Twin—Block矯治器在不同角度咬合斜面時(shí)對(duì)相關(guān)口頜肌肉及韌帶約束反力的影響

王佳男　李惠山　宗述正　高帥　趙偉　陳秉智　劉紅彥

[摘要] 目的 研究在不同角度的咬合斜面條件下相關(guān)口頜肌肉及韌帶的約束反力的變化規(guī)律，為Twin-Block矯治器的臨床應(yīng)用提供理論依據(jù)。方法 建立顳下頜關(guān)節(jié)—下頜骨—Twin-Block矯治器系統(tǒng)的三維有限元模型，在此基礎(chǔ)上添加相關(guān)口頜肌肉和韌帶，根據(jù)臨床及相關(guān)研究設(shè)計(jì)7個(gè)實(shí)驗(yàn)組（Twin-Block矯治器咬合導(dǎo)板斜面角度分別為

40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°），計(jì)算并分析相關(guān)口頜肌肉和韌帶的約束反力。結(jié)果 咬肌深層前份、咬肌深層后份、顳肌前份、顳肌后份、莖突下頜韌帶及蝶下頜韌帶的受力隨著Twin-Block矯治器咬合導(dǎo)板斜面角度的增大而增大。約束反力最大值為82.57 N，最小值為0.07 N。結(jié)論 1）顳肌前份、咬肌深層前份、咬肌深層后份、顳肌后份、莖突下頜韌帶及蝶下頜韌帶在Twin-Block矯治器引導(dǎo)下頜向前的過程中均受到被動(dòng)牽張力，這對(duì)下頜骨的適應(yīng)性改建有重要作用。2）本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的7個(gè)實(shí)驗(yàn)組中的咬合傾斜角度均在患者生理承受范圍之內(nèi)，均在臨床可選擇之列。

[關(guān)鍵詞] Twin-Block矯治器； 三維有限元； 口頜肌肉； 韌帶； 約束反力

[中圖分類號(hào)] R 739.86 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [doi] 10.7518/hxkq.2013.02.015

Twin-Block（TB）矯治器是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的功能矯治器。使用TB矯治器治療下頜發(fā)育不足引起的安氏Ⅱ類錯(cuò)畸形時(shí)，可以通過上下頜墊間的接觸斜面，巧妙地將咀嚼力分解并轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣谙骂M向前生長(zhǎng)的力，從而快速糾正上下頜骨矢狀向的不調(diào)，使患者的側(cè)貌得以改善[1]。目前對(duì)TB矯治器的臨床應(yīng)用及生物學(xué)作用進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)咬合傾斜平面應(yīng)用過程中的角度等問題仍然存在許多爭(zhēng)議[2]。此外，模擬TB矯治器引導(dǎo)下頜前伸后對(duì)肌肉、韌帶約束反力影響的研究也較少。為了更好地了解TB矯治器的生物力學(xué)作用原理，本文在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并建立了包括TB矯治器及完整天然牙列、顳下頜關(guān)節(jié)的下頜骨三維有限元模型，模擬TB矯治器引導(dǎo)下頜前伸，研究TB矯治器戴入后，咬合斜面導(dǎo)板角度不同時(shí)相關(guān)口頜肌肉和韌帶的約束反力的變化規(guī)律，從而確定適宜臨床應(yīng)用的TB矯治器的咬合斜面導(dǎo)板角度。

1 材料和方法

1.1 矯治系統(tǒng)三維有限元模型的建立

選取1例處于生長(zhǎng)發(fā)育高峰期的正畸患者作為建模素材。要求患者全身發(fā)育正常，下頜后縮，牙列完整，牙弓形態(tài)基本對(duì)稱，處于恒牙早期階段，雙側(cè)第一磨牙為中性偏遠(yuǎn)中關(guān)系，改良頸椎分析法分期為Ⅱ～Ⅲ期，Wits值為5 mm。采用荷蘭Philips公司Brilliance 16排多層螺旋CT掃描機(jī)對(duì)患者進(jìn)行掃描。采用與眶耳平面平行且與水平面垂直的平面進(jìn)行橫斷面掃描，掃描厚度為0.5 mm，共得到181張二維斷層DICOM圖像。將這些圖像導(dǎo)入Mimics 10.1軟件中，通過選取不同的灰度閾值提取下頜骨及下牙列的象素，建立高質(zhì)量的三維下頜骨和下牙列模型。根據(jù)對(duì)稱性原則，選取右側(cè)模型作為研究對(duì)象。將所得到的幾何模型以IGES格式導(dǎo)入Hypermesh 9.0中，再進(jìn)一步優(yōu)化，劃分離散網(wǎng)格。按簡(jiǎn)化的關(guān)節(jié)窩和關(guān)節(jié)盤的幾何形狀建立顳下頜關(guān)節(jié)，在右下第一和第二前磨牙上按臨床TB矯治器下頜墊的基本形狀添加厚約5 mm的梯形塑料結(jié)構(gòu)單元，附加TB矯治器。

