朱杰晶 潘恩僦 杜慶玲 王棟才 李伯休 林新平
為自己的側(cè)貌或者牙列擁擠影響美觀和健康而就診的患者越來(lái)越多[1]。微種植釘[2]在解決邊緣性病例的優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯,既改善了側(cè)貌,又不必拔牙。微種植釘這項(xiàng)技術(shù)在口腔正畸中解決了支抗不足的問(wèn)題,而它的應(yīng)用也在不斷完善,特別是針對(duì)患者個(gè)性化的靈活使用[3]。這就需要醫(yī)生不僅僅憑借豐富的臨床經(jīng)驗(yàn),并且有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明矯治方案的生物力學(xué)可行性[4]。
三維有限元技術(shù)在引入口腔臨床已經(jīng)有一段時(shí)間[5],并且得到各位學(xué)者認(rèn)可,可以用來(lái)模擬口腔組織,觀察牙齒移動(dòng)的生物力學(xué)特征[6-7]。本文基于患者前牙美學(xué)區(qū)的不同表現(xiàn)[8],深覆,正常覆,淺覆,是否有露齦笑,上前牙唇傾度等,利用三維有限元技術(shù),模擬微種植釘高度在0 mm,7 mm,牽引鉤位置在側(cè)切牙及尖牙之間,尖牙及第一前磨牙之間2 個(gè)位置,高度在7 mm,0 mm,-7 mm,模擬該12 種負(fù)載模式下,各個(gè)牙齒的位移大小特別是對(duì)美學(xué)影響較大的前牙區(qū),希望為臨床中合理設(shè)計(jì)矯治方案提供參考。
選取浙江省杭州地區(qū)健康成年志愿者1 名,男性,24 周歲。個(gè)別正常,牙列完整、無(wú)齲齒、牙弓左右基本對(duì)稱(chēng),雙側(cè)磨牙中性關(guān)系。牙齒大小正常,牙齒排列基本整齊,牙周組織健康。
使用64 排LightSpeed VCT (GE,美國(guó))從頭顱至下頜骨進(jìn)行掃描。掃描間距0.50 mm,每?jī)蓪又g重疊0.20 mm,總共得到512 張斷層圖像。
建模步驟如下:① 將二維CT圖像文件導(dǎo)入Mimics軟件(Materialise,Leuven,Belgium),通過(guò)閾值化操作,分別提取上頜骨及各個(gè)牙齒的相關(guān)結(jié)構(gòu)信息,牙周膜統(tǒng)一厚度為0.25 mm。并把得到的數(shù)字模型導(dǎo)入Geomagic 12.0中進(jìn)行表面優(yōu)化及曲面化處理; ② 在三維設(shè)計(jì)軟件UG 10.0中,以杭州新亞齒科材料有限公司提供的金屬滑蓋自鎖托槽(ROTH)數(shù)據(jù)(表 1),為原型繪制托槽,托槽槽溝的尺寸為0.48 mm×0.63 mm。
表 1 金屬滑蓋自鎖式直絲托槽(ROTH)
見(jiàn)表 2。
上頜骨固定,牙齒間接觸綁定,0.48 mm×0.63 mm SS弓絲與0.48 mm×0.63 mm托槽接觸,牙齒與牙周膜、牙周膜與牙槽骨都綁定。弓絲以y=2.619 596×10-5x4+1.375 403×10-2x2-1.289 235[9]四次多項(xiàng)函數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)建立模型(圖 1)。
微種植釘位于第一磨牙近中頰根頰側(cè),高度為7和0 mm;牽引鉤位于側(cè)切牙及尖牙之間,尖牙和第一前磨牙之間,高度有7、0 mm以及-7 mm 3 種;牽引方向?yàn)椋簭臓恳^至微種植釘,牽引力大?。?.47 N。
表 2 材料屬性
圖 1 上頜牙列的有限元模型
