数学建模联合动物实验用于热刺激诱发牙髓神经痛的预测研究

口腔临床常用的诊疗手段(例如，激光、高速牙科钻等)可产生较大的热量，不仅对牙体组织产生热冲击，造成热损伤，而且还能引发患者急剧的牙痛。如何有效控制诊疗过程中热量的产生，减轻牙体热损伤与患者的疼痛，进而改良、优化口腔诊疗方案成为口腔临床实践与基础研究中急需解决的问题之一，而且该问题的切实解决需要多学科的交叉。本研究旨在通过一系列实验、数值模拟和理论分析，首先获得牙体生物热力学特性参数；其次耦合牙体生物热力学与神经痛反应，对热冲击与机体的痛反应进行科学合理的量化，建立牙髓神经疼痛反应的数学模型；此模型可根据伤害性热刺激的特征预测疼痛的强度。本研究以期对现有临床诊疗方法进行评价与优化，减轻牙体热损伤以及牙痛；此外，本研究结果还可用于指导牙科诊疗设备与齿科新材料的研发；而且，数学建模是一种非侵害方法，具有更强的实际可控性与可操作性。

本项目通过对温度场、热应力、流体剪切力、神经信号传导等方面的综合分析，在国内外首次系统地开展了关于牙组织的热-力耦合学及冷/热疼痛机理的理论和实验研究工作。本项目揭示了牙痛的传导机理，预测了伤害性刺激引起牙痛的强度，为评价、优化口腔临床诊疗方法提供了理论支持。主要研究结论归纳如下：.采用传统的MonotonicHeatingRegime方法与红外热成像仪相结合，测定牙釉质和本质的热扩散系数和导热系数；利用红外热成像仪观测了牙组织的传热过程，证实了牙釉质和本质的界面对传热过程的影响；采用Maxwell-Eucken和Parallel模型计算牙本质层中平行和垂直于本质小管方向的有效导热系数，应用Series模型计算了牙组织的有效导热系数。为定量化研究牙痛神经传导假说，通过动物在体神经生理学实验予以验证，并充分考虑牙髓与神经末梢可能的热损伤，合理引入温度依赖的离子通道活性系数对Hodgkin-Huxley电神经生理模型中的刺激电流进行修正，得到准确的描述热刺激下牙髓神经放电特性的模型。本研究建立热-力耦合模型，分析冷/热刺激下本质小管热变形以及本质小管液的热胀冷缩对本质小管液的流向及流速大小的影响，解释冷/热刺激引发牙本质小管液流动的机理及其与牙髓神经放电模式的关联性，并进一步建立牙本质小管中牙髓神经末梢剪切力的流体动力学模型，分析牙体结构，牙本质小管液流速和流体的粘度、密度对牙髓神经原纤维末端受到流体剪切力的影响，模拟结果和已有的实验测量值相吻合。利用本研究所提出的数学模型在国际上首次揭示了牙齿冷/热疼痛的区别机制，并给出了定量化研究，本研究亦对临床诊疗方法给予了一定的评价与指导。