咀嚼模拟机设计与应用进展

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Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｓｅｐ．２０１３，Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．９
嚼运动过程仍存在一定的距离。目前常见的体外模拟最多 实现下颌２－３ 个 自 由 度 的 运 动，但 真 实 颞 下 颌 关 节 是 在 ６ 个 自 由 度 的 运 动［８］。 ３ 咀 嚼 机 器 人 的 设 计 及 应 用 １９９９年 Ｗａｎｇ Ｌ［９］在 研 究 牙 科 种 植 体 植 入 部 件 之 间 的 应力分布情况，以及种植体表面与骨组织之间应力分 布 问 题 时，提出用机器人模 拟 口 腔 下 颌 运 动，于 体 外 模 拟 种 植 体 受 咀嚼作用时的状态，及分析牙科种植体和附加义齿之 间 咬 合 力的传递。２００３年 Ｕｓｕｉ Ｔ［１０］等 对 咀 嚼 机 器 人 的 设 计 提 出 可采用一种非线性弹簧阻尼器产生弹性形变，并通过 张 力 传 感器控制模拟下颌反射运动，可以作为一种生物反馈 机 制 避 开非正常的咬合力，且运用该系统对不同方向及大小 的 咀 嚼 肌力进行 了 相 关 分 析。２００７ 年 Ａｌｅｍｚａｄｅｈ Ｋ 利 用 Ｓｔｅｗａｒｔ 平 台 开 发 并 联 机 器 人［１１］，设 计 了 适 合 于 咀 嚼 机 器 人 的 人 工 下颌及人工牙齿，并对不同性质的材料如个别牙齿、全 冠、等 进行咀嚼 模 拟，逐 步 模 拟 人 的 下 颌 运 动 。２００８ 年 Ｃｏｎｓｅｒｖａ Ｅ［１２］在 咀 嚼 机 器 人 下 颌 骨 中 植 入 传 感 器 装 置 ，利 用 该 设 备 观 察到对不同材料的全冠修复体进行咀嚼模拟时，种植 体 周 围 骨应力不同，发现复合树脂冠的减震性能强于 全 瓷 冠。２００９ 年 Ｒａａｂｅ Ｄ［１３］总结了咀嚼 机 器 人 用 来 评 价 修 复 性 材 料 性 能 的可行性。他提出研究咀嚼机器人的目的是模拟人类的动 态咀嚼系统和发展一个准确及可靠的咀嚼模拟器，该 咀 嚼 模 拟器可在六个自由度移动，复制典型的下颌运动过程 和 咬 合 力的变化。 ２０１１年有 学 者 基 于 咀 嚼 系 统 的 生 物 力 学 ，在 ＡＤＡＭＳ 中对咀嚼机器人进行运动特性分析，得到了线性驱动 器 对 应 的位移 ＆ 速度 ＆ 功率等重要参数，分 析 结 果 表 明 咀 嚼 机 器 人能较好地满足模拟人类咀嚼运动的要求，可以进行 口 腔 修 复材料性能的检测，及在下颌假体、假牙强度的测试、食 品 评 估及颞下颌关节病理分析等领域有很好的应用前景。 综上所述，随着 科 技 的 发 展，关 于 口 腔 咀 嚼 功 能 的 体 外 模拟方式逐渐从对 简 单 捣 碎 动 作 的 模 拟 转 向 复 杂 的 后 牙 牙合 运循环的模拟，且随 着 咀 嚼 机 器 人 的 开 发，将 建 立 最 逼 真 的 人工口腔。 参考文献 ［１］ Ｓｏｒｅｎｓｅｎ ＪＡ，Ｅｎｇｅｌｍａｎ ＭＪ．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｏｓｔ ａｄａｐｔａｔｉｏｎ ｏｎ ｆｒａｃ－
作者简介 魏 玉 华 （１９６８～ ），女，湖 北 人，主 管 护 师，主 要 从 事 口 腔 护理工作。
