两种颌间牵引对下颌骨微种植体及周围影响的三维有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.24.011

摘要/Abstract

摘要：

背景：有限元分析能够模拟正畸治疗方法，并对模型进行生物力学分析，此方法被认为是一种重要的、新的正畸生物力学分析方法。
目的：以三维有限元方法分析下颌骨微种植体及周围牙齿在颌间Ⅱ类、Ⅲ类牵引状况下的应力分布。
方法：选择一个牙列完整(无第三磨牙)，咬合关系正常，后牙中性颌，无任何颞下颌关节紊乱症状和体征及病变的成年女性志愿者，24岁。采用螺旋CT对志愿者行闭口位头颅CT断层扫描，应用Ansys多种软件结合的方法，建立颞下颌关节、下颌骨及下颌牙列、微种植体的三维有限元模型，模拟临床颌间Ⅱ类、Ⅲ类牵引对微种植体及周围牙齿应力的影响，并对其进行分析。根据方向分别加载，力值为1 N。
结果与结论：①所建三维有限元模型具有较好的几何相似性。②颌间Ⅱ类牵引：种植钉在上颌在尖牙和第一前磨牙之间，下颌在第二前磨牙和第一磨牙之间。第一磨牙应力分布大于第二前磨牙，但第二前磨牙牙周膜应力分布大于第一磨牙牙周膜。③颌间Ⅲ类牵引：种植钉在上颌在第二前磨牙和第一磨牙之间，下颌在尖牙和第一前磨牙之间。下颌尖牙及其牙周膜应力分布大于下颌第一前磨牙。④微种植体及周围牙齿在进行颌间牵引时应力分布变化微小。

关键词: 组织构建, 口腔组织构建, 三维有限元, 微种植体, 颌间牵引, 下颌骨, 牙列, 颞下颌关节, 应力分析, 模拟, 正畸, 生物力学

Key words: tissue construction, oral tissue construction, three-dimensional finite element, micro-implant, intermaxillary traction, mandibular, dentition, temporomandibular joint, stress analysis, simulation, orthodontics, biomechanics

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图/表（结果） 3

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引言

传统的颌间牵引是用弹性牵引调整肌力量的失衡和微小的错位达到咬合关系的恢复。但在实际临床操作中，如托槽无牵引钩则需在托槽上安放结扎丝，以便于弹性橡皮圈的固定。但由于患者经常摘带橡皮圈，常使后安放的结扎丝松动、脱落，影响治疗效果甚至中断治疗。有时患者感觉结扎丝松动刺伤黏膜牙龈且因为口腔清洁困难易引起牙龈炎甚至牙周炎。如颌间牵引位置靠后，并由于安放的结扎丝不易过长，常使患者摘带困难。

在正畸的治疗中大部分的患者属于未成年人，如操作不方便常不能按照医生要求完成有效的颌间牵引，故常直接影响治疗效果。初做颌间牵引的患者，因未能完全掌握安放的方向和力量，故常将托槽至脱落，影响疗效，这时可考虑颌间牵引微种植支抗固定。由于口内无松动结扎丝，对唇颊黏膜刺激小无明显异物感，自觉舒服卫生。并且微种植直抗固定在颌骨，

用弹性橡皮圈做颌间牵引事力量不直接作用在牙齿上，故不会引起不想发生的支抗丧失和象限内牙齿的移位。

支抗控制一直是正畸矫治过程中的关键问题^[1]。近年来种植体支抗技术逐渐引起正畸医生的关注，并成为正畸领域的又一热点。在各式各样的种植支抗当中，微螺钉型种植体支抗具有操作简单、创伤小、成本低及疗效可靠等优点，具有广泛的发展前景^[2-4]。Motoyoshi 等^[5]的研究认为微种植支抗作为一种有效的新型支抗提供了最简单的颌内支抗控制手段，可以移动整个象限的牙齿而不会产生颌间作用力所导致的副作用。在正畸矫正过程中必须要考虑的问题是支抗的选择和控制^[6-7]。

