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无托槽隐形矫治器远中移动上颌尖牙的应力变化趋势初探

2021-10-06 117 上传者：管理员

摘要：目的利用三维有限元分析方法对无托槽隐形矫治器远中移动上颌尖牙的应力变化趋势进行初步探索。方法选择2020年11月至2021年4月于四川大学华西口腔医院儿童口腔科就诊需远中移动上颌尖牙的患儿3例,分别诊断为前牙深覆、上颌牙列重度拥挤及上颌牙列拥挤+双侧上颌第二磨牙未萌,并根据锥形束CT（CBCT）数据构建三维有限元分析模型,分别记为第1～3例。3例三维有限元分析模型均模拟右上颌尖牙远中移动0.25、0.30、0.35、0.40、0.45mm。利用ANSYSworkbench2020R2软件分析初戴无托槽隐形矫治器时,右上颌尖牙牙体、牙周膜、牙槽骨和矫治器的应力分布,将最大应力值与移动距离进行直线、对数与指数回归分析,并通过决定系数R2选择最佳回归分析模型。结果（1）牙周膜应力分布:3例三维有限元分析模型右上颌尖牙牙周膜的最大应力值与移动距离存在直线、对数与指数回归关系,其中对数回归分析模型的R2值最大。（2）牙体应力分布:第1例和第3例三维有限元分析模型右上颌尖牙牙体的最大应力值与移动距离存在直线和对数回归关系,其中对数回归分析模型的R2值较大。（3）牙槽骨应力分布:第1例三维有限元分析模型牙槽骨的最大应力值与移动距离存在直线、对数与指数回归关系,其中对数回归分析模型的R2值最大。（4）矫治器应力分布:3例三维有限元分析模型矫治器的最大应力值与移动距离存在直线、对数与指数回归关系,且第1～3例分别为指数回归模型、对数回归模型及直线回归模型的R2值最大。结论在无托槽隐形矫治器远中移动上颌尖牙0.25～0.45mm时,牙体、牙周膜及牙槽骨的最大应力值与移动距离很可能为对数回归关系,提示增加过矫治量对牙体、牙周膜及牙槽骨的应力变化影响较大,需要对移动距离进行精确计算与设计。此外,无托槽隐形矫治器的最大应力值与移动距离的回归关系并不惟一,提示其变化趋势可能与错畸形的类型有关。

关键词：
三维重建
无托槽隐形矫治器
无托槽隐形矫治技术
有限元分析
生物力学
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无托槽隐形矫治技术是近年来逐渐在临床中广泛应用的一种正畸治疗方法。无托槽隐形矫治器具有美观、可摘戴、易清洁及能控制牙体倾斜量等优点；但相比于传统矫治器，其存在移动效率不足的问题[1]。因此，在设计正畸治疗方案时，除了考虑牙体移动速度及牙周膜、牙体和牙槽骨的应力分布以外，还需要设计一定的过矫治量。临床上常见的牙列拥挤及深覆、深覆盖患者，大多需要远中移动上颌尖牙。本研究则利用三维有限元分析方法对无托槽隐形矫治器远中移动上颌尖牙的应力变化趋势进行初步探索，分析牙周膜、牙体、牙槽骨及矫治器的最大应力值与其移动距离的关系，为临床正畸医生设计过矫治量时提供参考依据。

1、资料与方法

1.1研究对象

选择2020年11月至2021年4月于四川大学华西口腔医院儿童口腔科就诊需远中移动上颌尖牙的患儿3例，分别诊断为前牙深覆、上颌牙列重度拥挤及上颌牙列拥挤+双侧上颌第二磨牙未萌，并根据锥形束CT(CBCT）数据构建三维有限元分析模型，分别记为第1～3例。纳入标准：（1）年龄10～18岁；（2）上颌牙列左右基本对称，牙体、牙周组织无明显异常；（3）双侧上颌第一恒磨牙萌出；（4）颅颌面骨骼发育正常；（5）无正畸治疗史，无全身及口腔疾病。排除标准：（1）上颌尖牙或前磨牙未萌；（2）上颌尖牙或前磨牙异位萌出；（3）上颌尖牙或前磨牙远中、舌向倾斜或旋转。本研究经四川大学华西口腔医院伦理委员会审查批准，所有研究对象均签署知情同意书。

