潘虹海 楊四維

[摘要]目的：比較分析兩種不同支抗快速擴弓時顱面復合體的生物力學變化，為不同支抗快速擴弓的臨床應用提供理論依據。方法：應用Mimics10.0、MSC.Marc.mentat 2005 R3等軟件，建立顱面復合體三維有限元模型，加載80N的擴弓力模擬種植體支抗及牙支抗快速擴弓，分析不同加載條件下顱面復合體的應力分布和位移趨勢。結果：兩種支抗快速擴弓時顱面復合體應力的較大區(qū)域均分布在鼻額縫、顴頜縫、鼻上頜縫、翼腭縫，腭中縫呈楔形擴開?？焖贁U弓時種植體支抗產生的顱面復合體應力值和位移比牙支抗更小。結論：兩種支抗擴弓均能有效擴展腭中縫，但種植體支抗快速擴弓時顱面復合體旋轉更小，臨床擴弓時的開牙合趨勢減小。

[關鍵詞]快速擴弓；顱面復合體；三維有限元

[中圖分類號]R783.5 [文獻標識碼]A [文章編號]1008-6455（2014）07-0575-04

3-D finite element sdudy on rapid maxillary expansion using two different anchorage

PAN Hong-hai1,YANG Si-wei2

(1.Department of Stomatology,Huidong Hospital of Zigong Forth People′s Hospital,Zigong 643000,Sichuan,China;2.Department of Orthodontics,Affiliated Stomatolegical Hospital of Luzhou Medical College)

Abstract:ObjectiveTo compare the biomechanic change of craniofacial complex with rapid maxillary expansion using two different anchorages.MethodsApply the combination of Mimics10.0,MSC.Marc.mentat 2005R3 software to develop 3-D finite element models of craniofacial complex. Rapid maxillary expansion using implant anchorage and tooth anchorage was simulated with forces of 80N. The stress distribution and the displacement trend of the craniofacial complex against different conditions were analysised. Results High stress distribution of the craniofacial complex with rapid maxillary expansion using two different anchorages concentrated in areas along the frontonasal suture,zygomaticomaxillary suture,nasomaxillary suture and pterygopalatal suture.The median palatine suture is separated in wedge shape.The stress and displacement of implant-supported RME were smaller compared to tooth-supported RME. ConclutionRapid maxillary expansion using two different anchorages can open the median palatine suture. Smaller rotation of the craniofacial complex occur when using implant-supported RME,which can reduce the open-bite trend.

Key words: rapid maxillary expansion (RME); craniofacial complex;3D-finite element

正畸臨床上常使用上頜快速擴弓(Rapid MaxillaryExpansion,RME) 來打開腭中縫，該技術由Angle[1]于1860年首先采用并報道，對于上頜橫向發(fā)育不足的患者有良好的矯治效果[2]。傳統的快速擴弓矯治力通過牙齒傳導到上頜骨及其臨近組織。近年來種植體支抗也被應用于快速擴弓領域[3]，使矯治力直接作用于上頜骨而減少了牙齒的不利移動。目前國內外關于上頜快速擴弓的有限元研究大部分基于牙支持式,對于種植體支抗快速擴弓的有限元研究報道極少。本研究應用三維有限元方法，建立牙支抗及種植體支抗快速擴弓有限元模型，研究使用不同支抗快速擴弓時顱面復合體各解剖結構的生物力學反應，為臨床上應用腭種植體支抗快速擴弓提供參考。

1材料和方法

1.1實驗模型的建立：使用螺旋CT掃描一個別正常牙合男性志愿者頭顱，得到DICOM數據。利用Mimics軟件建立顱面復合體的三維表面體網格模型，將顱骨根據骨縫位置分割為14快骨塊。在ProE.Wildfire 4.0軟件中制作上頜第一前磨牙、第一磨牙帶環(huán)及連接桿，腭種植體模型（植入段直徑3mm，植入部分長度6mm）。在MSC.Marc.Mentat軟件中將以上幾何實體模型自動結合手動劃分顱面復合體面網格并進行參數定義，形成牙支抗快速擴弓模型，即模型一[4]，以及種植體支抗快速擴弓模型，即模型二（在上頜兩側尖牙與第一前磨牙之間，第二前磨牙與第一磨牙之間骨面植入種植體）。

