頰側(cè)多曲簧矯治器對(duì)牙齒作用力的實(shí)驗(yàn)研究

商家明 王培軍 韓晶瑩 石瑛琦 徐實(shí)謙 陳 萍 李碧瑤

頰側(cè)多曲簧矯治器是由侯錄教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的，針對(duì)安氏Ⅲ類錯(cuò)畸形進(jìn)行早期矯治的活動(dòng)矯治器(圖1)[1]。該矯治器由上、下頜托與多曲簧組成，其矯治原理是通過矢狀向打開多曲簧，使多曲簧發(fā)生形變壓縮而產(chǎn)生持續(xù)、柔和的矯治力，矯治力通過頜托作用于上、下頜全牙列及頜骨，促進(jìn)上頜發(fā)育同時(shí)抑制下頜過度發(fā)育，從而完成安氏Ⅲ類錯(cuò)畸形的矯治[2, 3]。頰側(cè)多曲簧矯治器自研發(fā)以來，應(yīng)用于臨床多年，矯治效果良好。近年來，筆者醫(yī)院多位研究者就該矯治器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、矯治前后軟硬組織的變化、矯治器產(chǎn)生矯治力的變化規(guī)律、多曲簧疲勞斷裂、矯治器對(duì)顳下頜關(guān)節(jié)的影響、矯治器對(duì)頜骨生長(zhǎng)發(fā)育的影響等方面進(jìn)行了大量的研究。以往關(guān)于頰側(cè)多曲簧矯治器作用力的研究?jī)H限于矯治器作用于頜托所產(chǎn)生的總體力值，從未進(jìn)行單顆牙齒上所受矯治力大小的研究。為了避免矯治器應(yīng)用中出現(xiàn)上前牙唇向傾斜、下前牙舌向傾斜等不良反應(yīng)，本實(shí)驗(yàn)測(cè)量了頰側(cè)多曲簧矯治器對(duì)牙齒的作用力，進(jìn)而明確矯治機(jī)制及矯治器的安全性，進(jìn)一步完善頰側(cè)多曲簧矯治器的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

圖1 頰側(cè)多曲簧矯治器

材料與方法

1.實(shí)驗(yàn)儀器：空間三維測(cè)力儀(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，專利號(hào)：200810064015.9)，薄膜壓力傳感器(RFP-601)(杭州宇博智能科技有限公司)(圖2)，RFP 轉(zhuǎn)換模塊(杭州宇博智能科技有限公司)，萬用表(上海寶工工具有限公司)，穩(wěn)壓電源(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，開閉口模擬儀(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，管式真空電爐(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，MAGICS 軟件，MATLAB 軟件。

圖2 薄膜壓力傳感器

2.實(shí)驗(yàn)材料：國(guó)產(chǎn)醫(yī)用不銹鋼絲(上海齒科醫(yī)療器械廠)，Φ=0.8mm。頰側(cè)多曲簧胎具(自制)，醫(yī)用口腔梯形鉗(長(zhǎng)沙市天天齒科器械有限公司)，固位腭管(杭州愛麗絲口腔醫(yī)療器械有限公司)，自凝牙托粉、牙托水(日進(jìn)齒科材料有限公司)。

