舌側(cè)矯治內(nèi)收下前牙的三維有限元建模及驗(yàn)證

舌側(cè)矯治內(nèi)收下前牙的三維有限元建模及驗(yàn)證楊金剛;蔡留意;張?jiān)绿m【摘要】多層螺旋計(jì)算機(jī)體層攝影(CT)掃描獲取志愿者的下頜CT圖像，通過(guò)Mimics20.0、Geomagicstudio2014、UnigraphicsNX10.0及AnsysWorkbench18.2軟件的綜合使用，建立了2個(gè)包含下頜骨、下牙列、牙周膜、舌側(cè)托槽、弓絲、微種植體、牽弓I鉤等的個(gè)體化舌側(cè)矯治內(nèi)收下前牙階段的三維有限元模型(3-DFEMs).對(duì)模型初步加載工況進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果符合臨床實(shí)際，可以為進(jìn)—步深入研究舌側(cè)矯治的生物力學(xué)效應(yīng)提供有效平臺(tái).【期刊名稱】《安徽醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)》【年(卷)，期】2019(054)007【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P1158-1161)【關(guān)鍵詞】舌側(cè)矯治;三維有限元;內(nèi)收下前牙;生物力學(xué)【作者】楊金剛;蔡留意漲月蘭【作者單位】鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院正畸科，鄭州450003;武警河南省總隊(duì)醫(yī)院口腔科，鄭州450052;鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院正畸科，鄭州I450003【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】R783.5下頜前突對(duì)面容美觀影響較大，此類患者就診意愿也尤為強(qiáng)烈［1］。舌側(cè)矯治具有精確、美觀等優(yōu)勢(shì)，在治療下頜前突過(guò)程中不會(huì)增加患者的下唇突度。臨床中，通過(guò)內(nèi)收下前牙改善下頜前突時(shí)應(yīng)盡可能實(shí)現(xiàn)下后牙支抗的增強(qiáng)及前牙較好的轉(zhuǎn)矩控制。目前，舌側(cè)矯治后牙支抗增強(qiáng)多采用微種植體支抗技術(shù)，而前牙的轉(zhuǎn)矩控制方法包括槽溝預(yù)置轉(zhuǎn)矩、長(zhǎng)牽引鉤、微種植體懸吊、弓絲雙重結(jié)扎等，但相關(guān)的生物力學(xué)研究多集中于內(nèi)收上前牙領(lǐng)域［2-3］，有關(guān)舌側(cè)矯治內(nèi)收下前牙的報(bào)道較少，鑒于上、下頜頜骨及牙齒解剖結(jié)構(gòu)及矯治力學(xué)的差異性，該研究擬建立舌側(cè)矯治滑動(dòng)法內(nèi)收下前牙階段的三維有限元模型（three-dimensionalfiniteelementmodels,3-DFEMs），以期為進(jìn)一步探索舌側(cè)矯治中的生物力學(xué)機(jī)制奠定基礎(chǔ)。1材料與方法1.1建立下頜骨-下牙列-牙周膜模型參考以往研究［4］，選取成年女性志愿者1名，顏面部對(duì)稱；個(gè)別正常，牙體牙周組織健康，牙槽骨高度正常；無(wú)全身系統(tǒng)性疾病。采用64排多層螺旋計(jì)算機(jī)體層攝影（computedtomography，CT）（美國(guó)GeneralElectric公司）掃描顱面部，掃描結(jié)果存儲(chǔ)為dicom格式。在Mimics20.0軟件（比利時(shí)Materialise公司）中將CT數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值分割，設(shè)置下頜骨和牙齒的閾值范圍，獲得去除下頜雙側(cè)第一前磨牙的下牙列和下頜骨幾何模型，輸出文件為stl格式。使用Geomagicstudio2014軟件（美國(guó)3Dsystems公司）讀取stl數(shù)據(jù)，對(duì)模型孔隙和邊緣尖銳部分進(jìn)行修整，將模型曲面優(yōu)化后得到光滑的下頜骨和下牙列曲面模型。對(duì)模型運(yùn)行offset命令，將牙齒根面均勻向外擴(kuò)張0.2mm，進(jìn)行布爾運(yùn)算得到厚度為0.2mm的牙周膜實(shí)體模型，最后將生成的下頜骨-下牙列-牙周膜曲面模型以igs格式導(dǎo)出。