隱形矯治配合Ⅱ類牽引時附件高度對尖牙穩(wěn)定及矯治器貼合的影響

楊建浩，廖慧明， 趙 丹，李亞如

1)鄭州大學第一附屬醫(yī)院口腔正畸科 鄭州 450052 2)河南大學第一附屬醫(yī)院口腔科 河南開封 475004

無托槽隱形矯治器具有舒適美觀，摘戴方便，易于清潔等優(yōu)點[1-2]，已成為越來越多正畸醫(yī)生及患者的首選。有研究[3-4]表明Ⅱ類牽引在隱形矯治遠移磨牙時可有效保護前牙支抗，輔助牙齒移動。根據(jù)臨床需要增大牽引力時，尖牙易出現(xiàn)不同程度的扭轉(zhuǎn)，進而使矯治器局部不貼合甚至脫套，后期需借助重啟、局部固定矯治等糾正，這不僅使矯治時間延長，還會使治療復(fù)雜化。

目前針對隱形矯治中尖牙的研究多集中于矯正尖牙扭轉(zhuǎn)[5-6]、伸長壓低[7-8]、整體遠移[9]等方面，而未見對尖牙受Ⅱ類牽引時如何保持穩(wěn)定方面的研究。矩形附件可增強尖牙穩(wěn)定性[4]。因此，本研究主要分析隱形矯治配合Ⅱ類牽引時，矩形附件高度對尖牙穩(wěn)定及矯治器貼合的影響，以期為正畸醫(yī)師臨床方案的設(shè)計提供依據(jù)。

1 對象與方法

1.1 病例選擇選取1例2019年于鄭州大學第一附屬醫(yī)院行CBCT檢查的患者為研究對象，其牙列滿足以下條件：安氏Ⅱ類1分類錯牙合伴上頜牙列輕度擁擠，牙列完整，牙周健康，上頜第三磨牙已拔除或先天缺失，上頜第二磨牙遠中牙槽嵴豐滿。患者已簽署知情同意書。

1.2 建立上下頜骨-上頜牙周膜-上下牙列的三維有限元模型采用CBCT機(美國KaVo 3D Exam)對患者牙列及頜骨進行掃描，掃描時間26.9 s，掃描層厚0.5 mm，以DICOM格式保存數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)輸入Mimics 20.0(比利時Materialise公司)和Geomagic Studio 2014(美國3D Systems公司)進行三維重建和修復(fù)、模型優(yōu)化，再將上頜牙根沿法線向外均勻擴展 0.25 mm[10]，經(jīng)過布爾運算生成牙周膜模型，進而獲得上下頜骨-上頜牙周膜-上下牙列的曲面模型。

1.3 建立牙槽骨-牙周膜-上牙列-隱形矯治器-附件-樹脂扣的三維有限元模型將上述模型以STP格式導(dǎo)入三維機械制圖專用軟件NX 10(德國Siemens公司)，在上頜尖牙唇面距牙尖點1 mm處分別建立不同高度(3、4、5 mm)，厚1 mm，寬2 mm的垂直矩形附件，其中附件中軸與尖牙牙體長軸重合。將上頜牙冠沿法線向外均勻擴展0.75 mm，經(jīng)過布爾運算生成隱形矯治器模型。在靠近尖牙冠長軸、距離齦緣向牙合方1 mm的牙冠唇面處，建立厚2.5 mm、底部直徑1.5 mm、頂部直徑2.5 mm的樹脂扣模型。最后進行三維幾何模型的切割、裝配，生成牙槽骨-牙周膜-上牙列-隱形矯治器-附件-樹脂扣模型，見圖1。將建立的整個三維模型傳入Ansys workbench 18.2(美國Ansys公司)，對模型采用10節(jié)點四面體單元進行網(wǎng)格劃分，最終形成三維有限元網(wǎng)格模型。

圖1 牙槽骨-牙周膜-上牙列-隱形矯治器-附件-樹脂扣有限元模型

1.4 材料賦值和接觸條件本研究中所涉及的各組織材料均設(shè)定為各向同性、均勻的線性彈性材料。根據(jù)相關(guān)文獻[11]，對模型各部分進行參數(shù)賦值，詳見表1。牙槽骨與牙周膜、牙周膜與牙、牙與附件及樹脂扣之間建立固定接觸關(guān)系，隱形矯治器與附件和牙齒建立摩擦接觸關(guān)系，摩擦系數(shù)μ=0.2[12]。隱形矯治器上不設(shè)置任何約束及荷載。