3.實(shí)驗(yàn)方法及內(nèi)容：(1)國(guó)產(chǎn)醫(yī)用不銹鋼絲 480℃真空加熱處理：截取25cm不銹鋼絲 90 根置于管式真空電爐中，電爐設(shè)置溫度為480℃，30min 后關(guān)閉電源,隨爐冷卻至室溫后取出[4]。(2)建立牙齒受力測(cè)試模型：掃描患者牙模型形成三維數(shù)字模型，輔助3D設(shè)計(jì)軟件 MAGICS 對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行修正。將所測(cè)試牙齒分為3個(gè)區(qū)段：中切牙區(qū)段(牙齒11、21、31、41)，尖牙區(qū)段(牙齒13、23、33、43)，磨牙區(qū)段(牙齒16、26、36、46)。使用 MAGICS 軟件將測(cè)量區(qū)段牙齒唇(頰)側(cè)面處理成近似傳感器尺寸大小的光滑平面，平面與牙冠長(zhǎng)軸角度盡可能與牙面原有角度一致(圖3)。由于傳感器直徑為6mm，于是將上頜、下頜兩個(gè)中切牙分別處理為同一個(gè)牙面。數(shù)字模型經(jīng)MAGICS 軟件處理后通過 3D 打印取得樹脂測(cè)試模型。(3)頰側(cè)多曲簧矯治器的制作及裝配：取加熱后的不銹鋼絲，按照頰側(cè)多曲簧胎具，由同一人彎制統(tǒng)一規(guī)格的曲簧(高18mm、長(zhǎng) 26.5mm)[1,5]。制作自凝樹脂頜托并粘接固位腭管。將樹脂測(cè)試模型及矯治器安裝到仿真模擬開閉口裝置上。(4)薄膜壓力傳感器電壓-力值(v-g)線性校正標(biāo)定：調(diào)整薄膜壓力傳感器位置以使全部感測(cè)區(qū)域與空間三維測(cè)力儀壓桿尾端平面均勻接觸，將其固定在與三維測(cè)力儀操作臺(tái)垂直的平面板上。打開空間三維測(cè)力儀，啟動(dòng)壓桿使其施力于薄膜壓力傳感器，施力總范圍為0～500g，力值間隔為10g，記錄不同力值及其對(duì)應(yīng)的萬用表電壓數(shù)。相同施力值重復(fù)測(cè)量電壓10次，取平均值。使用軟件 MATLAB 繪制力值-電壓(v-g)的擬合曲線并得到擬合方程。(5)頰側(cè)多曲簧矯治器作用下牙齒受力測(cè)量：依次測(cè)定上頜各區(qū)段牙齒腭側(cè)面和下頜各區(qū)段牙齒唇(頰)側(cè)面受力大小。選定測(cè)試牙位，連接薄膜壓力傳感器測(cè)力系統(tǒng)。分別將雙側(cè)頰側(cè)多曲簧矢狀向均勻打開，總打開長(zhǎng)度為 2、4、6、8、10mm，分別安裝在兩側(cè)固位管處(圖4)，依次記錄電壓值為V1～V5。同一牙位利用 5 對(duì)曲簧進(jìn)行多次測(cè)量，取平均值。最后，根據(jù)力值-電壓擬合方程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將電壓值 V1～V5轉(zhuǎn)換為力值F1～F5。

圖3 測(cè)試模型的MAGICS圖像

圖4 矯治器制作和裝配

4.統(tǒng)計(jì)學(xué)方法：采用SPSS 24.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

1.獲得薄膜壓力傳感器力值-電壓(v-g)線性關(guān)系(圖5)，并計(jì)算出擬合方程。薄膜壓力傳感器電壓-力值的校正擬合方程為：y=1.604×e-0.08359x+3.426×e-0.002342x，詳見圖5。

圖5 傳感器線性校正擬合曲線(v-g 曲線)

2.測(cè)量頰側(cè)多曲簧矢狀向打開不同長(zhǎng)度時(shí)，每個(gè)牙齒所受壓力值：頰側(cè)多曲簧矢狀向打開 2、4、6、8、10mm 時(shí)，記錄各牙位測(cè)得的電壓值(表1)，根據(jù)傳感器擬合曲線和擬合方程，得到頰測(cè)多曲簧打開后牙齒所受壓力值(表2)。隨著頰側(cè)多曲簧矢狀向打開長(zhǎng)度的變化，每個(gè)區(qū)段牙齒所受力量不同，所測(cè)得矯治力均小于30g。頰側(cè)多曲簧矢狀向打開 10mm 時(shí)，中切牙區(qū)段受力最大：右上中切牙受力22.12±6.21g，左上中切牙受力20.78±2.31g，下頜中切牙受力19.30±2.68g。

表1 頰側(cè)多曲簧矢狀向打開不同長(zhǎng)度，各牙位測(cè)得的電壓值

表2 頰側(cè)多曲簧矢狀向打開不同長(zhǎng)度，各牙位測(cè)得的力值

3.頰側(cè)多曲簧矢狀向不同打開長(zhǎng)度時(shí)，不同區(qū)段牙齒的作用力力值比較：隨著頰側(cè)多曲簧矢狀向打開長(zhǎng)度的增加，所有區(qū)段測(cè)試牙齒牙面承受的力量均相應(yīng)增大(圖6)。當(dāng)多曲簧矢狀向打開4mm時(shí)，右上中切牙受力10.70±3.30g、右上尖牙受力9.02±4.14g、右上磨牙受力2.52±1.14g，可見相比尖牙與磨牙，中切牙區(qū)段受力更大。當(dāng)多曲簧矢狀向打開4mm時(shí)，左上尖牙受力7.45±1.26g、左上磨牙受力2.68±0.95g、左下尖牙受力2.28±0.93g、左下磨牙受力6.16±2.98g，上頜尖牙受力大于上頜磨牙，下頜尖牙受力小于下頜磨牙。頰側(cè)多曲簧矢狀向打開不同長(zhǎng)度時(shí)牙齒所受矯治力值比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)。