參照參考文獻(xiàn)[3-4]描述的方法模擬咀嚼肌，下頜骨通過4組咀嚼?。ˋnsys中l(wèi)ink 10桿單元）與面顱諸骨相聯(lián)結(jié)，面顱骨上的聯(lián)結(jié)點(diǎn)均簡(jiǎn)化為固定絞結(jié)點(diǎn)，通過肌束的起止點(diǎn)來決定桿單元的三維空間方向，韌帶的附著點(diǎn)參見參考文獻(xiàn)[5]。由此建立完整的矯治系統(tǒng)三維有限元模型，見圖1。

1.2 工況及載荷條件

根據(jù)臨床和相關(guān)文獻(xiàn)的研究?jī)?nèi)容，共設(shè)計(jì)7組不同角度的TB矯治器咬合斜面導(dǎo)板，分別為40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°。模擬TB矯治器咬合斜面導(dǎo)板的作用，下頜受到垂直于斜面導(dǎo)板的載荷，載荷點(diǎn)位于導(dǎo)板斜面。研究[6]發(fā)現(xiàn)：當(dāng)下頜垂直向移位

4～6 mm，水平向移位3～5 mm時(shí)，下頜骨在平均矢狀向上的受力為3.087～3.871 N。據(jù)此本實(shí)驗(yàn)確定力值大小為3.8 N。各材料的常數(shù)及節(jié)點(diǎn)數(shù)見表1。

2 結(jié)果

咬合斜面導(dǎo)板在不同角度時(shí)，相關(guān)肌肉與韌帶的約束反力情況見表2。從表2中可見，咬肌深層前份、咬肌深層后份、顳肌前份、顳肌后份、蝶下頜韌帶及莖突下頜韌帶的受力隨著咬合導(dǎo)板斜面角度

的增大而增大。咬合導(dǎo)板斜面角度在40°及70°時(shí)相關(guān)口頜肌肉及韌帶約束反力相差力值最大的為顳肌前份（45.41 N），其次為咬肌深層前份（39.01 N），再次為咬肌深層后份（17.15 N）和顳肌后份（13.39 N），莖突下頜韌帶（0.14 N）及蝶下頜韌帶（0.07 N）的受力相差不大。此外，約束反力最大值為82.57 N，最小值為0.07 N。

典型病例 患者金某，男，年齡為11歲7個(gè)月。主訴：下唇凹陷，上牙列不齊。相關(guān)病史：父親下頜側(cè)切牙先天缺失，母親牙列不齊。臨床檢查：1）上前牙擁擠，32、42先天缺失，下前牙有散在間隙，Bolton指數(shù)不調(diào)；2）Ⅱ類骨面型，下頜骨相對(duì)于顱底平面后縮，軟組織下唇后縮；3）下頜角為均角，有深覆生長(zhǎng)趨勢(shì)，Spee氏曲線較深；4）左側(cè)磨牙為近中尖對(duì)尖關(guān)系，右側(cè)磨牙為中性偏近中關(guān)系，下中線右偏；5）處于生長(zhǎng)發(fā)育高峰期，骨齡預(yù)測(cè)為11.39歲。模型分析：上頜擁擠度為5.4 mm，下頜擁擠度為-2.2 mm。診斷：安氏Ⅰ類錯(cuò)，骨性Ⅱ類錯(cuò)，均角，深覆，深覆蓋。治療目標(biāo)：1）適當(dāng)引導(dǎo)下頜骨向前生長(zhǎng)，達(dá)到牙弓、頜骨、顱面關(guān)系的協(xié)調(diào)；2）改善軟組織側(cè)貌及上下唇關(guān)系；3）排齊牙列，關(guān)閉間隙，調(diào)整咬合關(guān)系；4）以33、43替代2顆缺失的側(cè)切牙并略改形，余牙順序替代，最終使磨牙、尖牙關(guān)系達(dá)到完全近中，并完全關(guān)閉下頜散在間隙；5）協(xié)調(diào)上下頜牙軸的唇傾度，調(diào)整Spee氏曲線；6）上下牙弓中線與面中線對(duì)正。治療計(jì)劃：1）口腔衛(wèi)生宣教；2）一期治療，包括用TB功能矯治器引導(dǎo)下頜向前（前傾角度為70°）；二期治療采用Roth直絲弓矯治器排齊、整平牙弓，調(diào)整咬合關(guān)系；雙期連續(xù)矯治；3）采用帶斜面導(dǎo)板的Hawley保持器保持；4）定期隨訪?；颊咧委熐?、TB矯治器戴入后、一期治療結(jié)束后、二期治療后期的口內(nèi)像見圖2。