設(shè)定中切牙切緣中點(diǎn)(C1)、側(cè)切牙切緣中點(diǎn)(C2)、尖牙牙尖點(diǎn)(C3)、第一前磨牙頰尖點(diǎn)(C4)、第二前磨牙頰尖點(diǎn)(C5),第一磨牙近中頰尖點(diǎn)(C6),第二磨牙近中頰尖點(diǎn)(C7)以及上述牙齒相對(duì)應(yīng)的根尖點(diǎn)(R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7)為位移評(píng)估標(biāo)記點(diǎn)(圖 2)。
圖 2 上頜牙列各標(biāo)記點(diǎn)
X軸代表垂直向位移,以向下為正;Y軸代表矢狀向位移,以向遠(yuǎn)中為正;Z軸代表冠狀向位移,以向腭側(cè)為正。
如圖 3。不同的位移范圍用不同的顏色標(biāo)記,相同位移范圍內(nèi)的用同一種顏色標(biāo)記。從深藍(lán)色到紅色表示位移逐漸增大。其中圖例0-7(23)代表負(fù)載模式,0代表微種植釘相對(duì)于弓絲的高度為0 mm,7代表牽引鉤的高度為7 mm,23代表代表牽引鉤位于上頜側(cè)切牙與尖牙之間,以此類(lèi)推(位移放大200 倍顯示,陰影部分為牙齒未受力前的初始位移)。
當(dāng)微種植釘位于0 mm和7 mm時(shí),上頜牙列中各牙齒在不同牽引鉤位置和高度下受到力作用的結(jié)果。在使用微種植釘內(nèi)收上牙列的過(guò)程中,由于反作用力直接作用于頜骨,對(duì)后牙的影響整體小于前牙(圖 4)。
牽引鉤高度為7 mm時(shí),不論使用7 mm高度還是0 mm高度微種植釘,都會(huì)出現(xiàn)中切牙及側(cè)切牙的壓低,即使使用0.48 mm×0.64 mm SS,仍然出現(xiàn)弓絲的形變,牽引鉤之后的牙齒受到向伸長(zhǎng)的作用力,若牽引鉤位于側(cè)切牙及尖牙之間,則尖牙明顯伸長(zhǎng),若牽引鉤位于尖牙及第一前磨牙之間,則第一前磨牙出現(xiàn)明顯伸長(zhǎng)。
圖 3 不同負(fù)載模式下各牙齒的位移云圖
圖 4 微種植體高度為0 mm和7 mm時(shí)各牙齒位移折線圖
牽引鉤高度為 0 mm時(shí),7 mm高度微種植釘?shù)呢?fù)載模式下,上前牙少量壓低,0 mm高度微種植釘時(shí),上前牙少量伸長(zhǎng)。牽引鉤矢狀向位置影響壓低與伸長(zhǎng)的量。牽引鉤在2、3之間,壓低量大于4、5之間,牽引鉤在3、4之間,伸長(zhǎng)量大于2、3之間。
牽引鉤高度為-7 mm時(shí),當(dāng)微種植釘位于0 mm高度,牽引鉤位置之前的牙齒表現(xiàn)為伸長(zhǎng),牽引鉤之后的牙齒表現(xiàn)為壓低;當(dāng)微種植釘位于7 mm高度時(shí),牽引鉤位置在2、3之間,上前牙表現(xiàn)為伸長(zhǎng),牽引鉤在3、4之間,上前牙表現(xiàn)為輕度壓低。
由折線圖(圖 4)結(jié)合位移云圖(圖 3),可知,垂直向:當(dāng)牽引鉤位置在2、3之間:牽引鉤高度為7 mm時(shí),中切牙及側(cè)切牙牙冠牙根垂直方向的位移為負(fù)值,牙冠牙根均壓低,牙冠壓低量大,牙齒逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),尖牙及其后位牙齒牙冠牙根均伸長(zhǎng),伸長(zhǎng)量以尖牙為最大,依次減??;0 mm高度的牽引鉤時(shí),中切牙牙冠垂直方向上的位移為正值,牙根位移為負(fù)值,牙齒順時(shí)針旋轉(zhuǎn),側(cè)切牙牙冠垂直方向上幾乎不移動(dòng),牙根移動(dòng)方向?yàn)樨?fù)值,順時(shí)針?lè)较蚩馗苿?dòng),尖牙至第一磨牙牙冠位移為正值,牙根位移為負(fù)值,順時(shí)針旋轉(zhuǎn),第二磨牙壓低伴少量順時(shí)針旋轉(zhuǎn);-7 mm高度時(shí),中切牙及側(cè)切牙牙冠牙根均伸長(zhǎng),尖牙及后位牙齒牙冠牙根位移量均為負(fù)值,牙冠牙根均為壓低。
