不同腭部形态下上颌骨性扩弓器放置位置对微种植钉稳定性及位移影响的三维有限元分析.pdf

:./.【作者简介】崔淑霞通信作者女 年 月生硕士主任医师研究方向:错牙 合畸形的机制与预防不同腭部形态下上颌骨性扩弓器放置位置对微种植钉稳定性及位移影响的三维有限元分析常 悦)张小平)崔淑霞)郑州大学第一附属医院口腔正畸科 郑州 )河南省中医院口腔科 郑州 关键词 三维有限元腭部形态微种植钉上颌骨性扩弓器中图分类号.摘要 目的:利用三维有限元建立颅上颌复合体模型探讨上颌骨性扩弓器放置位置对微种植钉稳定性及位移的影响 方法:在已建立的腭盖正常颅上颌复合体模型(腭盖正常组)上利用软件模拟腭盖高拱颅上颌复合体模型(腭盖高拱组)在两组模型上分别将骨性扩弓器放置在第二前磨牙与第一磨牙间、第一磨牙间、第一磨牙与第二磨牙间 个不同位置建立 个三维有限元模型 每组扩弓器分别加载.横向位移比较 个模型颅上颌复合体及微种植钉的应力分布及位移趋势 结果:腭盖正常组和腭盖高拱组扩弓器放置在第一磨牙与第二磨牙间时上颌复合体的最小主应力最大 腭盖正常组前后部微种植钉比值在第一磨牙间最小腭盖高拱组在第一磨牙与第二磨牙间最小 腭盖正常组和腭盖高拱组扩弓器放置于第一磨牙间扩弓后上颌骨横向位移最大 腭中缝横向位移前部大后部小随着扩弓器位置后移腭中缝前后向的位移差逐渐减小更趋于平行移动 两种腭部形态下微种植钉均出现移位前部位移均大于后部 结论:两种腭部形态下上颌骨性扩弓器放置于第一磨牙间扩弓效果较好 腭中缝呈前大后小的楔形扩展扩弓器位置后移更有利于其平行开展 :):().:()().:.:.:.().上颌横向发育不足()是临床上较常见的错牙合畸形可发生在各个年龄人群 主要表现为腭盖高拱上颌牙弓狭窄单侧或双侧后牙反牙合或对刃牙列拥挤颊廊间隙过宽等影响咀嚼、发音和牙周健康甚至会影响颜面美观需要上颌扩弓治疗 对于腭中缝尚未闭合的儿童和青少年传统的牙或黏膜支持式、等扩弓装置可成功打开腭中缝结构但对于腭中缝已基本趋于骨化的患者打开其上颌腭中缝的成功率较低多为牙性效应同时还可能带来上颌后牙过度颊倾、后牙牙槽骨骨开窗或骨开裂等副作用 微种植钉辅助上颌快速扩弓器()将微种植钉技术与上颌快速扩弓技术相结合为腭中缝扩展矫形治疗提供了稳定的骨性支抗作用是矫正年轻成年人上下颌横向宽度不调的有效工具且疗效较稳定 上颌骨性扩弓器()是 发明的一种特殊类型的 通过微种植钉获得骨骼锚定直接对基底骨施加力因此微种植钉的稳定性对于成功的骨骼矫形扩张至关重要 不同腭部形态下微种植钉不同植入位点对扩弓器稳定性是否存在影响未见报道 有限元法是一种在生物医学领域研究应力、力学分布及位移的有效方法可以在三维空间模拟临床正畸力和研究由各种外力在活体结构中引起的生物力学变量 本试验通过建立不同腭部形态的颅上颌复合体模型探究 放置位点对种植钉稳定性的影响以期为临床治疗提供一定的参考 对象与方法.研究对象 选取一名 岁上颌发育不足的女性患者 本研究通过郑州大学第一附属医院伦理委员会批准()患者对本研究知情同意 患者牙列完整牙体牙周状况良好腭部发育正常腭指数()为 无颞颌关节相关疾病无颅面部发育异常无颌面部外伤及手术史无正畸治疗史.建模方法.上颌腭盖正常颅上颌复合体模型的建立采用美国 超大视野锥形束()对研究对象进行扫描扫描层厚.