TB功能矯治器的制作及臨床應(yīng)用方法如下。1）取咬合記錄：使用牙科模型蠟制取患者的咬合記錄，要求下頜前伸至對(duì)刃，上下中線對(duì)齊，前牙打開咬合2 mm。2）制作導(dǎo)斜面：以功能性平面為基準(zhǔn)制作角度為70°的導(dǎo)斜面。3）早期調(diào)：對(duì)于高角患者，基本上不調(diào)；而對(duì)低角和均角患者，應(yīng)盡可能早期調(diào)。4）調(diào)磨墊：每次調(diào)磨墊高度約1.5 mm，以探針能通過為準(zhǔn)。

典型病例治療前后的頭影測(cè)量結(jié)果見表3。對(duì)頭影測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，可以看出患者治療前后矢狀向、垂直向以及軟組織側(cè)貌的變化。1）矢狀向的變化：SNB、下頜骨長(zhǎng)度Co-Gn、矢狀向不調(diào)指數(shù)APDI明顯增加，而ANB明顯減小，說明使用TB矯治器矯治后，患者的下頜骨前移、覆覆蓋減?。簧现星醒?上齒槽座點(diǎn)角U1/NA、下中切牙-下齒槽座點(diǎn)角L1/NB增加，說明上切牙有輕度舌傾，下切牙有輕度唇傾，這可能是前導(dǎo)下頜反作用力的影響，還有唇弓少量?jī)?nèi)收的作用；下頜基骨位置前移了8.0 mm，達(dá)到了咬合關(guān)系良好且穩(wěn)定，前牙覆覆蓋正常的結(jié)果；雖然治療后下頜骨長(zhǎng)度Co-Gn增加了4.0 mm，但是上下頜骨長(zhǎng)度之差為33.0 mm，說明上下頜骨的長(zhǎng)度在正常范圍之內(nèi)，上下頜骨仍是匹配、協(xié)調(diào)的。2）垂直向的變化：治療之后垂直向不調(diào)指數(shù)ODI為

73.5，位于正常范圍之內(nèi)，比治療之前減小了7.3，說明經(jīng)過雙期連續(xù)矯治后前牙的深覆問題得到解決；治療前全面高N-Me、下面高ANS-Me、下面高與全面高之比ANS-Me/N-Me都在正常范圍之內(nèi)，一期治療結(jié)束后全面高增加3.5 mm，下面高增加2.0 mm，但二者的比值沒有變化；二期治療結(jié)束后只有全面高減小了0.5 mm，而二者的比值增加了0.2，說明TB功能矯治器的正確使用很關(guān)鍵，整個(gè)治療過程基本保持了面高比例的協(xié)調(diào)關(guān)系。3）治療后下唇突度LLP增加2.0 mm，上唇突度ULP保持不變，頦溝傾角Pg-B-FH增加了10.0°，更接近正常值；治療后面角FH-Ns-Pg為95.5°，增加了8.5°，達(dá)到了正常值規(guī)定的范圍，表明治療后上下唇及頦部的曲線相對(duì)協(xié)調(diào)，較治療前更加美觀。

3 討論

3.1 結(jié)果分析

研究[7]發(fā)現(xiàn)：在下頜處于前伸的前提下進(jìn)行不同的重建時(shí)，咬肌淺層、翼內(nèi)肌、翼外肌、顳下頜韌帶的約束反力始終為0，而咬肌深層、顳肌、蝶下頜韌帶、莖突下頜韌帶則發(fā)揮了相當(dāng)重要的作用，故本實(shí)驗(yàn)設(shè)定了與下頜骨功能性前伸相關(guān)的口頜肌肉及韌帶。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，咬肌深層、顳肌及蝶下頜韌帶、莖突下頜韌帶的受力隨著咬合導(dǎo)板斜面角度的增大而增大。顳肌和咬肌均有上提下頜的作用，在TB矯治器導(dǎo)下頜向前向下的過程中，咬合導(dǎo)板斜面角度在40°及70°時(shí)顳肌前份和咬肌深層前份所受約束反力的數(shù)值相差最大，發(fā)揮的作用最為明顯。當(dāng)下頜前伸時(shí)蝶下頜韌帶明顯緊張，而莖突下頜韌帶能防止下頜過度向前移位。本實(shí)驗(yàn)中蝶下頜韌帶和莖