當(dāng)牽引鉤位置在3、4之間:牽引的高度為7 mm時(shí),中切牙牙冠幾乎不動(dòng),牙根位移為負(fù)值,順時(shí)針旋轉(zhuǎn),側(cè)切牙牙冠牙根位移均為負(fù)值,位移量接近,接近于整體壓低,尖牙牙冠牙根接近整體壓低,第一前磨牙牙冠牙根顯著伸長(zhǎng);牽引鉤高度為0 mm時(shí),中切牙少量伸長(zhǎng),牙根幾乎不動(dòng),側(cè)切牙牙冠位移為正值,牙根為負(fù)值,順時(shí)針旋轉(zhuǎn),尖牙牙冠少量伸長(zhǎng),牙根幾乎不動(dòng),第一前磨牙及后位牙齒均少量伸長(zhǎng);-7 mm高度時(shí),牙冠牙根垂直方向上位移均為正值,中切牙整體伸長(zhǎng),側(cè)切牙牙冠牙根位移均為正值,整體伸長(zhǎng)。尖牙牙冠牙根整體均伸長(zhǎng),第一前磨牙輕度壓低。第二前磨牙,第一磨牙隨牽引鉤高度的垂直向位移變化與第一前磨牙趨勢(shì)相同,位移量逐漸減少。第二磨牙移動(dòng)受牽引鉤高度影響較小,均表現(xiàn)為少量伸長(zhǎng)。
矢狀向:各牙齒牙冠部標(biāo)記點(diǎn)均為遠(yuǎn)中移動(dòng),當(dāng)牽引鉤在2、3之間,7 mm高度牽引鉤,中切牙整體遠(yuǎn)中移動(dòng),側(cè)切牙牙冠幾乎不動(dòng),牙根向遠(yuǎn)中移動(dòng)較多,側(cè)切牙逆時(shí)針旋轉(zhuǎn);尖牙及前磨牙、磨牙的牙冠向遠(yuǎn)中移動(dòng),牙根近中移動(dòng),移動(dòng)量逐漸減少。0 mm高度牽引鉤,各牙冠標(biāo)記點(diǎn)遠(yuǎn)中移動(dòng),以中切牙、側(cè)切牙位移量為大;牙根位移量較小,側(cè)切牙為遠(yuǎn)中移動(dòng),余牙為少量近中移動(dòng),牙冠遠(yuǎn)中移動(dòng)量大于牙根,各牙齒均表現(xiàn)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。-7 mm牽引鉤高度,中切牙、側(cè)切牙根近中移動(dòng),逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),尖牙牙冠牙根遠(yuǎn)中移動(dòng)量接近,表現(xiàn)為整體移動(dòng),余牙牙根均為遠(yuǎn)中移動(dòng),牙根移動(dòng)量小于牙冠,順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
當(dāng)牽引鉤在3、4之間,7 mm高度,中切牙牙根幾乎不動(dòng),側(cè)切牙及尖牙牙根遠(yuǎn)中移動(dòng),移動(dòng)量小于牙冠,從第一前磨牙開(kāi)始牙根為近中移動(dòng),牙位靠后,移動(dòng)量逐漸減少,均為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)以第一前磨牙順旋量最多;0 mm高度時(shí),各牙牙根位移量變化不大,近中或遠(yuǎn)中移動(dòng)較小值,牙齒表現(xiàn)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn);-7 mm高度時(shí),第一前磨牙牙根遠(yuǎn)中移動(dòng)大于牙冠遠(yuǎn)中移動(dòng)量,表現(xiàn)為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),第二前磨牙接近于整體移動(dòng),余牙均為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