有限元分析法应用于口腔领域以来，该方法被广泛应用于口腔医学各个领域，显示出极大的优越性。在本文中应用的Mimics等软件均具备模块化的功能特点：①在Ansys中重建三维模型时，可以从任意方向对图像进行切割，对各个器官分别进行单独重建，并方便地提取任何感兴趣的研究区域、部位的图像数字化信息。②可以选择研究者感兴趣的方式去对模型素材进行组装；可以根据不同的研究内容，对模型的组装方式进行假设；能够直观地分析观察模型内部应力的分布状况；模型还可以按照给定的条件，完成添加单元的要求。这样不但避免了不必要的重复建模的麻烦，达到了生物力学模型模块化的目的，为进一步的生物力学研究提供了良好的研究平台，而且可以重复利用CT扫描信息，达到节约资源的目的。③在文章建立的模型中，下颌骨、下颌各牙齿和微植体等相互独立，可根据研究内容的实际需要任意调整微植体的植入位置和方向以模拟临床上各种不同的实际情况；也可以根据需要任意选取所需牙齿、任意调整牙齿的位置和方向以模拟临床中的正畸实例。这为以后的研究工作提供了极大的便利。

现在许多学者利用有限元法在计算机上模拟人体结构并赋予与真实结构相当的生物力学特性，既可反映模型的位移及其内部的应力信息，也可进行精确的定量分析及直观的定性研究，且重复性佳、可比性强，对于颌骨不同受力情况下的应力应变及位移研究具有其他方法无法替代的优势。

实验建立颞下颌关节、下颌骨及下颌牙列、微种植体的三维有限元模型，模拟临床颌间Ⅱ类、Ⅲ类牵引对微种植体及周围牙齿应力的影响，并对其进行分析。

材料方法

设计：三维有限元分析，单一样本重复试验观察。

时间及地点：实验于2011年10月至2012年6月在佳木斯大学解剖教研室图像分析室完成。

对象：选择一个牙列完整(无第三磨牙)，咬合关系正常，后牙中性颌，无任何颞下颌关节紊乱症状和体征及病变的成年女性志愿者，24岁，对这次试验方案及目的知情同意，且得到医院伦理道德委员会批准。硬件：计算机CPU：Pentium Dual-coreT4200 2.0HG；512 M独显；2 GB内存。软件：Mimics、Ansys等。

方法：采用螺旋CT对志愿者行闭口位头颅CT断层扫描。将CT体层扫描图片输入Mmimics软件，将数据以DICOM格式入光盘，设置恰当的阈值，提取软组织和硬组织，利用Calculate 3D命令顺利完成CT图像的三维重建，获得颞下颌关节、下颌骨、下牙列及微种植支抗的三维图像。Ng等^[8]利用Mimics软件中自带的Magics软件对三维实体模型进行处理。去掉上颌颧突等部分，对颌骨表面进行优化处理，光滑表面，然后按矢状中心平面将实体模型平分为左右两侧，保留左侧下颌骨、牙列和关节，使其保存在Ansys可以识别的格式当中^[9]。

直接在三维有限元模型上确定相应加载点的坐标，从而确定两点连线在模型上的三维方向。将连续的结构分割成若干个有限大小的单元，以单元的组合替代原结构，建立有效的数字模型进行力学分析，三维有限元法是应力分析与电脑技术相结合的方法^[10]，其建立的模型直观。Mimics等软件使有限元的建模实现了高度自动化。而且使CT或螺旋CT断层片二位图像简化了其繁琐的转化过程^[11]。

微种植体的选择：MIA系统(Dentos公司，韩国)微种植体的直径为1.2 mm，长度为7 mm，生物相容性良好。植入部位：上颌在第二前磨牙与第一磨牙之间、下颌在尖牙与第一前磨牙之间。植入角度：上颌与骨面呈30°、下颌与骨面呈10°。植入方向：均与近远中牙的牙根平行。

微种植体植入：①颌间Ⅱ类牵引：上颌在尖牙和第一前磨牙之间，下颌在第二前磨牙和第一磨牙之间。②颌间Ⅲ类牵引：上颌在第二前磨牙和第一磨牙之间，下颌在尖牙和第一前磨牙之间。微种植体植入的方向均与近远中牙的牙根平行。进行Ⅱ类和Ⅲ类颌间牵引的模拟加载，加载时根据公式Fx=F×│cosx│，Fy=F×│cosy│，Fz=F×│cosz│来计算载荷大小，x轴代表左右方向，y轴代表前后方向，z轴代表上下方向。根据方向分别加载，力值为1 N。

