馬璇 韓雪 葉丹 喬祥晨 郭維華 姚睿

中圖分類號:R783.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi:10.3969/j.issn.1001-3733.2021.06.010

1 資料與方法

1.1 建立下頜唇擋矯治器三維有限元模型

1.1.1 研究對象 篩選就診于華西口腔醫(yī)院兒童口腔科的患者，納入條件如下：(1)因上頜埋伏多生牙拍攝CBCT，且下頜后縮伴有咬下唇不良習(xí)慣的恒牙列早期青少年；(2)下頜牙列左右基本對稱，牙體牙周組織無明顯異常；(3)雙側(cè)下頜第一恒磨牙萌出；(4)顱頜面骨骼發(fā)育正常，無正畸治療史，無明顯全身及口腔疾病。

1.1.2 建立下頜骨——下頜牙列——牙周膜三維模型 將研究對象的CT圖像保存為DICOM文件導(dǎo)入Mimics 21.0中，進(jìn)行閾值分割，調(diào)整灰度值，三維重建后保存為STL格式。繼而導(dǎo)入Geomagic Studio 2012，對下頜骨及各個(gè)牙齒進(jìn)行修補(bǔ)，刪除模型上的釘狀物，降噪光滑。將牙體沿法向向外整體偏移0.25 mm，與下頜骨模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，生成光滑的牙周膜及牙槽窩模型，通過精確曲面生成下頜骨-下頜牙列-牙周膜三維模型，導(dǎo)出為Stp格式。

1.1.3 建立固定式下頜唇擋矯治器三維模型 分別設(shè)計(jì)下頜唇擋位于高、中、低不同位置時(shí)的三維模型，即高位唇擋其上緣位于下頜切牙牙冠1/2處，設(shè)為模型A；中位唇擋上緣位于下頜切牙齦1/3處，設(shè)為模型B；低位唇擋上緣與下頜切牙齦緣平齊，設(shè)為模型C(圖1)。唇擋厚度為3 mm，與牙弓弧度相一致，唇擋舌側(cè)距前庭(3±0.2) mm，鋼絲末端兩側(cè)位于雙側(cè)第一磨牙牙冠頰側(cè)頸1/3[5-6]。

將三維重建得到的STL模型導(dǎo)入CAD軟件Freeform Plus中，繪制唇屏形態(tài)，精確設(shè)置唇屏厚度為3 mm。利用“圓管”工具生成鋼絲模型，直徑為1.2 mm，保存為STL文件。在Geomagic Studio中將雙側(cè)下頜第一恒磨牙牙冠法向抽殼0.2 mm，生成磨牙帶環(huán)，得到唇擋及雙側(cè)磨牙帶環(huán)的Stp格式實(shí)體模型。將上述得到的各模型導(dǎo)入U(xiǎn)G NX 10.0進(jìn)行裝配，最終得到下頜骨-下頜牙列-牙周膜-下頜唇擋矯治器的數(shù)字化三維模型，保存為x_t文件(圖1)。

1.2 有限元分析

1.2.1 材料屬性 將下頜骨、牙齒、牙周膜、矯治器假定為均質(zhì)、各向同性、連續(xù)的線彈性體，參數(shù)見表1[7-9]。

表1 材料參數(shù)Tab 1 Material parameters

1.2.2 設(shè)置坐標(biāo) 建立局部坐標(biāo)系，X軸為水平向，表示前牙的近遠(yuǎn)中方向和磨牙的頰舌方向；Y軸為矢狀向，表示前牙的唇舌方向和磨牙的近遠(yuǎn)中方向；Z軸為垂直向，表示齦向。

1.2.3 網(wǎng)格劃分 模型各組成部分均采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，劃分結(jié)果見表2。

表2 節(jié)點(diǎn)數(shù)及單元數(shù)Tab 2 The number of nodes and elements

1.2.4 設(shè)置接觸關(guān)系 設(shè)置鋼絲與帶環(huán)、帶環(huán)與支抗牙、牙體與牙周膜、牙周膜與牙槽骨之間為綁定(Bond)接觸，各鄰牙之間為不分離(No separation)接觸。

