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。
1987 年Maness 等发明的T-Scan Ⅰ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-ScanⅠ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。Patyk 等通过体内实验测试发现T-Scan Ⅰ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，至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 Ⅲ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15~25 次。T-Scan Ⅲ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。2006 年T-Scan Ⅲ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。
临床上，Carey 等使用T-Scan Ⅲ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。张人杰等提出可将T-Scan 用于咬合重建患者的功能性疗效评价。
优点：① T-Scan 的传感器尺寸小、精度高；②技术成熟，已在临床广泛用于咬合接触情况的测量。缺点：① 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；②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；③置于口内的传感器可能会影响咬合，受到唾液的影响；④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。
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。Tjin 等首次将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合应用，Fiorin 等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。Grewal 等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：① 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；②实验系统较简单；③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。
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等在全冠牙合面中央窝处加载垂直负荷，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：① 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。②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：① HI 的成像受光敏电子成像器件的分辨率影响。② 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。③当修复体位移超过一定程度时，HI 的相干光源无法产生干涉条纹，只能精细测量稳定性的变化。
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。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。
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，从而得到被测物体表面各点的位移值。
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比度斑点，则需要人工喷涂形成不规则图案。起初DIC 的研究多集中在二维变形的测量，称为二维DIC。为了实现三维变形的测量，1993 年Luo 等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。在口腔领域中，董帅等使用DIC 法重构出复杂的口腔印模三维形貌。Tiossi等将其用于测量树脂聚合过程的应变场，确定了至大应变区域，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。
优点：① 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；②图像采集所需的实验设备较简单且容易获得样本图像；③可通过调整摄像机的视场改变精度。缺点：① DIC 的精度受摄像机、计算机图像处理技术的限制；②视场越大，精度越低。
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（photo elastic 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，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。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：① 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；②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：①施加的外力不能超过光弹性材料的极限，否则会使材料破损而影响结果；②需置于偏振光环境；③环氧树脂的弹性模量与骨组织相似，但皮质骨和骨小梁无法进一步区分，对牙槽骨的应力分布情况有所影响。
6. 有限元法
有限元法（finite element analysis, FEA） 是一种计算生物力学技术，通过对复杂几何外形的物体进行建模，将连续的弹性体分割成有限个单元，以其结合体来代替原弹性体，并逐个研究每个单元的性质，来获得整个弹性体的力学分析，可根据需要改变受载与边界条件等力学参数，在维持原模型几何形状不变的情况下对其应力大小和分布情况进行分析。
很多生物医学问题由于结构或材料的复杂性等无法使用常规方法进行测量，而FEA 已被证明是解决这类问题的有效方法。建模和仿真步骤节省了进行现场实验或临床试验所需的花费。FEA 的结果与建模系统密切相关，建模是FEA 研究中的关键步骤，必须知道材料的特性、施加的载荷和边界条件等。
如今常用的建模方法为：生成CAD 模型，转入FEA 软件中，根据需要划分网格，至终形成FEA 模型。由于口颌系统十分复杂，建模过程中会进行简化处理，但简化就意味着信息的部分丧失，可能会对整个模型的仿真度造成影响。FEA 对于模型精确度要求较高，单元个数越多越精确。
相比实验力学分析，FEA 能在原有模型不变的条件下对模型进行应力分析，可用于体内难以直接测量的生物材料和人体组织等。1973年，Farah 等首次将FEA 引入口腔医学。随着几十年的发展，FEA 已被广泛应用于口腔领域。正畸方面，国内外学者已用FEA 建立了很多正畸模型，包括舌侧矫治器、隐形矫治技术、Tip-Edge 差动直丝弓等。
牙体方面，Asmussen等使用FEA 研究G.V BlackⅠ类和Ⅱ类树脂复合材料的弹性模量对咬合载荷产生应力的影响。修复领域，已广泛应用于固定修复和活动修复中。种植方面，FEA 已被用于分析种植体设计有关的生物力学性能，如种植体的材料、形状、长度、直径、表面形态等。
优点：① FEA 可对结构、形状、负载、力学性能等复杂的模型进行应力分析；②计算机模拟，可节省实验力学所需的时间和费用。缺点：①建模过程较复杂，只有当单元数目接近无限时，才为真实解，并且单元的大小、形状、数目、载荷情况、边界条件等均影响解的结果；②活体软组织具有复杂的非线性机械特性，并且可以承受大的变形，在研究面部软组织变形的时候应考虑其变形动态过程。此外，Tiossi 等发现FEA 求得的应变值比DIC 实验值高，这可能是由于使用了不恰当的材料特性所致。
因此，应将FEA 与实验力学研究结合，通过实验室研究以验证其结果。今后FEA 的发展应着重建立具有非线性、各向异性的三维有限元模型，并由静态分析向动态分析转变。本文从口腔生物力学的测量原理入手，对多种应力应变的测量方法分别进行了阐述，并对各自的优缺点进行了分析。
由于每种研究方法各有特点，为了减少这些研究方法的局限性并确定其优势，有学者结合使用了这些方法，如PSA 与应变仪、FEA 与PSA、FEA 与FBG、DIC 与FEA，以证明不同研究方法是互补的。很多学者使用不同的研究方法，得到了同样的结论；但有些学者得到了矛盾的结果，这可能与模型建立、条件设定等有关，因此需进一步优化模型。
口腔是复杂、动态的生物力学环境，而模型构建的基础是简化研究对象的几何形状，理想化材料性能。如很多研究将牙体组织假设为较简单的各向同性的线性系统。但实际上牙体组织、牙周膜、牙槽骨均为各向异性的非线性材料。人体软组织也是复杂的非线性结构，能发生一定的变形，在研究面部软组织变形时还应考虑其变形动态过程。
现有的技术方法尚不能充分考虑上述软组织的生物学特性，需要更深入的研究，为理论指导临床实践开拓新的道路。数字化技术也日益成熟，三维扫描、FEA、3D打印等技术已经成为口腔生物力学研究中的重要技术手段。如何与临床应用有机结合，有效解决临床问题，依旧是口腔生物力学研究的重点。
编辑： KQ88新闻网