冠狀向:中切牙受牽引方式改變的頰腭向位移不明顯,當(dāng)牽引鉤位于2、3之間,7 mm高度,側(cè)切牙牙冠頰側(cè)移動(dòng),牙根腭側(cè)移動(dòng);尖牙牙冠腭側(cè)移動(dòng),牙根頰側(cè)移動(dòng);余牙頰腭側(cè)位移量不大。0 mm高度,側(cè)切牙頰腭向位移不明顯,尖牙,第一前磨牙,第二前磨牙表現(xiàn)為冠頰側(cè)根腭側(cè)移動(dòng)。-7 mm高度時(shí),側(cè)切牙牙冠腭側(cè)移動(dòng),牙根頰側(cè)移動(dòng),尖牙及其以后牙齒,牙冠腭側(cè)移動(dòng),牙根頰側(cè)移動(dòng)。
牽引鉤位于3、4之間,7 mm牽引鉤高度,側(cè)切牙及尖牙表現(xiàn)為冠頰側(cè)根腭側(cè)移動(dòng),余牙相反。0 mm時(shí),各牙頰腭向位移均不明顯。-7 mm時(shí),側(cè)切牙及尖牙冠腭側(cè)移動(dòng),根遠(yuǎn)中移動(dòng),余牙冠頰側(cè)移動(dòng),根腭側(cè)移動(dòng),與7 mm時(shí)各牙的頰側(cè)向位移剛好相反。
垂直向:牽引鉤在2、3之間,7 mm高度牽引鉤,中切牙、側(cè)切牙均為壓低,以側(cè)切牙壓低更為顯著,余牙表現(xiàn)為伸長(zhǎng),牙位往后,伸長(zhǎng)量減少;0 mm高度時(shí),中切牙側(cè)切牙牙冠、牙根標(biāo)記點(diǎn)位移值為負(fù),壓低;尖牙牙冠幾乎不動(dòng),牙根少量壓低,逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),余牙基本保持原位。
牽引鉤在3、4之間,7 mm高度牽引鉤,中切牙、側(cè)切牙、尖牙均為壓低,壓低量依次增大;第一前磨牙伸長(zhǎng)明顯,余牙伸長(zhǎng)量逐漸降低;0 mm牽引鉤,中切牙少量順時(shí)針旋轉(zhuǎn),側(cè)切牙及其以后牙齒表現(xiàn)為壓低,以尖牙壓低最為明顯;-7 mm牽引鉤時(shí),中切牙牙冠幾乎不動(dòng),牙根位移為負(fù)值,少量逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),側(cè)切牙接近于整體移動(dòng),尖牙伸長(zhǎng),第一前磨牙及其往后牙位均為壓低,壓低量逐漸減少。
矢狀向:牽引鉤在2、3之間,7 mm高度牽引鉤,中切牙牙冠牙根均遠(yuǎn)中移動(dòng),側(cè)切牙牙冠近中移動(dòng),牙根遠(yuǎn)中移動(dòng),逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),尖牙及其往后牙位均表現(xiàn)為牙冠牙冠遠(yuǎn)中移動(dòng),牙根近中移動(dòng),順時(shí)針旋轉(zhuǎn);0 mm高度牽引鉤,中切牙牙冠遠(yuǎn)中移動(dòng),牙根幾乎不動(dòng),側(cè)切牙牙冠牙根均遠(yuǎn)中移動(dòng),牙冠移動(dòng)量更大,尖牙及其往后牙位牙冠遠(yuǎn)中移動(dòng),牙根少量近中移動(dòng),順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。-7 mm高度牽引鉤,中切牙及側(cè)切牙牙冠遠(yuǎn)中移動(dòng),牙根近中移動(dòng),側(cè)切牙位移更大,尖牙牙冠遠(yuǎn)中移動(dòng),牙根遠(yuǎn)中移動(dòng)切且位移量更大,表現(xiàn)為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),第一前磨牙及其以后牙位少量順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