表1 有限元模型各部分材料參數(shù)設(shè)定

1.5 加載牽引力及力學坐標系的設(shè)定牽引方向為從上頜尖牙樹脂扣至同側(cè)下頜第一磨牙臨床冠中心，如圖2A所示。牽引力值1 N。力學坐標系：設(shè)定施力前尖牙牙尖為原點O，過O平行于水平面且指向尖牙近中為X軸正方向；過O點平行于水平面且與X軸垂直指向尖牙腭側(cè)為Y軸正方向；過O點垂直于X、Y軸且指向尖牙根尖為Z軸正方向。見圖2B。

圖2 Ⅱ類牽引方向示意圖(A)和3 mm高度垂直矩形附件力學坐標系示意圖(B)

2 結(jié)果

2.1 右側(cè)上頜尖牙瞬時位移對右側(cè)上頜尖牙施加牽引力后，其在3種高度垂直矩形附件作用下的瞬間位移趨勢一致。由于數(shù)據(jù)龐大，在此僅以3 mm附件為例說明，右側(cè)上頜尖牙在X、Y、Z3個方向的位移分別為-15.46、20.93、-16.87 μm，可見尖牙發(fā)生了向遠中、腭側(cè)、牙合方的傾斜移動(圖3)。尖牙總位移及3個方向上的瞬時位移絕對值均表現(xiàn)為：4 mm附件<5 mm附件<3 mm附件(圖4)。

圖3 3 mm垂直矩形附件尖牙位移矢量圖

圖4 不同高度垂直矩形附件尖牙位移絕對值趨勢圖

2.2 上頜尖牙牙周膜應(yīng)力的分布在不同高度附件的作用下，上頜尖牙牙周膜應(yīng)力分布區(qū)域相似。在此僅以3 mm附件為例說明，圖5示尖牙牙周膜Von-Mises應(yīng)力主要集中于牙根頰側(cè)及遠中近頸部1/3處，張應(yīng)力主要集中于牙根頰側(cè)及近中處，壓應(yīng)力主要集中于牙根舌側(cè)及近中頰側(cè)處。尖牙牙周膜應(yīng)力表現(xiàn)為：4 mm附件<5 mm附件<3 mm附件(表2)。

圖5 3 mm附件尖牙牙周膜Von-Mises應(yīng)力(A)、張應(yīng)力(B)和壓應(yīng)力(C)分布云圖

表2 不同高度附件尖牙牙周膜應(yīng)力的分布 kPa

當尖牙受力后，將A、A′、B、B′點在X、Y、Z3個方向的位移代入以上公式，得出矯治器與附件之間的牙合方相對位移dA與齦方相對位移dB，d越小提示矯治器越貼合。不同高度附件各觀測點間相對位移具體數(shù)值詳見表3。由圖6可見，矯治器與尖牙之間的相對位移隨著附件高度的增加，牙合方出現(xiàn)逐漸減小趨勢；齦方卻出現(xiàn)先減小后增加的趨勢，且減小的量小于增大的量，表現(xiàn)為4 mm附件<3 mm附件<5 mm附件。

圖6 不同高度附件與矯治器相對位移趨勢圖

表3 不同高度附件與矯治器之間的相對位移 μm

3 討論

在隱形矯治的過程中，一旦尖牙出現(xiàn)預(yù)期外的扭轉(zhuǎn)并造成尖牙區(qū)矯治器不貼合，后續(xù)矯治工作將十分困難[13]。有研究[14-15]表明無托槽隱形矯治器糾正扭轉(zhuǎn)尖牙的平均效率僅為35.8%，對扭轉(zhuǎn)角度超過15°的上頜尖牙矯治效率更低至19%；而局部粘接托槽固定矯治糾正尖牙扭轉(zhuǎn)既不美觀也不舒適。尖牙位置正常是建立尖牙保護牙合的必要條件。因此，保證尖牙受牽引力后仍維持位置穩(wěn)定及矯治器貼合是正畸醫(yī)生臨床工作中應(yīng)當關(guān)注的重點。