1.2建立托槽、弓絲、牽引鉤及微種植體模型使用UnigraphicsNX10.0軟件（德國(guó)Siemens公司）通過(guò)數(shù)字化排牙技術(shù)獲得eBrace個(gè)體化舌側(cè)托槽（廣州瑞通生物科技有限公司）模型，槽溝尺寸為0.46mmx0.64mm（0.018英寸X0.025英寸），前牙區(qū)為垂直槽溝，后牙區(qū)為水平槽溝。采用舌側(cè)不銹鋼帶狀弓絲，尺寸為0.41mmx0.56mm（0.016英寸x0.022英寸），其中0.41mm為弓絲唇（頰）舌徑，0.56mm為弓絲齦徑。牽弓I鉤為桿狀結(jié)構(gòu)，基部位于下頜尖牙唇側(cè)臨床冠中心，末端指向齦方，橫截面為1mmxlmm,長(zhǎng)度11mm。微種植體（德國(guó)Forestadent公司）直徑1.5mm，螺紋高度0.1mm，螺紋頂角60°,螺距0.5mm;植入位點(diǎn)為下頜第二前磨牙與第一磨牙根間，距牙槽嵴頂6mm的頰側(cè)牙槽骨處，植入角度為與牙槽骨平面成60°，植入骨內(nèi)深度為7mm。1.3模型裝配將建立的下頜骨、下牙列、牙周膜、舌側(cè)矯治器等模型按需求導(dǎo)入U(xiǎn)nigraphicsNX10.0軟件中進(jìn)行組裝，通過(guò)修正后建立個(gè)體化舌側(cè)矯治內(nèi)收下前牙的實(shí)體模型，以Parasolid格式保存。使用AnsysWorkbench18.2軟件（美國(guó)AYSYS公司）讀取Parasolid格式數(shù)據(jù)，定義材料屬性，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置邊界約束，最終生成整體的個(gè)體化舌側(cè)矯治內(nèi)收下前牙階段的3-DFEMs，見(jiàn)圖1。圖1整體模型A:面觀；B:正面觀1.4材料參數(shù)和邊界約束為簡(jiǎn)化運(yùn)算，各材料均簡(jiǎn)化為均質(zhì)、各向同性的線性彈性體。設(shè)置皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、牙齒、牙周膜、微種植體、托槽（弓絲及牽引鉤）的彈性模量分別為13700.00、1370.00、20300.00、0.25、10300.00、20600.00,泊松比分別為0.26、0.30、0.30、0.49、0.35、0.30[5-6]。對(duì)髁突關(guān)節(jié)面和下頜骨下緣進(jìn)行自由度的剛性約束。1.5接觸關(guān)系和連扎模擬定義牙槽骨與牙周膜、牙周膜與牙齒、托槽與牙齒為固定連接；托槽與弓絲為接觸連接，摩擦系數(shù)為0.2；牙齒與牙齒之間設(shè)置為無(wú)摩擦連接。在前牙每?jī)蓚€(gè)鄰近托槽間建立兩個(gè)桿單元進(jìn)行連接，對(duì)牙齒沿弓絲散開(kāi)進(jìn)行約束,模擬臨床中的前牙連扎。1.6坐標(biāo)軸設(shè)定建立標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系，X軸為牙列水平向（左側(cè)牙列方向?yàn)檎?；Y軸為矢狀向（遠(yuǎn)中方向?yàn)檎?；Z軸為垂直向（平面方向?yàn)檎?結(jié)果2.1建模建立了個(gè)體化舌側(cè)矯治內(nèi)收下前牙階段的3-DFEMs。模型1:為對(duì)比單純舌側(cè)矯治與配合微種植體、牽弓I鉤裝置后舌側(cè)矯治的力學(xué)差異，建立了不包含微種植體與牽弓I鉤的舌側(cè)矯治內(nèi)收下前牙階段的3-DFEMs，見(jiàn)圖2A。模型2:為增強(qiáng)下后牙支抗，在第二磨牙頰側(cè)臨床冠中心與微種植體頭部之間設(shè)置橫截面為1mmxlmm的連接桿，以建立第二磨牙間接支抗，見(jiàn)圖2B。由于雙側(cè)對(duì)稱加力，為簡(jiǎn)化運(yùn)算，沿矢狀向?qū)⒛Ｐ蛷恼蟹珠_(kāi)，只分析右側(cè)模型。模型各部分均采用四面體十節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以模型2為例，網(wǎng)格劃分后共生成單元301465個(gè)，節(jié)點(diǎn)521190個(gè)。其中皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、牙齒、牙周膜、托槽、弓絲、微種植體、牽引鉤、連接桿、連扎絲的單元數(shù)分別為49174、38706、66975、107758、163015、13816、18810、30603、26193、6140個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為26360、23410、42178、53450、103442、2214、11355、20161、16308、2587個(gè)。