主要观察指标：颞下颌关节和下颌骨及下牙列、微种植支抗的左侧颅面骨三维有限元模型的建立。

讨论

随着医学诊疗要求和水平的不断提高以及计算机技术的飞速发展，影像学成为医学领域不可或缺的一个分支。CT、MRI提供的断层图像表达某一截面的解剖信息，适合于疾病的辅助诊断。而三维重建图像给人以直观和整体的印象，更能提高医疗诊疗规划的准确性和科学性，因而得到临床工作者的广泛关注，并日益成为研究热点^[12]。

现在许多学者利用有限元法在计算机上模拟人体结构并赋予与真实结构相当的生物力学特性，既可反映模型的位移及其内部的应力信息，也可进行精确的定量分析及直观的定性研究，且重复性佳、可比性强，对于骨不同受力情况下的应力应变及位移研究具有其他方法无法替代的优势^[13-16]。

实验旨在建立颞下颌关节的Ⅱ类、Ⅲ类的颌间牵引下的三维有限元数字模型，以便对其进行生物力学研究。对临床上正畸治疗有关的咬合关系不好，又因没有足够支抗，而影响治疗效果的理论研究提供更有说服力的理论依据。微种植体作为一种新的支抗手段，在正畸学中正逐渐被广泛应用^[17]，其有植入部位可选，依赖患者配合少、创伤小、费用少等优点。正畸中进行Ⅱ类、Ⅲ类颌间牵引时应用微种植钉来进行牵引^[18-19]，可减少牙齿的不利因素的移动，保持spee曲线弧度等优势，并且可以减少患者因固定在托槽上结扎丝松动带来的不适和口腔卫生问题。

颞下颌周围的约束环境极其复杂，包括咀嚼肌、关节韧带还有经过下颌骨相连的牙齿的约束。最初的研究往往简化一处或多处的固定约束，但这些均不能客观地反映真实的约束情况。宋锦璘等^[20]研究发现，在不同重建时，咀嚼肌浅层、翼内肌、颞下颌韧带、翼外肌所受力始终为零。因此本实验设定边界条件约束，颞下颌关节无论在解剖形态或在生理功能上，可堪称为全身最复杂的关节之一^[21]。

实验模拟的是临床上在微种植支抗作用下进行颌间牵引，微种植钉周围牙的应力情况。牵引作用下下颌被动移位，但在临床中，这个移动过程相对漫长，在这个移动过程的每个瞬间都可以看做是一个咬合重建的状态，所以忽略咀嚼肌浅层、翼内肌、颞下颌韧带、翼外肌的作用，而把颞肌中束、颞肌后束、茎突下颌韧带、蝶下颌韧带、颞肌前束和嚼肌深层考虑为柔索元^[22]。而牙颌组织的生物力学比较复杂^[23-24]。在牙颌组织的建模中，其力学性能呈现多样性，包括牙槽骨、牙周膜等，关节窝和上颌骨上平面设置为固定约束^[25-26]。在模拟的过程中，将牙齿和微种植体约束在颌骨内，各种结构在加载力值后发生应力效应^[27-32]。

实验结果显示在微种植支抗的作用下，无论是进行Ⅱ类、Ⅲ类颌间牵引，下颌骨微种植钉周围牙齿的应力分布都很微小，这可明显降低以往在托槽上或弓丝上进行颌间牵引所导致不理牙齿移动的因素，以达到满意的矫治效果。

该实验通过三维有限元的方法，利用其软件模拟出颌间牵引的逼真模型，并利用计算机系统来计算应力数据，保证了结果的可靠性，颌间牵引在微种植体的作用下，不产生颌间作用力所引发的不良作用，应力分布均匀平缓，可达到符合临床矫治的效果及目的。此外，实验建立的可视化模型，外形逼真，可为教学及临床实验提供可靠的解剖资料。

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