牽引鉤在3、4之間,7 mm高度牽引鉤,中切牙牙冠遠(yuǎn)中移動(dòng),牙根幾乎不動(dòng),側(cè)切牙牙冠牙根均往遠(yuǎn)中移動(dòng),位移量相近,整體遠(yuǎn)中移動(dòng);尖牙牙冠遠(yuǎn)中移動(dòng),牙根遠(yuǎn)中移動(dòng),牙根位移量大于牙冠,逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),余牙牙冠遠(yuǎn)中移動(dòng),牙根近中移動(dòng),順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。0 mm高度牽引鉤,牙冠均表現(xiàn)為遠(yuǎn)中移動(dòng),牙根受影響較小,順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。-7 mm高度,中切牙、側(cè)切牙及尖牙少量順時(shí)針旋轉(zhuǎn),第一前磨牙、第二前磨牙、第二磨牙牙冠近中移動(dòng),牙根遠(yuǎn)中移動(dòng),逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),第一磨牙表現(xiàn)為少量順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
冠狀向:中切牙頰腭向位移受不同負(fù)載方式的影響較小,牽引鉤在2、3之間,7 mm高度牽引鉤,側(cè)切牙牙冠頰側(cè)移動(dòng),牙根腭測(cè)移動(dòng),尖牙牙冠頰側(cè)移動(dòng),牙根頰側(cè)移動(dòng)量大于頰側(cè),牙冠舌向轉(zhuǎn)矩,余牙牙冠頰側(cè)移動(dòng),牙根腭側(cè)移動(dòng),牙冠唇向轉(zhuǎn)矩。0 mm高度時(shí),側(cè)切牙、尖牙、第一前磨牙、第二前磨牙牙冠頰側(cè)移動(dòng),牙根腭側(cè)移動(dòng),第一磨牙、第二磨牙牙冠頰側(cè)移動(dòng),牙根基本不移動(dòng)。-7 mm牽引鉤,側(cè)切牙牙冠腭測(cè)移動(dòng),牙根頰側(cè)移動(dòng),余牙運(yùn)動(dòng)與側(cè)切牙相反,以尖牙位移量最大,逐漸減小。
牽引鉤在3、4之間,7 mm高度牽引鉤,側(cè)切牙及尖牙牙冠頰側(cè)移動(dòng),牙根腭側(cè)移動(dòng),余牙運(yùn)動(dòng)相反。0 mm高度牽引鉤,牙冠均為頰側(cè)移動(dòng),牙根為腭側(cè)移動(dòng),以尖牙的位移量最大。-7 mm高度牽引鉤,側(cè)切牙頰腭向移動(dòng)基本不受影響,尖牙及其后位牙齒牙冠頰側(cè)移動(dòng),牙根舌側(cè)移動(dòng),以第一前磨牙和第二前磨牙位移最為明顯。
對(duì)于拔牙的臨界病例,微種植釘內(nèi)收上頜全牙列是一個(gè)可選的方法。安氏II類(lèi)1分類(lèi)錯(cuò),不拔牙利用微種植釘整體內(nèi)收上頜牙列,達(dá)到了磨牙尖牙中性關(guān)系[10]。關(guān)于微種植釘植入的位置[11],原則上來(lái)說(shuō),只要植入?yún)^(qū)域的骨質(zhì)發(fā)育成熟,骨量足夠,易于植入,不會(huì)損傷牙根,不會(huì)進(jìn)入上頜竇等均可。臨床上大多數(shù)植入的位點(diǎn)是選擇后牙根間區(qū)域。然而,該區(qū)域植入微種植釘后,隨著牙列的內(nèi)收,牙根可能會(huì)接觸到微種植釘,繼而有牙根吸收的風(fēng)險(xiǎn)。上頜顴牙槽嵴區(qū)[12]是位于上頜第一磨牙頰側(cè)的骨性凸起,在該區(qū)域植入微種植釘,幾乎不會(huì)影響上頜牙列的移動(dòng)[13]。改變植入角度及改變微種植釘光滑頸部的長(zhǎng)度,可以實(shí)現(xiàn)不同高度微種植釘?shù)闹踩搿1狙芯窟x取7 mm高度作為高位微種植釘,0 mm作為低位微種植釘植入點(diǎn),進(jìn)行不同力加載模式下,各牙齒移動(dòng)的三維有限元分析。