扫描范围从额部到第三颈椎下缘 将 影像资料导入(比利时)软件中建立蒙版颅上颌复合体三维模型通过 (德国)软件构建骨缝结构和牙周膜结构将数据通过逆向工程软件(美国)生成精确的非均匀 有 理 样 条 曲 线()构建完整的颅上颌复合体模型.上颌腭盖高拱的颅上颌复合体模型的建立在腭盖正常颅上颌复合体模型的基础上建立腭盖高拱的颅上颌复合体模型 本研究将 作为区分腭部形态的依据 为腭盖高拱 运用 软件对.模型进行改建对腭部模型进行剪裁优化处理构建 的腭盖高拱颅上颌复合体模型.及微种植钉模型的建立 将三维网格导入 (美国)有限元软件设计 及微种植钉的简略模型 包括螺旋扩弓器主体(长.、宽.、高.)个直径.的平行孔(用于微种植钉植入)和 个直径 的支撑臂焊接于上颌第一磨牙冠中部带环(厚.、宽)上用于在扩展过程中稳定 于腭中缝外侧 垂直于骨面植入 颗圆柱体结构的微种植钉(长度、直径.)与腭黏膜紧密接触(间隙小于)穿透腭骨及鼻骨双侧骨皮质 根据 放置位置和腭部形态组合成 个模型:腭盖正常扩弓器放置于第二前磨牙与第一磨牙间(模型一)腭盖正常扩弓器放置于第一磨牙间(模型二)腭盖正常扩弓器放置于第一与第二磨牙间(模型三)腭盖高拱扩弓器放置于第二前磨牙与第一磨牙间(模型四)腭盖高拱扩弓器放置于第一磨牙间(模型五)腭盖高拱扩弓器放置于第一与第二磨牙间(模型六)分别将 个模型导入软件中建立三维有限元模型将几何结构细分为四面体单元和节点(表)形成一个三维排列网格网格节点是单元数之间的连接点表 个模型颅上颌复合体节点数和单元模型节点数单元数模型一 模型二 模型三 模型四 模型五 模型六 郑州大学学报(医学版)年 月 第 卷 第 期.条件设置 以模型为参考设置枕骨大孔处为坐标轴的原点水平向为 轴(向右为正值)矢状向为 轴(向后为正值)垂直向为 轴(向上为正值)其余为负值 设定上颌骨与骨缝、上颌骨与微种植钉、扩弓臂与支抗牙、上颌骨与其他颅面骨为绑定接触关系牙齿与牙齿为摩擦接触关系扩弓器是无摩擦接触关系 所有材料假设为均质、各向同性的线性弹性材料骨皮质、骨松质、牙齿、牙周膜、不锈钢、微种植钉、和骨缝的杨氏模量()分别设置为、泊松比分别设置为.、.、.、.、.、.、.、.观察指标 在 个模型的 上均分别加载.横向强制水平位移 分别观察上颌复合体的等效应力分布、微种植钉等效应力分布、上颌骨 轴的位移(可反映腭中缝的位移)、腭中缝各标志点的 轴位移及前后部微种植钉的位移 标志点包括 点(前鼻棘点)点(后鼻棘点)点(上齿槽座点)点(第二前磨牙间连线与腭中缝的交点)点和 点为腭前部标志点 点和 点为腭后部标志点这 个点的 轴位移可反映腭中缝宽度增量 结果.上颌复合体等效应力的分布见图 上颌复合体应力分布显示腭部微种植钉周围应力分布较高 腭盖正常组应力主要位于腭部骨皮质与微种植钉连接处牙合面观腭盖正常组模型一后部微种植钉周围应力分布较高前部微种植钉周围应力分布不明显模型二前部和后部微种植钉周围应力分布均明显模型三后部和前部均可见应力分布后部微种植钉周围应力分布更明显(图 上排)牙合面观腭盖高拱组模型四后部微种植钉周围应力分布较高模型五后部微种植钉周围应力分布较高前部微种植钉周围应力分布不明显模型六后部和前部均可见应力分布后部微种植钉周围应力分布更明显(图 下排)腭盖正常组上颌复合体最小主应力显示为模型三 模型一 模型二腭盖高拱组上颌复合体最小主应力显示为模型六 模型五 模型四 详见表:模型一:模型二:模型三:模型四:模型五:模型六图 个模型等效应力分布图表 个模型上颌复合体最小主应力值应力模型一模型二模型三模型四模型五模型六最小主应力.