＊ 通 讯 作 者 杨 苗 ，Ｅｍａｉｌ：ｙａｎｇｍｉａｏ０７２８＠１２６．ｃｏｍ
钨硬质合金作为加载头，完成两种牙科陶瓷材料层状 结 构 循 环疲劳行为的对比研究。 ２ 双 轴 咀 嚼 模 拟 机 同 步 冷 热 循 环 的 设 计 及 应 用 对试件进行单一方向的疲劳实验可以反映材料的疲劳 强度，但在实际的咀 嚼 过 程 中，双 侧 颞 下 颌 关 节 的 灵 活 性 赋 予下颌运动的多样性及咀嚼过程的复杂性。为更好的评价 口腔修复材料在使用后期性能的变化，研究者们经过 努 力 突 破对单一方向的模拟，逐渐实现了垂直方向及水平方 向 的 连 续 加 载 ，完 成 后 牙 的 牙合 运 循 环 过 程 的 模 拟 。 １９８３年，ＤｅＬｏｎｇ Ｒ 等［４］报道了 一 种 人 工 口 腔 咀 嚼 模 拟 机，通过电信号激活 控 制 限 制 性 检 波 器，完 成 水 平 和 垂 直 方 向的交替运动。１９９１年 Ｄｅｌｏｎｇ Ｒ［５］再次 提 出 将 两 个 液 压 伺 服驱动器相结合，采用线性 可 变 差 动 变 压 器（ＬＶＤＴ）作 为 监 控水平和垂直位置的传感器，指导两个伺服液压执行 预 先 设 定的运动和加载力 的 方 案，并 以 丙 烯 酸 建 造 人 工 装 置，可 用 ３７ ℃的人工唾液不断循环通过 整 个 装 置。 该 设 备 可 消 除 咀 嚼运动中无咀嚼力作用的时间以减少一个单循环周期的时 间，从而将人工咀嚼速度提高到 ４ 次／ｓ。Ｃｈｅｎ ＨＹ［６］在 对 全 冠进行抗折裂性能研究时，在双向运动的咀嚼疲劳机 上 比 较 了经预先 循 环 加 载 至 材 料 疲 劳 前 全 冠 材 料 的 抗 折 性 能。 Ｍｅｈｌ Ｃ［７］用双向运动同步 冷 热 循 环 咀 嚼 模 拟 机 比 较 ６ 种 不 同复合树脂与人和牛牙釉质的耐磨性。 在国内，２００６年 由 林 宝 山 等 设 计 了 ＴＣＭＬ 咀 嚼 模 拟 疲 劳试验机，以一个偏心轮通过连杆控制加载头进行上 下 往 返 运动，另一个偏心轮 控 制 试 件 夹 具 沿 水 平 线 性 运 动，将 两 者 结合，实现对 后 牙 咀 嚼 运 动 过 程 中 捣 碎 结 合 磨 细 运 动 的 模 拟。该设备同时具备独立的冷热循环装置，可模拟材 料 在 口 腔环境中热应力疲劳及机 械 疲 劳 协 同 作 用 的 状 态 。２００９ 年 葛兵等设计由激振仪振动产生上下往复运动，同时通 过 特 制 连接杆摆动产生水平方向的分力模拟后牙咀嚼侧向运动时 牙体的受力状态设计的疲劳测试机，进行了根管充填 后 牙 根 疲劳强度的体外研究。吴畏等运用 ＴＣＭＬ 咀 嚼 模 拟 疲 劳 试 验机，进行１２０万次的 循 环 加 载，模 拟 了 口 内 使 用 ５ 年 后 的 情况，完成两种桩核修复上前牙漏斗状残根的疲劳强 度 的 实 验研究。２００７年陈强提出将用于 冷 热 循 环 的 喷 洒 装 置 换 成 水箱装置来模拟口腔内的湿润环境。 以上所提到的口腔模拟装置不仅可以模拟咀嚼 运 动，同 时增进了温度的交替模拟口腔中温度的变化，但与实 际 的 咀

ｒｉａｌｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２０１１，２５（６）∶４１８
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ｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆ ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ｐｒｅｍｏｌａｒｓ ｗｉｔｈ ｂｔｕｒａｔｅｄ ｃａ－