圖2網(wǎng)格劃分后的3-DFEMsA:模型1為單純舌側(cè)矯治模型；B:模型2為建立磨牙間接支抗的舌側(cè)矯治模型2.2模型驗(yàn)證模擬臨床加力方式，分別對(duì)模型1、2加載工況進(jìn)行驗(yàn)證。工況1:在模型1中，尖牙與第二磨牙舌側(cè)托槽間加載1.5N載荷。工況2:在模型2中，模擬唇舌側(cè)同時(shí)加力，唇側(cè)力值加載為牽引鉤距尖牙唇側(cè)臨床冠中心齦方8mm處，向微種植體頭部施加1.0N載荷；舌側(cè)力值加載為尖牙與第二磨牙舌側(cè)托槽間加載0.5N載荷。計(jì)算兩種工況下牙列在水平向（X方向）、矢狀向（Y方向）、垂直向（Z方向）的初始位移，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。2.2.1工況1水平向：總體穩(wěn)定，尖牙有輕微的水平向夕卜趨勢(shì)，第二磨牙表現(xiàn)為近中水平向夕卜趨勢(shì)、遠(yuǎn)中水平向內(nèi)趨勢(shì)，見(jiàn)圖3A;矢狀向：前牙有明顯的內(nèi)收舌傾趨勢(shì)，且均自近中向遠(yuǎn)中逐漸減弱，第二前磨牙和第一磨牙均表現(xiàn)為近中移動(dòng)趨勢(shì)，第二磨牙舌側(cè)表現(xiàn)為近中移動(dòng)趨勢(shì)、頰側(cè)表現(xiàn)為遠(yuǎn)中移動(dòng)趨勢(shì)，見(jiàn)圖3B；垂直向：前牙唇側(cè)表現(xiàn)為輕微的自方向牙頸部逐漸增強(qiáng)的伸長(zhǎng)趨勢(shì)，舌側(cè)表現(xiàn)為輕微的壓低趨勢(shì)，第二前磨牙及第一磨牙近中壓低趨勢(shì)，第一磨牙遠(yuǎn)中及第二磨牙遠(yuǎn)中舌側(cè)表現(xiàn)為伸長(zhǎng)趨勢(shì)，見(jiàn)圖3C。2.2.2工況2水平向：前牙均表現(xiàn)一定的水平向外趨勢(shì)，自中切牙至尖牙逐漸增強(qiáng)，第二前磨牙及第一磨牙表現(xiàn)為水平向內(nèi)趨勢(shì)，第二磨牙表現(xiàn)為近中輕微的水平向外趨勢(shì)、遠(yuǎn)中輕微的水平向內(nèi)趨勢(shì)，見(jiàn)圖4A；矢狀向：切牙的內(nèi)收舌傾趨勢(shì)較工況1減弱，尖牙尤其是遠(yuǎn)中部分仍表現(xiàn)為較明顯的內(nèi)收趨勢(shì)，第二前磨牙及第一磨牙的近中移動(dòng)趨勢(shì)較工況1減弱，第二磨牙的近中移動(dòng)趨勢(shì)自頰側(cè)向舌側(cè)逐漸增強(qiáng)，見(jiàn)圖4B；垂直向：前牙切端除側(cè)切牙近中表現(xiàn)為輕微的伸長(zhǎng)趨勢(shì)外，均表現(xiàn)為輕微的壓低趨勢(shì)，且中切牙及尖牙的壓低趨勢(shì)均自近中向遠(yuǎn)中增強(qiáng)，前牙唇側(cè)的伸長(zhǎng)趨勢(shì)較工況1減弱，第二前磨牙及第一磨牙的近中壓低趨勢(shì)及第一磨牙遠(yuǎn)中及第二磨牙遠(yuǎn)中舌側(cè)的伸長(zhǎng)趨勢(shì)較工況1減弱，見(jiàn)圖4C。3討論正畸過(guò)程中，力線與牙齒、牙列阻抗中心的位置關(guān)系決定了牙齒、牙列的移動(dòng)方式，在有牽引鉤及微種植體的矯治力系中，此二者的位置對(duì)矯治力線的影響較大?？紤]到下頜舌側(cè)的解剖形態(tài)及患者舒適度，牽引鉤位置設(shè)在尖牙唇側(cè)。有研究［7］報(bào)道，下前牙阻抗中心在矢狀平面上于中切牙切緣齦方13.5mm、遠(yuǎn)中8.5mm處，即垂直向高度約為尖牙頰面臨床冠中心齦方8mm處，故設(shè)置牽引鉤長(zhǎng)度為11mm，便于模擬在牽引鉤不同高度處加力內(nèi)收下前牙時(shí)的情況。由于下頜舌側(cè)血管神經(jīng)豐富，故將微種植體設(shè)置在下頜骨頰側(cè)。為盡可能增強(qiáng)唇舌側(cè)同時(shí)加力內(nèi)收下前牙過(guò)程中的下后牙支抗，同時(shí)對(duì)抗舌側(cè)加力時(shí)下頜第二磨牙的旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)，在微種植體與下頜第二磨牙間建立間接支抗。參考下頜種植區(qū)域的相關(guān)研究［8］，在下頜第二前磨牙與第一磨牙間、第一磨牙與第二磨牙間頰側(cè)距牙槽嵴頂6~8mm處有較大的牙根間隙。