微种植钉等效应力的分布详见图、表 由图、表 可知微种植钉颈部周围可见明显的应力分布腭盖正常组前部微种植钉等效应力:模型三 模型二 模型一后部微种植钉等效应力:模型一 模型二 模型三各组前后部微种植钉等效应力比值:模型一 模型三 模型二 腭盖高拱组前部微种植钉等效应力:模型六 模型五 模型四后部微种植钉等效应力:模型四 模型五 模型六前后部微种植钉等效应力比值:模型四 模型五 模型六 ().:模型一:模型二:模型三:模型四:模型五:模型六图 微种植钉等效应力分布图表 微种植钉等效应力的变化指标模型一模型二模型三模型四模型五模型六前部微种植钉等效应力/.后部微种植钉等效应力/.前后部微种植钉等效应力比值.:表中数据为最大值.上颌骨 轴的位移结果详见图、由图、可知上颌骨 轴的位移:模型二 模型三 模型一模型五 模型六 模型四 腭盖正常组位移均大于相应的腭盖高拱组:模型一:模型二:模型三:模型四:模型五:模型六图 上颌骨 轴位移正面观郑州大学学报(医学版)年 月 第 卷 第 期图 上颌骨 轴位移图.腭部各标志点 轴位移的结果详见表 由表 可知腭盖正常组 点和 点 轴位移:模型二 模型三 模型一 点和 点 轴位移:模型三 模型二 模型一 点与 点 轴位移值显示 点 轴位移均大于 点说明腭中缝横向位移呈前部大后部小的楔形扩展 点与 点 轴位移差值:模型一 模型二 模型三说明随着扩弓器位置的后移腭中缝趋于平行移动 腭部高拱组 点和 点 轴位移:模型五 模型六 模型四 点和 点 轴位移:模型六 模型五 模型四 点与 点 轴位移值显示 点 轴位移均大于 点说明腭中缝横向位移呈前部大后部小的楔形扩展 点与 点 轴位移差值:模型四 模型五 模型六说明随着扩弓器位置的后移腭中缝趋于平行移动.微种植钉的位移 见表 由表 可知前部微种植钉的位移均大于后部微种植钉 腭盖正常组前部微种植钉的位移:模型二 模型一 模型三后部微种植钉的位移:模型三 模型二 模型一 腭盖高拱组前部微种植钉的位移:模型四 模型五 模型六后部微种植钉的位移:模型六 模型四 模型五表 腭中缝各标志点 轴位移标志点模型一模型二模型三模型四模型五模型六点.点.点.点.与点差值.表 微种植钉的位移种植钉模型一模型二模型三模型四模型五模型六前部种植钉.后部种植钉.:表中数据为最大值 讨论不同错牙合畸形常常表现出不同的腭部形态安氏二类错牙合伴有口呼吸的患者常常表现为牙弓狭窄、腭盖高拱而安氏三类错牙合横向发育不足的患者大多腭盖正常常表现为后牙对刃或反牙合 两种均是临床中常见的错牙合畸形但是腭部形态存在差异 作为一种特殊类型的 位于后上方颧骨之间扩弓器放置不同位置对其稳定性影响鲜有研究 本试验根据以往的研究结果分别建立腭盖高拱组与腭盖正常组颅上颌复合体模型探究在不同腭部形态下扩弓器放置不同位置对扩弓器稳定性及扩弓效果影响的生物力学机制为临床治疗提供参考从生物力学角度讲微种植钉的初期稳定性与其受力后周围骨的应力分布有关微种植钉周围骨负荷过重会破坏正畸微种植钉与骨组织的骨结合而影响稳定性 