1.2.5 施加載荷 研究表明，口腔功能運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，牙弓的舌側(cè)壓力顯著增加并以吞咽運(yùn)動(dòng)最為明顯，舌肌施加于牙齒上的力總是大于唇頰側(cè)。下頜切牙在吞咽活動(dòng)中受到的舌肌壓力可達(dá)0.03 MPa[10]，為模擬舌肌作用力，本研究選擇吞咽活動(dòng)時(shí)舌肌作用于下頜切牙的壓力，于32牙～42牙牙冠舌面施加6 N載荷，方向向前向下。據(jù)Sakuda等[11]報(bào)道，唇肌作用于唇擋上的壓力約為0.98～2.98 N，因此，于唇擋的唇側(cè)面施加3 N載荷，方向與唇擋垂直。同時(shí)對牙槽骨外周施加固定約束。

2 結(jié) 果

2.1 牙體Von-mises等效應(yīng)力

三維有限元分析結(jié)果得出3 組不同位置的下頜唇擋矯治器受力后牙體的應(yīng)力分布情況。3 組模型中，第一磨牙的等效應(yīng)力主要分布于牙冠近中接觸區(qū)及頰面與帶環(huán)的接觸面，模型C的Von-mises等效應(yīng)力最大(4.71 MPa)。牙弓的Von-mises等效應(yīng)力主要位于牙弓前段，下頜切牙牙冠鄰面接觸區(qū)，模型A產(chǎn)生的應(yīng)力水平略高于另外兩組模型，無應(yīng)力集中現(xiàn)象(圖2～3)。

圖2 第一磨牙Von-mises等效應(yīng)力分布云圖(唇頰面觀)

圖3 牙體Von-mises等效應(yīng)力分布云圖(舌面觀)

2.2 牙弓位移變化

3 組模型中，牙冠在X軸向的位移量從側(cè)切牙至第一前磨牙逐漸減小，模型B與模型C觀察到第二前磨牙與第一磨牙位移量有所增加，呈水平向位移趨勢，牙弓寬度有向頰側(cè)擴(kuò)展的傾向。分析第一磨牙牙冠部位移發(fā)現(xiàn)，模型C發(fā)生的位移量最大，模型A的位移量在3 組模型中最小。3 組模型的牙根部位移趨勢相同，且數(shù)值較小。

相較于后牙，切牙冠部Y軸位移量明顯較大，根尖部Y軸位移量略小，前牙整體呈牙冠向唇側(cè)、根尖略向舌側(cè)傾斜的位移趨勢。第一前磨牙至第一磨牙牙冠與根尖的位移趨勢不明顯。

在Z軸上，前牙冠部向齦方移動(dòng)，第一磨牙牙冠向方移動(dòng)。模型C組第一磨牙的位移量最大，為遠(yuǎn)中直立趨勢。3 組模型中前牙區(qū)的總位移量均大于后牙區(qū)，從三維角度分析，冠部的位移量均大于其相應(yīng)的根尖部(圖4)。

圖4 下頜牙各部位移變化

3 討 論

長期的口腔不良習(xí)慣使口頜系統(tǒng)在生長發(fā)育過程中受到異常壓力，破壞牙頜面肌力平衡，導(dǎo)致顱頜面骨生長發(fā)育異常。臨床上主要根據(jù)不同的不良習(xí)慣設(shè)計(jì)各種阻斷性矯治器及功能性矯治器，通過改變口周肌壓力作用于牙和頜骨的大小、方向和時(shí)間是口頜系統(tǒng)發(fā)生改建的基礎(chǔ)，然而功能矯治器能否通過調(diào)節(jié)唇舌肌功能使牙列內(nèi)外肌力達(dá)到平衡，從而更有利于牙頜面發(fā)育是目前研究的熱點(diǎn)[12]?，F(xiàn)階段功能矯治器的研究大多是通過頭影測量片、石膏模型評估矯治前后的變化或動(dòng)物實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行總結(jié)推測，因此尋求一種理論分析方法了解口周肌對于矯治器的作用是研究的重點(diǎn)。隨著多學(xué)科交叉在口腔正畸領(lǐng)域的應(yīng)用，有學(xué)者開始從三維有限元分析的角度研究矯治器在正畸治療中對牙、牙周組織及顳下頜關(guān)節(jié)產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變[2]。本研究通過有限元法分析固定式下頜唇擋功能矯治器受力時(shí)牙齒、牙弓的應(yīng)力分布及位移情況，從生物力學(xué)角度分析矯治器的利弊以更好的指導(dǎo)臨床應(yīng)用。