突下頜韌帶的受力隨著咬合導(dǎo)板斜面角度的增大而增大，也證實(shí)了蝶下頜韌帶和莖突下頜韌帶在TB矯治器引起的下頜骨功能改建中受到了被動(dòng)牽張力。另外，約束反力最大值為82.57 N，最小值為0.07 N，均在患者的生理承受范圍[8]之內(nèi)。

由功能矯形引起的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力是頜骨改建的決定性因素。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：咬合斜面導(dǎo)板角度為40°～70°，相關(guān)口頜肌肉及韌帶在下頜骨的附著處相對(duì)下頜骨其他部分均有明顯的力值改變，說明TB矯治器引導(dǎo)下頜骨向下向前運(yùn)動(dòng)時(shí)顳肌、咬肌深層以及蝶下頜韌帶和莖突下頜韌帶有約束和限制下頜運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，均受到被動(dòng)牽張力。這種被動(dòng)牽張力使以上肌肉及韌帶在下頜骨附著點(diǎn)的骨膜受到張應(yīng)力，促進(jìn)骨膜下的骨表面基質(zhì)的沉積，進(jìn)而引起下頜骨的適應(yīng)性改建。

3.2 不同角度咬合斜面的臨床意義

TB矯治器是一種治療骨性Ⅱ類錯(cuò)畸形的功能矯治器。它通過咬合導(dǎo)板的引導(dǎo)作用使下頜向前下移位，從而糾正頜骨間的不調(diào)，因此咬合斜面導(dǎo)板的位置和角度對(duì)于有效地矯治牙弓間關(guān)系至關(guān)重要。最早TB矯治器的上下咬合斜面導(dǎo)板與平面成90°，在此角度下患者需有意識(shí)地迫使自己咬合在前伸的位置上，若要保證良好的矯治效果，需要患者積極的配合；但是，多數(shù)患者并不能持續(xù)保持這樣的前伸姿勢(shì)，導(dǎo)致下頜后退到原來遠(yuǎn)中的位置上。針對(duì)這一情況，學(xué)者們對(duì)TB矯治器進(jìn)行了改良。早期的改良是將咬合斜面導(dǎo)板做成與平面成45°角以引導(dǎo)下頜骨向前；隨后，經(jīng)過大量的臨床試驗(yàn)得出咬合斜面導(dǎo)板與平面形成約70°角時(shí)非常有效。多數(shù)情況下，70°的角度可以成功地誘導(dǎo)下頜到前伸咬合關(guān)系位置上[9]。本實(shí)驗(yàn)從生物力學(xué)的角度探討TB矯治

器的上下咬合斜面導(dǎo)板與平面的角度，結(jié)果顯示：顳肌前份、咬肌深層前份、顳肌后份以及咬肌深層后份在TB矯治器所引起的下頜骨功能改建中起了相當(dāng)大的作用。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的7組重建類型中，斜面角度越大，相關(guān)口頜肌肉及韌帶所受的約束反力越大。這種變化趨勢(shì)在患者生理承受能力允許的前提下有利于口頜肌肉及韌帶在生物改建過程中發(fā)揮最佳作用，在更大程度上提高矯治器的治療效果。

在臨床上，45°及70°是多數(shù)正畸醫(yī)師所采用的TB矯治器咬合斜面導(dǎo)板的角度。在45°的角度下，在下牙列上會(huì)產(chǎn)生等量的向前和向下的分力，從而刺激下頜產(chǎn)生等量的向前和向下的生長(zhǎng)量；而在70°的角度下，下頜骨水平向的生長(zhǎng)量大于其垂直向的生長(zhǎng)量，更有利于快速糾正上下頜骨矢狀向的不調(diào)，改善后牙咬合關(guān)系及側(cè)貌。若在70°時(shí)患者自覺下頜前伸有困難，可適當(dāng)降低角度，力求使患者能夠持續(xù)保持一個(gè)前伸的姿勢(shì)位，積極配合治療。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的7組重建類型均在臨床選擇之列，但最終選擇方案還需要根據(jù)患者錯(cuò)畸形的嚴(yán)重程度、生長(zhǎng)潛力，以及患者的適應(yīng)能力和配合度等確定。

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（本文編輯 吳愛華）