本试验上颌骨等效应力分布显示在腭部微种植钉周围应力分布明显其中腭盖正常组和腭盖高拱组前部和后部微种植钉周围均可见应力分布后部较前部应力分布明显 骨性扩弓的过程中上颌复合体会受到压应力和张应力压应力促进破骨张应力促进成骨最小主应力是反映压应力的有效指标 本研究结果显示上颌骨最小主应力在腭部微种植钉周围应力分布明显腭盖正常组模型三的应力最大腭盖高拱组模型六的应力最大说明扩弓器放置于第一磨牙和第二磨牙间应力分布较高 过大的最小主应力可能会使骨重塑处于病理性过载抑制导致应力性骨折和骨吸收发生不利于骨愈合 对于骨密度正常的患者可能影响不大但是对于骨质疏松或皮质骨薄的患者应力过大更易导致微种植钉过载和微种植钉松动 相关研究证实皮质骨厚度与皮质骨应力呈线性关系皮质骨厚度 时随着应力增加微种植钉的成功率下降微种植钉局部的应力过大会增加微种植钉变形或折断的可能性不利于微种植钉的稳定 本试验结果显示微种植钉颈部周围可见明显的应力分布应力主要集中于后部前部应力较低可能与施力点距离有关 腭盖正常组模型二前后部微种植钉等效应力比值最小说明扩弓器放置在第一磨牙间前后种植钉受力更均衡与其他位置相比微种植钉变形和折断的风险更小 腭盖高拱组模型六前后部微种植钉等效应力比值最小说明扩弓器放置在第一磨牙与第二磨牙间微种植钉周围颈部区域的受力 ().最小也更均衡更有利于种植钉的稳定腭中缝的打开量是评价扩弓效果的有效指标本试验腭盖正常组上颌骨 轴的位移显示扩弓器放置在第一磨牙间位移最大可能是由于该矫治器位于上腭后部、颧骨之间抵消了部分扩弓力产生与颧支壁骨相一致的扩张力矢量并利用 个与双皮质接合的微种植钉来加强固位将矫治器扩张力传递到底层骨结构有利于腭中缝的打开 腭盖高拱组与腭盖正常组结果一致 点与 点的 轴位移显示的是扩弓后腭中缝前后部的位移量 本研究显示腭盖正常组 点 轴位移均大于 点前后部的位移差异不大 等研究显示 后部扩开量为前部扩开量的 可以实现腭中缝在水平向上接近平行扩展本研究结果与其相似 点与 点 轴位移差值显示从模型一到模型三呈递减趋势说明扩弓器位置越靠后腭中缝的扩展越接近平行扩弓器位置后移可能使上颌复合体旋转中心的位置更靠后有助于抵抗腭骨与蝶骨翼突的阻力致使其骨折、脱位 这种应力的变化将导致上颌腭中缝线性分离 腭盖高拱组与腭盖正常组位移趋势一致我们应用三维有限元建立了颅上颌复合体模型并真实还原了 及微种植钉形态但临床实际情况可能更复杂如骨缝的成熟度、骨骼密度、上腭和其他解剖结构的形状等这些都影响上颌扩张的生物力学系统 因此本研究结果只能为临床研究提供必要的数据不应被视为基准这些发现还需进一步进行力学试验或在常规临床研究中进行验证参考文献 宋思吟刘从华.微螺钉辅助个性化快速扩弓器治疗成人上颌横向发育不足对髁突位置的影响.广州:南方医科大学.史晓扬刘东旭.上颌横向发育不足的研究进展.口腔医学():.()():.():.:.():.()():.():.():.:.():.():.:.():.:.():.:.:.()():.:.():普庆竹尹康.微种植钉辅助固定类磁力功能矫治器的三维有限元分析.昆明:昆明医科大学.:.():.():.():(收稿 责任编辑赵秋民)郑州大学学报(医学版)年 月 第 卷 第 期