有研究［9］顯示，在建立間接支抗時(shí)，牽引力線與連接桿所成角度最好小于45°或大于135°，故將微種植體設(shè)置在下頜第二前磨牙與第一磨牙間頰側(cè)距牙槽嵴頂6mm處。圖3工況1加載：牙列三維方向上的初始位移A:水平向初始位移；B:矢狀向初始位移；C:垂直向初始位移圖4工況2加載：牙列三維方向上的初始位移A:水平向初始位移；B:矢狀向初始位移；C:垂直向初始位移本研究通過(guò)兩種工況對(duì)所建模型進(jìn)行驗(yàn)證，在工況1情況下，下前牙主要表現(xiàn)為舌側(cè)傾斜移動(dòng)趨勢(shì)；下頜第二前磨牙及第一磨牙表現(xiàn)為近中傾斜移動(dòng)趨勢(shì)；下頜第二磨牙表現(xiàn)為遠(yuǎn)中舌側(cè)扭轉(zhuǎn)并伴有一定的伸長(zhǎng)趨勢(shì)。在工況2情況下，下前牙的舌側(cè)傾斜移動(dòng)趨勢(shì)減弱并表現(xiàn)有輕微的遠(yuǎn)中傾斜移動(dòng)趨勢(shì)，提示唇舌側(cè)同時(shí)加力及牽引鉤的應(yīng)用可有效減輕下前牙的舌傾趨勢(shì)，提高在內(nèi)收過(guò)程中對(duì)下前牙的轉(zhuǎn)矩控制；下頜前磨牙及磨牙的近中傾斜移動(dòng)趨勢(shì)減弱，提示微種植體支抗技術(shù)的應(yīng)用增強(qiáng)了下后牙支抗；下頜第二磨牙的旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)明顯減弱，提示微種植體與下頜第二磨牙間建立連接桿有效降低了舌側(cè)加力時(shí)下頜第二磨牙的旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)。本研究綜合利用CT掃描技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)及三維有限元方法，建立了個(gè)體化舌側(cè)矯治內(nèi)收下前牙的有限元模型，經(jīng)工況驗(yàn)證，與臨床實(shí)際相符，具有較好的幾何相似性和力學(xué)相似性。在所建模型上可對(duì)比唇舌側(cè)不同加力方式、不同力值、不同牽引鉤高度及不同支抗強(qiáng)度等矯治方式內(nèi)收下前牙的生物力學(xué)特點(diǎn)，為進(jìn)一步深入研究這一力系的生物力學(xué)效應(yīng)提供了良好的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)【相關(guān)文獻(xiàn)】SohJ,ChewMT,WongHB.AcomparativeassessmentoftheperceptionofChinesefacialprofileesthetics[J].AmJOrthodDentofacialOrthop,2005,127(6):692-9.張曉波,尹燕飛,姚紅梅，等.不同加載方式滑動(dòng)法關(guān)閉雙頜前突患者拔牙間隙的三維有限元分析[J].中華口腔醫(yī)學(xué)雜志,2016,51⑺:415-9.蔡留意，林久祥,張?jiān)绿m，等.個(gè)體化舌側(cè)矯治器微種植體支抗滑動(dòng)法內(nèi)收上前牙的三維有限元模型的構(gòu)建[J].中華口腔正畸學(xué)雜志,2014,21(1):14-8.劉剛，蔡留意,張?jiān)绿m，等.個(gè)體化舌側(cè)矯治微種植體遠(yuǎn)移下牙列有限元模型的構(gòu)建與驗(yàn)證[J].安徽醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào),2018,53(7):1129-34.HamanakaR,YamaokaS,AnhTN,etal.Numericsimulationmodelforlong-termorthodontictoothmovementwithcontactboundaryconditionsusingthefiniteelementmethod[J].AmJOrthodDentofacialOrthop,2017,152(5):601-12.李九軍,張靜，陳鳳山.牙周膜彈性模量的生物力學(xué)測(cè)定[J].口腔醫(yī)學(xué)研究,2014,30(11):1099-102.JoA,MoSS,LeeKJ,etal.Finite-elementanalysisofthecenterofresistanceofthemandibulardentition[J].KoreanJOrthod,2017,47(1):21-30.FayedMM,PazeraP,Ka