1.2模型加載：本研究沿用Jafari等[7]在2003年進行上頜快速擴弓三維有限元研究所采用的邊界設定條件，固定枕骨大孔邊緣及頂骨、枕骨前部。分別模擬臨床牙支抗及種植體支抗快速擴弓，沿X軸水平加載80N[8]的擴弓力。以均質、連續(xù)、各向同性的線彈性材料定義模型的各個部分[5-6]（見表1）。

1.3 計算與分析指標：應用MSC.Marc.Mentat軟件，得到兩種支抗快速擴弓時顱面部各骨縫30處（1：鼻中縫上；2：鼻中縫中；3：鼻中縫下；4：鼻上頜縫上；5：鼻上頜縫中；6：鼻上頜縫下；7：額頜縫內；8：額頜縫中；9：額頜縫外；10：鼻額縫內；11：鼻額縫中；12：鼻額縫外；13：顴額縫后內；14：顴額縫前內；15：顴額縫后外；16：顴額縫前外；17：顴顳縫上外；18：顴顳縫上內；19：顴顳縫中外；20：顴顳縫中內；21：顴顳縫下外；22：顴顳縫下內；23：顴頜縫上前；24：顴頜縫上后；25：顴頜縫中前；26：顴頜縫中后；27：顴頜縫下前；28：顴頜縫下后；29：翼腭縫上，30：翼腭縫下）的第一主應力，Von Mises等效應力。同時得到兩種支抗快速擴弓時顱面各部位22處（1：A點；2：ANS點；3：上頜結節(jié)；4：上頜顴突；5：眶下緣；6：上頜額突；7：PNS點；8：鼻外側；9：鼻腔后下；10：鼻腔后上；11：鼻骨；12：顴骨額突；13：顴骨顳突；14：顴骨上頜突；15：顴骨體部；16：眶上緣；17：前額部；18：蝶骨翼突上緣；19：蝶骨翼突下緣；20：顳骨鱗部；21：第一前磨牙點；22：第一磨牙點）在X、Y、Z軸三個方向上的位移。

2結果

2.1兩種模型在顱面部各骨縫的應力值：模型一、二在鼻額縫、顴頜縫、鼻上頜縫、翼腭縫上部的第一主應力和Von Mises等效應力較大（如圖1～2），模型二應力比模型一略小。應力較小區(qū)域分布在鼻中縫下部、顴額縫后外部、翼腭縫下部。

2.2兩種模型在顱面部各部位的位移值：模型一、二顱面復合體不同部位在X、Y、Z軸上的位移趨勢大體一致（如圖3～5），模型二位移值比模型一略小。第一前磨牙點、第一磨牙點X軸（橫向）上的位移最大，上頜A點、ANS點、PNS點位移依次減小，上頜骨呈楔形擴大，由前向后，由上向下依次減小。在Y軸（前后向）上，上頜骨A點、ANS點的向前位移最大，顴骨額突的向后位移最大。上頜骨復合體有向前位移的趨勢，由腭中縫至兩側位移量逐漸減小。在Z軸（上下向）上，上頜A點向下位移量最大，顴骨體部向上位移最大。顱面復合體擴弓時有旋轉趨勢，靠近中線組織向下，兩側組織向上。比較分析兩種模型，可以發(fā)現模型二在三維方向上的最大位移小于模型一，顱面復合體擴大方式更趨于平行，旋轉減小。