不同的負(fù)載模式會(huì)引起不同的牙齒移動(dòng),不同力學(xué)負(fù)載模式對(duì)上前牙3-3內(nèi)收的影響已經(jīng)研究較多[14-16],對(duì)上頜整體內(nèi)收[1,11]的研究認(rèn)為:通過(guò)改變牽引鉤高度可以有效控制上牙列的移動(dòng)方式,牽引鉤高度逐漸增加時(shí),平面由順時(shí)針旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)逐漸變?yōu)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)??偟膩?lái)說(shuō),牙齒移動(dòng)的方式與阻抗中心的位置關(guān)系密切相關(guān)。當(dāng)牽引方向在上牙列阻抗中心下方時(shí),發(fā)生順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)牽引方向在上牙列阻抗中心上方時(shí),發(fā)生逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)牽引方向通過(guò)上牙列阻抗中心時(shí),上牙列的整體移動(dòng)[17]。對(duì)上頜全牙列阻抗中心的研究認(rèn)為,上頜骨的阻抗中心位置在正中矢狀面上,其高度在梨狀孔下緣,前后位置在第二前磨牙和第一磨牙之間。上牙弓的阻抗中心位置也在正中矢狀面上,前后位置在第二前磨牙處。但是,阻抗中心也不是一層不變的,它與周?chē)h(huán)境對(duì)它的約束有關(guān)[18]。正因?yàn)樽杩怪行牟皇枪潭ú蛔兊?,也是該研究的意義所在。
之所以重點(diǎn)關(guān)注不同負(fù)載模式下,上前牙的移動(dòng)特點(diǎn),是因?yàn)樯锨把朗敲缹W(xué)區(qū),影響微笑美觀及自信的表達(dá)。包括上前牙的唇傾度,上牙與上唇的關(guān)系,與上頜骨的關(guān)系,微笑的弧度與寬度等等。良好的上中切牙前后向位置、唇舌向傾斜度是正畸治療的整體顏面美學(xué)目標(biāo)與治療方案制訂、療效評(píng)估的主要參照[19]。有研究表明:上中切牙牙冠唇舌向傾斜度保持直立是良好側(cè)面微笑的最重要因素[20]。所以為了得到更好的治療效果,為了更加滿(mǎn)足患者的需求,為了獲得更美觀的顏面部形態(tài),需要臨床醫(yī)生根據(jù)患者自身的特點(diǎn),選擇不同的施力模式,以獲得醫(yī)患雙方均滿(mǎn)意的效果。
從磨牙遠(yuǎn)移的整體效果來(lái)看,牽引鉤在尖牙及第一前磨牙之間,高度在7 mm,無(wú)論是7 mm微種植釘高度還是0 mm高度,在這12 種負(fù)載模式中,效果是最好的,牽引鉤矢狀向位置相對(duì)靠后時(shí),力傳遞至后牙的效率提高。
(感謝浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院王棟才博士,以及浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院李伯休博士對(duì)該實(shí)驗(yàn)的諸多貢獻(xiàn)與幫助!)