圖6 頰側(cè)多曲簧矯治器作用下，各牙齒受力大小折線圖A.牙齒11、13、16 牙齒受力值；B.牙齒21、23、26 牙齒受力值；C.牙齒31、33、36 牙齒受力值；D.牙齒41、43、46 牙齒受力值

討 論

薄膜壓力傳感器為單點(diǎn)式、圓形、厚度僅為0.15mm的壓阻式傳感器，柔韌性好，將傳感器放置在兩接觸面之間，隨著壓力增加，其輸出電阻值越小，可用于測(cè)量各種接觸面之間的壓力[6]。本實(shí)驗(yàn)將薄膜壓力傳感器放置在牙面與矯治器之間，測(cè)量矯治器對(duì)牙齒的作用力。Valdevit等[7]研究發(fā)現(xiàn)薄膜壓力傳感器與接觸表面若形成扭結(jié)會(huì)影響傳感器的輸出及數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。牙齒表面有復(fù)雜的曲度，邊緣嵴、發(fā)育溝等結(jié)構(gòu)也使牙面不平整。這些因素會(huì)使傳感器受力不均衡，造成實(shí)驗(yàn)誤差，所以本實(shí)驗(yàn)使用 MAGICS 軟件對(duì)牙面進(jìn)行預(yù)處理是非常有意義的。同時(shí)傳感器的校準(zhǔn)條件也非常接近正式實(shí)驗(yàn)中的使用條件，因此使用薄膜壓力傳感器所測(cè)得的數(shù)據(jù)有較高的準(zhǔn)確性與可靠性。

頰側(cè)多曲簧矯治器通過矢狀向打開多曲簧從而產(chǎn)生矢狀向頜間作用力，從而解除反。頰側(cè)多曲簧加力后，上頜頜托切牙段有脫離上切牙唇面的趨勢(shì)，下頜頜托切牙段有脫離下切牙舌面的趨勢(shì)。所以，上頜切牙段受力面主要為上切牙腭面，受力方向?yàn)榇怪庇陔衩?、由遠(yuǎn)中向近中；下頜切牙段受力面主要為下切牙唇面，受力方向?yàn)榇怪庇诖矫妗⒂山邢蜻h(yuǎn)中。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇將薄膜壓力傳感器放在上頜切牙舌面與下頜切牙唇面測(cè)量矯治力值，其結(jié)果在一定程度上可以反映出牙齒在頰側(cè)多曲簧加力作用下的受力情況。

頰側(cè)多曲簧的臨床應(yīng)用中，醫(yī)生通過矢狀向?qū)⒍嗲纱蜷_進(jìn)行加力，矢狀向打開距離越大，產(chǎn)生矯治力越大。何志偉等[8]測(cè)得頰側(cè)多曲簧矢狀向打開2.0～3.0mm，產(chǎn)生作用于頜托的頜間矯治力約350g，矯治力作用于整個(gè)牙列與頜骨。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,當(dāng)多曲簧矢狀向打開2mm時(shí)，上頜中切牙、尖牙及磨牙所受力值總和約20g，盡管本實(shí)驗(yàn)未測(cè)量側(cè)切牙與前磨牙所受矯治力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍然可以說明頰側(cè)多曲簧矯治器所產(chǎn)生的矯治力大部分通過頜托傳遞給頜骨，進(jìn)而引起頜骨及顳下頜關(guān)節(jié)的改建，僅有小部分矯治力分散在牙齒上。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,與尖牙、磨牙比較，中切牙區(qū)段所受壓力值較大。頰側(cè)多曲簧打開 2mm 時(shí)，前牙區(qū)測(cè)試牙面受到的壓力均小于5g；打開4mm 時(shí)，前牙區(qū)測(cè)試牙面受到的壓力均小于10g；打開 6mm 時(shí)，前牙區(qū)測(cè)試牙面受到的壓力均小于16g。有研究表明，臨床上對(duì)切牙施加9.9g或更小的力就能使牙齒傾斜移動(dòng)[9]。頰側(cè)多曲簧矯治器的矯治周期一般為 2～3 個(gè)月，且除吃飯外需全天佩戴，矯治器對(duì)牙齒施加的持續(xù)輕力容易使其產(chǎn)生傾斜移動(dòng)[10]。因此在臨床使用中，保證矯治器骨性效應(yīng)的同時(shí)，應(yīng)控制頰側(cè)多曲簧矢狀向打開長(zhǎng)度，防止牙性效應(yīng)的比重增加。本實(shí)驗(yàn)中頰側(cè)多曲簧打開 6mm 時(shí)，測(cè)得上頜中切牙腭面受到壓力約16g，下頜中切牙唇面受到壓力約11g，且牙齒受力隨著頰側(cè)多曲簧打開長(zhǎng)度增加而增大。因此，臨床復(fù)診加力時(shí)，頰側(cè)多曲簧矢狀向單次打開長(zhǎng)度應(yīng)盡量小于 6mm，以減少牙性效應(yīng)。同時(shí)可對(duì)上前牙腭面和下前牙唇面對(duì)應(yīng)的頜托組織面進(jìn)行緩沖，減少牙面受力，可減輕矯治器導(dǎo)致的上前牙唇傾和下前牙舌傾的程度[2]。