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ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ ｄｅｎｔａｌ ｒｅｓｔｏｒａｔｉｖｅｓ ：ｂｉ－ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ［Ｊ］．Ｊ Ｄｅｎｔ Ｒｅｓ，１９８３，６２（０１）∶
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口腔环境中唾 液、温 度、细 菌 等 因 素 及 长 期 的 咀 嚼 运 动 对牙科材料的使用寿命是一种考验。材料是否具有足够的 机械性能、是否满足 口 腔 材 料 的 质 量 要 求，可 以 通 过 体 外 模 拟口腔环境及咀嚼过程进行预先评估。 早期，口腔修复材料的机械性能研究多采用工业 材 料 用 的大型动能实验机进行试验，以垂直方向循环加载模 拟 咀 嚼 过程中的捣碎动作。后来研究者们采用双偏心轮设计出双 向运动的咀嚼模拟 机，同 时 设 计 冷 热 循 环 装 置，对 口 腔 咀 嚼 功能的体外模拟逐 渐 丰 富 起 来，随 着 人 工 关 节、人 工 口 腔 装 置及机器人的出现，研究者提出了咀嚼机器人模式用 于 修 复 材料的检测。 １ 单 轴 咀 嚼 模 拟 机 的 设 计 与 应 用 对咀嚼功能的模拟，最简单的形式是垂直方向的 循 环 加 载，模拟食物捣碎过程。实验装置较简单，加载方 向 单 一，一 般垂直或呈一定角度加载于试件。加载力可以恒定不变或 呈动态变化。单轴循环加载多用于治疗后牙体抗折性能的 评 价 或 全 冠 桥 抗 折 性 能 的 研 究 ，以 及 材 料 的 疲 劳 实 验 。 Ｓｏｒｅｎｓｅｎ ＪＡ［１］在评价桩适应 性 对 经 根 管 治 疗 后 牙 体 抗 折 裂 能 力 的 影 响 时 ，以 加 载 头 与 牙 体 长 轴 呈 １３０°角 垂 直 作 用 于试件表面，持 续 加 载 直 至 试 件 破 坏 。Ｉｂｒａｈｉｍ Ｍ［２］在 研 究 最新修复材料修复上颌磨牙的 抗 折 裂 能 力 时，以 直 径 为 ４．８ ｍｍ 的 钢 球 作 为 加 载 头，在 ２ ｍｍ／ｍｉｎ 的 速 度 下 进 行 加 压， 记录 破 坏 时 最 大 载 荷 值 来 评 价 试 件 抗 折 裂 能 力 。Ｐｅｔｅｒ Ｃａｔｈｒｏｂ［３］在测试经根 管 治 疗 后 牙 体 抗 折 能 力 时 ，选 用 了 亨 斯菲尔德 Ｈ５０ＫＭ 万能试验机，以尖端 直 径 ３ ｍｍ 的 硬 化 钢 作为加载头，最大载荷 ２０００ Ｎ、速 度 １ ｍｍ／ｍｉｎ进 行 加 载 实 验。 国内关于咀嚼运动的体外模拟早期也多采用单一方向 的循环加载，模拟食物捣碎过程。吴舜等采用电磁理 论 研 制 了一种电磁式口腔材料用疲劳实验机，采用函数发生 器 通 过 电子方式进行频率控制。李明勇等自行研制的口腔修复体 专用疲劳测试机，设备依靠推动弹簧产生反复的形变 和 弹 力 实现对试件的循环加载。２００７年 苏 俭 生 等 对 电 液 饲 服 循 环 实验机装备进行改 造，选 用 半 径 为 ３．１８ ｍｍ 的 球 形 的 碳 化
ｎａｌｓ ａｎｄ ｒｅｓｔｏｒｅｄ ｅｎｄｏｄｏｎｔｉｃ ｏｃｃｌｕｓａｌ ａｃｃｅｓｓ ｃａｖｉｔｉｅｓ ［Ｊ］．