1.2建立上颌牙列、牙周膜、牙槽骨的三维有限元分析模型

所有患儿均拍摄CBCT，像素间距为0.25mm。将扫描得到的DICOM文件导入MIMICS21.0中进行三维重建。根据CBCT图像中牙体与牙槽骨组织之间的灰度值差异，通过阈值化技术分别提取上颌牙列、牙槽骨三维模型的STL文件，并导入至GeomagicWrap2017中。对上颌骨、上颌窦进行填补，删除上颌牙列上的钉状物、缺陷，并对其进行降噪、光滑、细化。人工调整右侧上颌尖牙、前磨牙及磨牙的位置，或去除双侧第一前磨牙，为右上颌尖牙远中预留出虚拟正畸治疗的空间。随后对上颌牙列沿法向整体移动0.25mm，获得扩大的上颌牙列模型。通过精确曲面，将上颌牙列、牙槽骨及扩大的上颌牙列模型转换为实体模型的STEP文件，导入至SolidWorks2018中进行布尔运算，以获得光滑的0.25mm厚牙周膜模型及留有牙槽窝的上颌骨模型。见图1a～c。

1.3建立使用无托槽隐形矫治器移动后的三维有限元分析模型

将所有患儿上颌牙列的STL文件导入3dsMAX2020中，均远中移动右上颌尖牙0.25、0.30、0.35、0.40、0.45mm，各获得5组使用无托槽隐形矫治器移动后的上颌牙列STL文件，导入至GeomagicWrap2017中。人工删除牙冠邻面，重新构建邻接部分，精确曲面，以获得曲面模型的STEP文件，导入至SolidWorks2018中。与上颌牙列、牙周膜及牙槽骨模型共同组装为SLDASM装配体文件，最终获得3例各5组使用无托槽隐形矫治器移动后的上颌牙列+牙周膜+牙槽骨模型，并导入至ANSYSworkbench2020R2中。分析初戴无托槽隐形矫治器时，右上颌尖牙牙体、牙周膜、牙槽骨和矫治器的应力分布。见图1d。

1.4实验条件设定

根据参考文献[5]设置材料属性（表1）。将牙体、牙周膜、牙槽骨及无托槽隐形矫治器均假定为均质、各向同性、连续的线弹体，其中无托槽隐形矫治器厚0.8mm。牙体、牙槽骨及牙周膜均采用四面体单元，矫治器采用三角形壳单元，牙槽骨与牙周膜、牙周膜与牙体之间设定条件为绑定关系，牙体与牙体、牙体与矫治器、矫治器与牙槽骨之间设定条件为无摩擦关系，牙槽骨顶部为固定约束。

1.5统计学处理

应用SPSS26.0软件对数据进行统计学分析。采用直线、对数及指数回归分析右上颌尖牙牙体、牙周膜、牙槽骨和矫治器的最大应力值与移动距离的关系，并通过决定系数R2选择最佳回归分析模型。P<0.05为差异有统计学意义。

2、结果

2.1牙周膜应力分析

观察3例三维有限元分析模型初戴每组无托槽隐形矫治器时右上尖牙牙周膜的应力分布发现，牙周膜应力增加区域主要表现在牙周膜颈缘处及根尖处，其中应力最大值均出现于牙周膜颈缘处。见图2。将3例右上颌尖牙牙周膜颈缘处最大应力值与移动距离进行回归分析发现，其均存在直线、对数与指数回归关系，其中对数回归分析模型的决定系数R2最大。见图2与表2。

