骨性类错牙结合的三维有限元分析

骨性类错牙结合的三维有限元分析

下颌前的诱导是促进骨缝合（下颌缝合、下颌缝合、上颌缝、蝶形缝合和鼻形缝）的发展，以及骨骼的堆积对骨和iii级患者的牙齿缺损有显著影响。例如，上下颌的旋转以及上牙齿表面的倾斜角度增加。有学者报道上颌前方牵引可引起上颌骨逆时针旋转、下颌骨顺时针旋转,导致前面高特别是前下面高增加,这对于反覆牙合较深的低角病例来说是有利的,但是对于高角有开牙合趋势的骨性Ⅲ类患者来说将会导致更加难以接受的长面型,而这是每个正畸医生不愿看到的。随着种植技术在正畸方面的广泛应用,种植体支抗前牵引已经在临床上得到应用和发展,但是其与传统支抗不同的生物力学机制还不够完善,国内外对此的研究也不够深入,本文将采用生物力学的方法来探讨和研究种植体前牵引的力学机制以更好的指导临床。数据和方法1.windows、sc3计算机(联想商用扬天系列,型号:TinkcentreM8000t操作系统:MicrosoftWindowsXPSP3,500G硬盘,4G内存);Mimics软件(Materialise公司产品);PRO/Ewildfire4.0软件,GeomagicStudio10软件,MSC.Marc.Mentat2005R3.2.实验模型各骨缝的受力情况分析本实验分别在五条骨缝中的上颌骨上选取中间位置的节点,分别为:颧颞缝32188、颧额缝31931、颧颌缝41009、蝶颌缝39230、鼻颌缝39603来分析各骨缝的受力情况。1.牵引部位与第一主应力的关系根据30°时各骨缝处的第一主应力分布情况绘制图3,显示颧颞缝、颧颌缝、颧额缝、蝶颌缝、鼻颌缝处第一主应力随牵引部位的逐渐后移应力变化差异较大:在部位三处,颧额缝,颧颌缝,蝶颌缝处第一主应力值最接近。其余两骨缝虽然所受应力相反,但绝对值相当接近(图3)。2.40，不同部位和体前诱导的骨缝的第一主应力蝶颌缝变化较大,其在部位一和部位二前牵引时都表现为负值,说明此处受到的是压应力;而在部位三前牵引时则变为正值,提示为拉应力。3.50种植不同部位的骨缝第一主应力鼻颌缝处第一主应力在三个不同部位发生较大变化,均为正值,提示所承受力为拉应力。蝶颌缝在三个部位均为负值,提示所承受力均为压应力。4.60种植不同部位的骨缝第一主应力此工况显示蝶颌缝处第一主应力均为负值,提示承受的都是压应力。讨论1.前牵引的牙性效应上颌前牵引通过对骨缝(颧颞缝、颧颌缝、颧额缝、蝶颌缝、鼻颌缝)的牵拉,刺激其骨缝的扩展,骨质的沉积,对于骨性Ⅲ类患者的牙颌面均会产生明显的影响,如上下颌骨的旋转和上前牙的唇向倾斜度的增加。有学者报道上颌前方牵引可引起上颌骨逆时针旋转、下颌骨顺时针旋转,导致前面高特别是前下面高增加,这对于反覆牙合较深的低角病例来说是有利的,但是对于高角有开牙合趋势的骨性Ⅲ类患者来说将会导致更加难以接受的长面型。传统的上颌前牵引装置普遍采用的口内装置为牙合垫式活动矫治器,需要通过牙齿将矫形力传递至颌骨,但在牵引颌骨向前的同时不可避免的存在牙效应,有关文献显示两者比例各占50%。谷岩研究替牙期前牵引治疗Ⅲ类错牙合效果发现骨性效应和牙性效应分别为40%和60%。有研究显示应用唇舌弓式前方牵引后上颌前牙唇倾,上颌骨逆时针旋转,牙与上颌骨前移效应比为0.47:1。如何减小前牵引的牙性效应增加其骨性效应一直是临床关注的重点。本研究采用种植体支抗前牵引上颌骨,使颌骨成为牵引力的直接承载体,避免了牙齿承力所产生的不利移动。本实验所建立颅面复合体的三维有限元模型真正实现了种植体和颌骨的分离,其两者之间被假设成为一种接触关系而不是直接在颌骨上选择节点来模拟种植体前牵引,符合临床,具有更高的生物相似性。2.支抗与前牵引目前有文献报道采用钛板种植体作支抗前方牵引上颌骨能有效促进上颌骨的向前生长,上前牙唇倾度增加很小,体现出稳定可靠的骨性支抗效果。