临床操作的实际需求。

实体测量系统基于UR5e协作机器人平台构建，通过六轴力传感器（采样频率1000Hz）实现了轴向力、扭矩等12项关键参数的实时采集。实验设计覆盖了150-800rpm转速区间（步长50rpm）和1-8mm/s进给速度范围（步长1mm/s），共设定192组工况进行对比分析。这种系统化的参数扫描方法，为建立临床操作的安全阈值提供了实验基础。

主要研究结论与临床启示
1. 转速与进给速度的协同效应显著
当转速超过350rpm且进给速度低于6mm/s时，器械-根管接触界面最大接触应力可降低42%-58%，轴向力波动幅度控制在15%-25%的误差范围内。这种"高速低进"的操作模式，既能有效清除根管壁的牙本质残屑，又可避免因高速旋转导致的微裂纹扩展。

2. 根管解剖结构的动态影响
研究证实，根管壁曲率半径与器械旋转半径的比值（R/r）对轴向力影响达37%。当R/r>1.2时，器械尖端易产生应力集中；而R/r<0.8时，侧向剪切力显著增加。这为临床选择不同器械尺寸提供了理论依据，例如在弯曲根管中优先选用小尺寸器械（F025型）。

3. 器械运动轨迹的力学解析
通过高速摄像（5000fps）与有限元模型的对比验证，发现器械工作端的实际运动轨迹与理论螺旋轨迹偏差不超过8%。这种运动轨迹的稳定性，直接关系到根管壁的均匀预备。研究特别指出，当进给速度达到5mm/s时，器械端部出现周期性振动，这是引发根管微渗漏的重要诱因。

4. 材料特性的非线性响应
通过2000次循环加载模拟发现，镍钛合金在经历3次完整旋转周期后，接触应力峰值下降19%-23%。这种疲劳特性提示临床操作应避免连续旋转超过30秒，建议每15秒进行轴向抽动调整，以维持材料的高弹性模量状态。

5. 临床操作参数优化建议
研究团队提出"双阈值"控制策略：在直根管中，推荐转速350-450rpm、进给速度3-5mm/s；对于中度弯曲根管（曲率半径3-5mm），建议采用250-350rpm转速配合2-4mm/s进给。特别值得注意的是，当器械长度超过25mm时，轴向力波动系数会从15%上升至42%，这为器械长度的临床选择提供了重要参考。

技术验证与模型优化
研究团队通过建立双模型验证体系，确保了实验结果的可靠性。有限元模型采用ansys 2023 R1进行验证，其接触压力预测精度达到92.3%。实体测量系统经校准后，测得的轴向力与模拟值偏差范围控制在±18%以内。这种"数字孪生"技术的应用，使得后续的参数优化迭代效率提升40%以上。

值得注意的是，研究首次引入了根管壁的动态刚度模型。根据临床经验调整的模型参数显示，在根管壁厚度<2mm区域，动态刚度下降幅度可达28%-35%，这解释了为何在钙化根管中更易出现器械断裂现象。研究建议临床操作中，当遇到根管壁厚度<2mm区域时，应将进给速度降低至3mm/s以下，并增加每分钟10次的抽动频率。

研究局限性及未来方向
尽管取得显著成果，该研究仍存在若干局限：首先，实验样本量仅覆盖68例临床病例，未能充分涵盖所有根管解剖变异类型；其次，对根管内液的润滑效应模拟尚不完善，后续研究应加强流固耦合分析；最后，未涉及热力学参数的考虑，特别是高速旋转产生的摩擦热可能影响器械性能。

未来研究可沿着三个方向深化：①开发基于机器学习的参数优化推荐系统，结合临床数据实现个性化操作指导；②构建多尺度模型，将微米级的器械表面形貌与宏观力学响应关联；③拓展至超声振动预备技术，建立不同能量输出模式下的生物力学评价体系。

该研究为《国际牙科杂志》2025年度重点推荐论文，其提出的"动态刚度-速度耦合"理论模型已被纳入ISO 14808:2023标准修订草案。研究团队正与佳能医疗合作开发便携式三维应力监测设备，预计2026年完成原型机测试。这些创新成果标志着根管预备生物力学研究进入精准化、智能化新阶段，为保障根管治疗长期疗效提供了新的技术路径。