2.2牙体应力分析

观察3例三维有限元分析模型初戴每组无托槽隐形矫治器时右上尖牙牙体的应力分布发现，第1例和第3例三维有限元分析模型的牙体应力增加区域主要表现在牙根上，其中应力最大值均出现于根中1/3处。见图3。将第1例和第3例右上颌尖牙根中1/3处最大应力值与移动距离进行回归分析发现，其均存在直线和对数回归关系，其中对数回归分析模型的决定系数R2较大。见图3与表3。

第2例三维有限元分析模型的应力集中区域主要表现在牙根唇侧与牙冠上，其应力最大值出现于牙冠处。见图3。由于其应力最大值出现区域与第1例和第3例三维有限元分析模型偏差较大，且分布过于集中，有模型误差的可能。因此，对第2例三维有限元分析模型的牙根进行应力分析，其应力最大值出现在根颈1/3处。见图4。将第2例根颈1/3处最大应力值与移动距离进行回归分析发现，其存在直线、对数与指数回归关系，其中对数回归分析模型的决定系数R2最大。见图4与表4。

2.3牙槽骨应力分析

观察3例三维有限元分析模型初戴每组无托槽隐形矫治器时牙槽骨的应力分布发现，牙槽骨应力增加区域主要表现在右上颌侧切牙与尖牙的唇腭侧牙槽嵴顶处。3例三维有限元分析模型牙槽骨应力最大值分别出现在右上颌侧切牙腭侧牙槽嵴顶、右上颌尖牙唇侧牙槽嵴顶及右上颌侧切牙唇侧牙槽嵴顶处。见图5。分别将上述模型各自牙槽骨最大应力值与移动距离进行回归分析发现，第1例存在直线、对数与指数回归关系，其中对数回归分析模型的决定系数R2最大。而第2例和第3例不符合任一回归分析模型。见图5与表5。

2.4矫治器应力分析

观察3例三维有限元分析模型初戴每组无托槽隐形矫治器时矫治器的应力分布发现，矫治器应力增加区域主要表现在右侧牙列，其中应力最大值均出现于右上颌侧切牙与右上颌尖牙邻接处。见图6。将3例右上颌侧切牙与右上颌尖牙邻接处矫治器最大应力值与移动距离进行回归分析发现，其均存在直线、对数与指数回归关系，其中第1例指数回归分析模型决定系数R2最大；第2例对数回归分析模型决定系数R2最大；第3例直线回归分析模型决定系数R2最大。见图6与表6。

3、讨论

无托槽隐形矫治器以其美观、可摘戴和易清洁等优势在临床中逐渐广泛应用；但其存在移动效率低的问题，正畸牙常不能达到理想的移动距离，需要额外设计过矫治量。矫治力的增加可能会损伤牙周组织，不仅会降低正畸牙移动效率，还会增加牙周炎的患病风险[2]。因此，对过矫治量的把控至关重要。本研究通过三维有限元分析无托槽隐形矫治器远中移动右上颌尖牙不同距离时，牙体、牙周膜、牙槽骨及矫治器的应力变化情况，为临床医生设计正畸方案时提供参考依据，以减少经验性判断所造成的正畸治疗并发症。

既往已有部分研究通过有限元分析法对正畸牙移动的效果进行探讨，但其存在一定局限性，无法模拟正畸牙因牙槽骨生物改建而进行的实际移动[6,7]。无托槽隐形矫治器作用于牙体及牙周组织的力常在初戴时达到高峰，随后逐渐下降，且正畸牙移动的具体形式也与牙周组织受力的区域相关。因此，本研究主要针对矫治器初戴时牙体及牙周组织的应力分布范围及最大应力值进行分析，以探究单步矫治过程中对牙体及牙周组织所造成的最大影响。

关于正畸牙移动范围的选择，根据Kwon等[8]的研究显示，0.2～0.5mm均可作为无托槽隐形矫治器的单步矫治量。但当正畸牙移动距离为0.5mm时，ANSYSworkbench2020R2软件不能够自动识别出正畸牙与矫治器之间的接触关系，且临床上很少设计0.5mm的移动距离。因此，本研究设计右上颌尖牙移动距离为0.25、0.30、0.35、0.40、0.45mm，并发现无托槽隐形矫治器初戴时牙周膜应力增加区域主要为牙周膜颈缘处及根尖处，牙体应力增加区域主要集中在牙根上，牙槽骨应力增加区域主要表现在右上颌侧切牙与尖牙的唇腭侧牙槽嵴顶处，其与既往的部分研究结果相似[9,10,11]。这也说明本研究的3例三维有限元分析模型能够较好地模拟无托槽隐形矫治器实际作用下各组织应力分布情况。