研究通過實(shí)驗(yàn)對(duì)前磨牙施加頰向25g牽引力，發(fā)現(xiàn)8周后發(fā)現(xiàn)牙根表面有輕微不同直徑的吸收腔，并且隨著時(shí)間的推移其嚴(yán)重程度增加[11～13]。Gonzales等[14]獲得了同樣的結(jié)論，并認(rèn)為8周后才出現(xiàn)根吸收可能是由于施力8周左右后破骨細(xì)胞活性增加所致。間歇力比連續(xù)力顯著減少牙根吸收[12,15～17]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)多曲簧矢狀向打開10mm時(shí)，上頜中切牙所受力值22.12±6.21g，存在牙根面吸收的風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)多曲簧矢狀向打開6mm內(nèi)時(shí)，中切牙、尖牙、磨牙受力均小于20g，頰側(cè)多曲簧矯治器對(duì)牙齒作用力為間歇輕力，具有較高安全性、穩(wěn)定性。

本實(shí)驗(yàn)中測(cè)得頰側(cè)多曲簧矯治器對(duì)磨牙施加的頰舌向力量比較小。這是由于矯治力只有極小部分作用在磨牙頰舌面，更多的集中在磨牙鄰間隙及面牙尖近遠(yuǎn)中斜面等處。尖牙位于牙弓轉(zhuǎn)角，相比于磨牙來說，尖牙分擔(dān)較多的近遠(yuǎn)中矯治力。而下頜磨牙所受力值大于尖牙，分析原因是矯治力通過固位腭管傳遞給頜托，可能導(dǎo)致固位腭管對(duì)應(yīng)的牙齒(上頜尖牙或下頜磨牙)承受了更多的力量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著頰側(cè)多曲簧矢狀向打開不同長(zhǎng)度，每個(gè)牙齒所受矯治力均小于30g，可見矯治力大部分通過上下頜牙列傳遞給頜骨, 而分散在牙齒的力值較小，其產(chǎn)生的牙性效應(yīng)較小，安全性好。本實(shí)驗(yàn)為體外模擬實(shí)驗(yàn)，矯治器加力在實(shí)驗(yàn)條件下符合臨床矯治力標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一定的參考意義。本研究主要測(cè)量了矢狀向矯治力對(duì)牙齒力量的分布，臨床使用中也會(huì)根據(jù)患者覆情況做垂直向的打開，后續(xù)也將對(duì)垂直向矯治力做進(jìn)一步深入研究。頰側(cè)多曲簧為人工彎制而成，盡管經(jīng)樣規(guī)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)，但仍存在輕微誤差。本研究為體外模擬實(shí)驗(yàn)，而口內(nèi)環(huán)境可能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響，例如唇頰舌肌作用力、口內(nèi)溫度及唾液濕潤(rùn)環(huán)境。由于實(shí)驗(yàn)中使用的薄膜壓力傳感器只能測(cè)試施加在感測(cè)區(qū)的壓力，無法測(cè)得其他復(fù)雜的力系統(tǒng)，后續(xù)研究中將進(jìn)一步測(cè)試磨牙近遠(yuǎn)中方向受力大小。