随着种植体系统的不断完善和发展,种植支抗在口腔正畸领域的应用越来越广泛,CifterM在上颌骨的后部植入种植体支抗进行上颌后牙的压低,用三维有限元的方法分析后牙根的受力。但是应用种植体支抗进行上颌前方牵引报道较少,对其牵引效果学者间观点不一。有学者认为种植支抗前牵引比传统的唇舌弓式前牵引更有利于上颌骨的顺时针旋转,这对伴有开牙合趋势的Ⅲ类患者有利;另有学者则认为前牵引将导致上颌骨的逆时针旋转和下颌骨的顺时针旋转。Lee等通过激光全息干涉测定法证实前牵引可引起腭前部的压缩,使上颌骨前移的同时其前部产生向上的旋转,而前牵引联合扩弓可弥补腭前部的压缩,并使上颌骨产生真正的平移。以往关于种植体前牵引的研究多集中于对牵引力值和牵引力的方向方面。本研究从不同的种植体植入部位来分析讨论其对上颌前牵引的效果,所选择的施力点更贴近临床。种植体分别位于:部位一:上颌中切牙与侧切牙牙根间;部位二:尖牙与第一双尖牙牙根间;部位三:第二双尖牙与第一磨牙牙根间。具体高度位于牙颈部上方5mm处,所得实验结果对临床前牵引的种植体植入部位更具有指导意义。3.种植体的应力分析和模型建立正畸种植体部位的选择不同于其它种植体,尤其是上颌骨解剖结构复杂,既要考虑到骨皮质的厚度、牙根位置和倾斜角度,还须了解上颌窦的位置。对于植入部位目前尚无统一标准。有学者将钛板种植于上颌侧切牙与尖牙牙根之间,在钛板前端设计牵引钩进行上颌复合体前牵引。有学者采用螺纹种植体于上颌侧切牙与尖牙牙根之间植入,在种植体上进行上颌复合体的前牵引,研究结果表明种植体直径3mm,螺纹角度为60°,植入深度为颌骨内7mm时种植体稳定性最好,最适合前牵引治疗。力的最终作用是由力的作用点、方向、大小三要素决定的,因此脱离了牵引部位只关注牵引方向对前牵引的影响是片面的。本研究根据实验目的选择于上颌中切牙与侧切牙根间,尖牙和第一双尖牙根间,第二双尖牙和第一磨牙根间,于牙颈部上方5mm处,垂直于牙槽骨表面植入种植体。以观察不同部位的种植体前牵引对上颌复合体的影响。目前关于前牵引的生物力学研究大多集中于牵引力方向和力值大小方面,而对于不同牵引部位对于上颌复合体的研究很少。还有学者研究了不同部位的前牵引生物力学分析,其分别以梨状孔底承力和牙列承力来进行对比研究。本研究在骨缝处选取节点进行应力分析,结果在牵引角度相同,牵引部位不同的种植体前牵引力作用下,各骨缝应力变化复杂,其中鼻颌缝和蝶颌缝处压应力与上颌复合体的旋转关系最密切。牵引角度与眶耳平面呈30°,种植体位于第二双尖牙与第一磨牙牙根间时上颌复合体发生近似整体前移,而当种植体位于中切牙和侧切牙牙根间和尖牙与第一双尖牙根间时上颌复合体均发生顺时针旋转;当牵引角度为40°,种植体位于第二双尖牙与第一磨牙牙根间时蝶颌缝处时第一主应力变为拉应力。这可能是由于当种植体位于部位一和部位二处时,前牵引力作用线在所选取节点的上方,而上颌复合体的阻抗中心也位于所选取节点的上方,造成该处节点所受压力,相反当种植体位于部位三时,牵引力线经过上颌复合体阻抗中心的下方,蝶颌缝处受到拉应力为上颌骨所受骨缝的牵张所致,因此说明上颌复合体发生逆时针旋转,而其余两部位前牵引时上颌复合体均发生顺时针的旋转;牵引角度大于50°时,三个不同种植体部位前牵引均显示了蝶颌缝处所受应力为压应力,提示上颌复合体发生了顺时针旋转。本实验结果提示对于高角有开牙合趋势的Ⅲ类患者前牵引的部位应尽量设计在近中。而对于低角Ⅲ类患者牵引部位应尽量设计在第二双尖牙的远中以有利于上颌复合体的逆时针旋转,上颌复合体的逆时针旋转会导致下颌骨的后下旋转,继而使前面高增加,有利于低角Ⅲ类患者面型的改善。采用本实验室已建立颅面复合体和种植体的实体模型导入有限元分析软件MSC.Marc.Mentat2005R3中,利用其网格划分功能,采用10点4面体单元将几何模型划分为有限元模型。共生成212828个节点,996158个单元格。种植体在此模型上的三个不同部位植入-分别位于上颌骨颊侧:(1)部位一:上颌中切牙与侧切牙牙根间;(2)部位二:上颌尖牙与第一