进一步将无托槽隐形矫治器初戴时牙体、牙周膜、牙槽骨及矫治器的最大应力值与移动距离进行回归分析发现，牙体、牙周膜和牙槽骨的最大应力值与移动距离更符合对数回归分析模型。提示增加过矫治量对牙体、牙周膜及牙槽骨的应力变化影响较大，需要对移动距离进行精确计算与设计。而矫治器的最大应力值与移动距离的相关分析模型可能受到错畸形类型的影响。本研究选择的3例患儿分别诊断为前牙深覆、上颌牙列重度拥挤及上颌牙列拥挤+双侧上颌第二磨牙未萌，因此存在即使右上颌尖牙单步远中移动距离相同而实际生理改建不同的现象。后续研究需要扩大样本量、增加错畸形类型，并纳入不同正畸牙移动模型进行分析，特别是隐形矫治器矫治效率最高的远中移动磨牙病例，可更加广泛、系统地构建和分析三维有限元模型，以获得更具有普适性的结论。

本研究仍存在一定不足，无托槽隐形矫治器模型构建的不确定性是本研究的最大误差项。无托槽隐形矫治器三维模型的厚度较薄，多种软件均难以构建出精确的矫治器模型；此外，没有牙龈模型数据，仅能手动模拟设计龈乳头及游离龈部分的矫治器模型，其精度会降低。由于在构建牙体和牙龈区域时难以保证密合度，且受到计算设备的限制，无法进行高精度的网格划分；因此可能会出现矫治器自身或与牙体部分相交，或弧形区域出现棱角，从而带来难以避免的误差。本研究中第2例三维有限元分析模型出现的牙体异常应力集中点可能就是该误差的体现。而对于每一组矫治器的三维模型，虽能够保证除右上颌尖牙及近远中邻间隙外的模型一致，但在ANSYSworkbench2020R2软件中进行自动网格划分时不能保证网格分布一致，因而可能造成了部分研究结果异常。针对如何减少这一系列误差，我们认为在今后涉及到无托槽隐形矫治器的有限元分析中，需要纳入更多的研究对象，通过口腔内激光扫描技术或模型扫描系统获取牙龈组织的三维模型，并对自相交部分进行精细处理，从而提供更加精确的矫治器模型。

此外，牙周膜的实际生物力学属性表现为既具有弹性，又具有黏性的非线性材料[12,13]；部分学者采用非线性牙周膜材料进行了有限元分析；也有学者采用线性牙周膜材料，而其牙周膜材料属性的具体数值并未统一。这会对矫治过程中有限元分析的精确度产生一定影响。但Hohmann等[21]研究认为，在常见正畸治疗中牙周膜的材料属性差异对正畸牙整体受力的影响可忽略不计。因此，本文参考线性牙周膜材料属性进行的三维有限元分析，是很可能符合实际牙周膜生物力学特性的，但仍需要进一步针对非线性牙周膜材料属性进行研究。

综上，在无托槽隐形矫治器远中移动上颌尖牙0.25～0.45mm时，牙体、牙周膜及牙槽骨的最大应力值与移动距离可能为对数回归关系。三维有限元分析模型的构建可能存在一定误差，其可影响研究结果的准确性。因此，本研究所得到的对数回归分析模型仅作为参考，仍需要临床研究予以证实。

文章来源：覃思文,韩雪,徐于婵,马璇,陈杰,乔祥晨,周玉洪,郭维华.基于三维有限元分析对无托槽隐形矫治器远中移动上颌尖牙的应力变化趋势初探[J].中国实用口腔科杂志,2021,14(05):553-559