矩形附件是粘接于牙冠的復(fù)合樹脂結(jié)構(gòu)，可增大牙冠表面積，輔助隱形矯治器固位[16-17]，從而增強尖牙受Ⅱ類牽引力后的穩(wěn)定性。因附件的設(shè)計及應(yīng)用對隱形矯治效能的影響較大[18]，且目前臨床應(yīng)用最廣泛的附件種類是垂直矩形附件[19],故本研究選擇尖牙頰面垂直矩形附件的高度作為變量，研究其對維持尖牙穩(wěn)定及矯治器貼合的影響。尖牙所受的Ⅱ類牽引力可分解為垂直向下和向遠中方向的分力，這兩個分力分別可使尖牙牙冠產(chǎn)生向牙合方及向遠中方向的位移。本研究結(jié)果表明，對尖牙僅施加1 N頜間牽引力時，其在3種高度附件作用下均產(chǎn)生了輕微的偏向遠中、舌側(cè)、牙合方的位移，與曾琳等[20]利用有限元法發(fā)現(xiàn)固定矯治中尖牙受Ⅱ類牽引時產(chǎn)生傾斜、旋轉(zhuǎn)的移動趨勢相近。但隨著矩形附件高度增加，尖牙位移卻出現(xiàn)先減小后增加的情況，即高度4 mm附件<5 mm附件<3 mm附件。這與實驗預(yù)期結(jié)果(尖牙位移隨著附件高度增大而減小)不完全一致。推測可能與以下因素有關(guān)：模型中尖牙臨床冠長度稍小，附件長軸和位置的設(shè)定不完善。以上兩個因素導(dǎo)致附件高度增加到一定程度時，附件齦方矯治器包裹的范圍過小而不足以抵抗Ⅱ類牽引力。

本研究中3個高度附件的尖牙牙周膜應(yīng)力分布區(qū)域相似，并與尖牙偏向遠中、腭側(cè)、牙合方的位移相符。此外，實驗發(fā)現(xiàn)在不同高度附件作用下，尖牙牙周膜Von-Mises應(yīng)力值總體波動范圍不大且位于較低水平，與其他研究[18]一致。以上結(jié)果說明：隨著矩形附件高度的增加，尖牙牙周健康并未受到明顯損害。

本研究以附件上觀測點代表尖牙來計算尖牙與矯治器之間的相對位移，并以此評價尖牙區(qū)矯治器貼合度。實驗建模時，將尖牙設(shè)定為支抗牙并未加載任何移動，僅受頜間牽引力作用。故隱形矯治器與尖牙及附件之間應(yīng)十分貼合以增強固位力，維持尖牙穩(wěn)定。原本預(yù)期結(jié)果是尖牙與矯治器各觀測點之間的相對位移應(yīng)隨著附件高度的增加而減小。但實際結(jié)果卻顯示，隨著矩形附件高度的增加，矯治器牙合方觀測點與附件之間的相對位移不斷減小，矯治器齦方觀測點與附件之間的相對位移卻先減小后增大，這種牙合、齦方位移變化趨勢不同步的情況提示，在臨床工作中，并非矩形附件高度越大矯治器固位越好，應(yīng)綜合考慮牙齒臨床冠長度等因素。后續(xù)研究可適當調(diào)整附件牙合齦向位置，使之向牙合方移動；或調(diào)整附件長軸，使附件齦方遠離矯治器切口部位，再進行下一步實驗。

綜上，當無托槽隱形矯治器配合Ⅱ類牽引時，垂直矩形附件高度的增加可以減小尖牙位移，并使尖牙區(qū)矯治器更貼合，同時對尖牙牙周健康無明顯影響。但在臨床工作中，正畸醫(yī)師應(yīng)根據(jù)尖牙臨床冠長度等因素綜合考慮，選擇最利于尖牙穩(wěn)定及隱形矯治器固位的附件。此外，Ⅱ類牽引力大小及矯治器材料的厚度和彈性模量也與尖牙穩(wěn)定性密切相關(guān)，今后可結(jié)合相關(guān)指標進一步研究，以期為臨床工作提供更好的理論指導(dǎo)與支持。