本研究首次通過模擬口周肌的力量傳遞方式抽象出下頜唇擋矯治器的三維模型。在下唇方肌和頦肌的作用下發(fā)現(xiàn)第一恒磨牙發(fā)生了遠(yuǎn)中傾斜移動(dòng)的趨勢，下頜切牙切1/3在舌肌的作用下發(fā)生明顯的唇側(cè)傾斜趨勢，切緣唇傾量較大。這一結(jié)果從生物力學(xué)的角度解釋了下頜唇擋矯治器的作用方式，與臨床上研究下頜唇擋矯治器對下頜牙弓的影響結(jié)果基本一致[13]。本研究結(jié)果顯示下頜第一磨牙牙冠在X軸向上發(fā)生了頰側(cè)傾斜的趨勢，這提示臨床上可以使用帶有方絲弓頰面管的帶環(huán)，唇擋弓絲加以少量的負(fù)轉(zhuǎn)矩以抵消磨牙頰傾作用。從磨牙在Z軸的位移可看出，低位唇擋對于第一磨牙牙冠的遠(yuǎn)中傾斜趨勢更為明顯。對于剛性結(jié)構(gòu)的下頜唇擋矯治器，磨牙是以一種后傾的方式進(jìn)行傾斜移動(dòng)的，無法實(shí)現(xiàn)磨牙的整體遠(yuǎn)中移動(dòng)。有文獻(xiàn)報(bào)道，下頜唇擋矯治器通過遠(yuǎn)中移動(dòng)磨牙解除牙列擁擠的同時(shí)減少了第二磨牙的萌出空間，增加了第二磨牙阻生或異位萌出的幾率[14]。因此提示臨床醫(yī)生在臨床治療中應(yīng)注意第一磨牙的移動(dòng)傾向，避免影響第二磨牙的正常萌出。

下頜前牙Y軸向位移結(jié)果提示，臨床使用下頜唇擋治療時(shí)應(yīng)當(dāng)關(guān)注患者舌肌功能狀態(tài)。舌的大小、功能位置均可對發(fā)育中的牙列產(chǎn)生影響[15]。若舌體習(xí)慣性的處于舌低位時(shí)，在矯治過程中需要注意下頜前牙是否存在過度唇傾的風(fēng)險(xiǎn)；若舌體位置較高，對下頜前牙影響較小，下前牙唇傾風(fēng)險(xiǎn)低，并允許舌肌自由調(diào)整，以達(dá)到矯治后唇舌肌相匹配的作用。下頜前牙較明顯的唇傾量同時(shí)提示臨床醫(yī)生對于下頜皮質(zhì)骨較薄的患者應(yīng)當(dāng)小心，防止出現(xiàn)下頜前牙區(qū)的骨開窗或骨開裂[16]。

唇擋在口內(nèi)的具體位置對治療效果也有影響。Hodge等[17]發(fā)現(xiàn)下頜唇擋矯治器的唇屏在前庭區(qū)的位置不同，所產(chǎn)生的口周肌壓力也不同，此距離越大唇肌傳遞的力越大，磨牙遠(yuǎn)中移動(dòng)更明顯。結(jié)合現(xiàn)階段唇擋矯治器的制作方式來看，傳統(tǒng)的人工制作方法在唇擋的位置、大小和厚度上主觀性較大，繼而會(huì)對治療效果產(chǎn)生一定程度的影響。隨著數(shù)字化技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)的發(fā)展，本研究利用CAD技術(shù)建立下頜唇擋矯治器的三維模型，應(yīng)用軟件的測量工具可準(zhǔn)確控制模型的尺寸、厚度，可以從多個(gè)角度確定唇屏的三維向位置，控制矯治器與牙齒之間的距離，較傳統(tǒng)制作方式能夠更靈活準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)矯治器。

綜上所述，下頜唇擋功能矯治器通過磨牙遠(yuǎn)中移動(dòng)、下頜切牙唇傾可增加牙弓周徑，增加替牙間隙。通過三維有限元分析，明確口周肌對牙齒傾斜度的改變，這對于后期功能矯治器的改進(jìn)及預(yù)防其副作用具有指導(dǎo)意義。本研究中下頜唇擋矯治器的數(shù)字化建模方式符合目前精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的要求，對于功能矯治器的精準(zhǔn)制作具有重要的指導(dǎo)意義。