3討論

本研究選擇牙列完整的健康成年志愿者做CT，其優(yōu)點是圖像數據接近正常人的生理狀態(tài)，數據資料完整，包括掃描視野內的所有組織信息。傳統的牙支持式擴弓矯治器是以牙齒為支抗，將擴弓力量傳遞給上頜骨及臨近組織，因而會同時產生骨骼效應和牙齒效應，兩種效應所占的比例在不同生長發(fā)育期的患者中相應地有所不同。Domann CE[9]通過CBCT觀察到上頜快速擴弓后左右前磨牙及磨牙腭根發(fā)生明顯的傾斜。種植體支抗快速擴弓時相對于牙支抗加力點更加靠近腭穹窿，不僅可以減小骨組織的傾斜，也避免了支抗牙的移動及牙周損傷[10-11]。

3.1兩種支抗RME的應力比較：Jafari等[7]通過有限元法模擬RME，發(fā)現最大阻力來自上頜骨周圍的骨結構，鼻中縫、鼻頜縫、鼻額縫和顴頜縫是應力集中的部位。Gautam等[12]的研究表明顱面復合體在RME時的應力模式在不同的骨縫或同一骨縫的不同部位均不相同，鼻頜縫、額頜縫和鼻額縫的應力最大。Holberg等[13]建立成人頭顱的三維有限元模型，分析了RME過程中顱面復合體的應力分布模式，發(fā)現在面部的骨縫中，最大應力集中在鼻額縫和顴頜縫。本研究中兩種支抗快速擴弓時顱面復合體的應力分布模式基本一致，最大第一主應力和Von Mises等效應力也出現在鼻額縫、顴頜縫、鼻上頜縫、翼腭縫上部。第一主應力不僅可以體現應力的大小，還可以體現骨縫處是拉應力還是壓應力，從而表明該應力是促進還是抑制骨縫成骨。Von Mises等效應力是基于剪切應變的一種等效應力，常用于不均質且較為復雜的物體，因此適合于對顱面骨組織進行分析。種植體支抗快速擴弓時產生的應力值略低于牙支抗。這是由于種植體和牙齒與擴弓器的距離不同，因而產生的力臂也有所不同，同樣的加載情況下產生的應力和位移趨勢大小有差異。但種植支抗RME時加力點在上頜骨，牙齒相對沒有移動，保持階段復發(fā)趨勢較小，而牙支抗RME在開展停止后，牙齒相對于基骨仍在移動直至穩(wěn)定，骨骼會出現一定程度的復發(fā)[12]，因此需要一定的過矯治。

3.2兩種支抗RME的位移比較：Garrett等[14]用錐形束CT觀察分析RME后的效果，發(fā)現由于翼突和腭骨的鎖結導致腭中縫的后部打開較少，腭中縫呈一前部寬、后部窄的三角形。Chung等[15]的研究表明患者經RME后，上頜骨板除了橫向移動外，還發(fā)生向前、向下的移動。Provatidis等[16]對RME進行三維有限元研究后發(fā)現，上頜骨發(fā)生底在前方，頂在后方的呈金字塔樣移位。本研究綜合顱面復合體三維方向的位移趨勢來看，也表現為上頜骨呈楔形擴大，由前向后，由上向下依次減小，上頜骨有向前位移的趨勢。兩種支抗RME后顱面復合體不同解剖區(qū)域的移動趨勢有所不同，因而其阻力部位和旋轉中心也有所差異。

比較兩種支抗RME時產生的位移，上頜擴開趨勢一致，但是種植體支抗下進行RME時，ANS點和A點水平向位移比值更小，說明RME時種植體支抗比牙支抗的上頜骨位移趨勢更傾向于平行。在垂直方向上，兩種支抗RME時上頜骨PNS點比ANS點下降更小，上頜骨有順時針方向旋轉的趨勢。但是兩種支抗PNS點位移差量和ANS點位移差量明顯不同，種植體支抗組PNS點下降量略有增加，而ANS點下降量明顯增加，提示上頜骨順時針旋轉的趨勢減小，表明種植體支抗快速擴弓時顱面復合體傾斜移動減小，在有效開展的同時也減小了臨床開牙合的趨勢。

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