上颌牵引应力分布三维有限元分析及Angle'sⅢ错牙合上颌前牵引临床矫治研究

摘要

目的：在众多的Ⅲ类错(牙合)矫治方法中，上颌前牵引是治疗Angle，sⅢ骨性类错(牙合)的有效手段，已经得到国内外学者的广泛认可。生长发育高峰前期进行上颌前牵引矫治可以较好的改善Ⅲ类凹面型。多年来，国内外学者一直致力于提高前方牵引的矫治效果，不断探讨上颌前牵引的影响因素，改善上颌前牵引矫治器装置，以期获得较好的骨骼变化，达到改善凹面型目的。牵引力方向、力值、施力位点都对牵引效果有影响。前牵引加载不当会造成牙移位和骨移动不等量，牙不协调移位和颌骨不当旋转，面中凹陷得不到有效改善。上颌前牵引方向、力值、牵引位点对颅面骨骼、骨缝、牙齿有怎样的影响，力学加载方式的不同对Angle’sⅢ骨性类错(牙合)的矫治会有哪些影响，如何在矫治过程中根据骨性类错(牙合)发生的部位判断加力方式，包括加力的大小、加力方向及施力点的位置是我们急需理清的问题。
　　本文通过儿童头部标本铣切和CT扫描等手段，建立层厚0.1mm的儿童头部标本数据集；利用CT数据集，参考铣切数据集，通过Mimics、Geomagic、ANSYS软件建立包含骨缝和牙齿的儿童颅面三维有限元模型；分析在腭中缝打开和非打开两种状态下，不同力值和不同牵引方向加载后，应力在颅面的各骨骼、牙齿的分布；分析面中份在不同工况前牵引作用下骨骼和牙齿变化；探讨上颌前牵引方向、力值以及扩弓等对应力分布影响与颌骨、牙齿变化的关系，为临床Angle’sⅢ骨性类错牙合面中份发育不足前牵引矫治提供实验依据，以获得最大的骨骼效应，特别是可以引起面中1/3的上1/2全部向前移位，克服牙承力支抗丧失问题，防止上前牙唇倾代偿。
　　方法：
　　第一部分儿童头部标本薄层断面数据集的建立
　　1标本选择：头部标本由河北医科大学基础医学院解剖教研室提供。标本为男性，8岁，身高1.35米，体重27Kg，发育中等，无重大疾病及畸形。
　　2 CT图像获取：冷冻24小时后标本进行头颅不螺旋CT扫描，获取体层影像。扫描间距均为0.625mm。共获368张CT图像，每张图像大小515K，共占空间大小185MB。数据以DICOM格式储存。
　　3头颅标本铣切及数据采集
　　3.1头颅标本铣切：根据标本铣切要求，设计特制的长方体形铝制模具用于容纳解剖标本与包埋剂，在两个侧壁上分别按对称位置加工定位杆的安放位置。5％的明胶溶液加粉红水彩染料充填定位杆。调整冻硬的铣切标本的位置，尽量使标本位于模具内正中位置，周围以蓝色明胶冰块固定，保持铣切面与耳眦线一致。用3％的明胶溶液加食用蓝色染色剂作为包埋剂分8次填充蓝色明胶溶液，每次填充完毕后都将包埋容器放入-75℃的冰箱内使明胶凝固并冻硬。直至冷冻明胶液液面稍超过容器内的上定标线。标本容器整体置于-75℃低温库中，密闭冰冻30天至明胶包埋液完全冻结为一个明胶立方冰体。完成标本的冰冻包埋固定。在-13℃恒温的低温实验室中进行铣切。铣切层厚为0.1mm。
　　3.2数据采集：采用佳能EOS-1DS MarkⅡ数码摄像机获取标本的横断面解剖图像信息。焦距0.60m；像素：4992×3328；数码相机获取的图像数据格式为.RAW(原始图像数据储存格式)，经格式转换为.PSD图像格式(标签图像文件格式)和.JPG格式(位图文件格式)。
　　4图像的分割和提取
　　4.1头颅表面图像的分割和提取
　　将获得的数据集图像导入photoshopCS310.0软件中，使用图像中各种处理工具进行全手工勾勒轮廓和分割颅面表面图像，将颅骨从杂乱背景中分割出来，统一换为黑色背景。
　　4.2上颌骨、颧骨、下颌骨表面图像的分割和提取
　　将4.1提取的黑背景头颅表面数据集图像导入photoshopCS310.0软件中，使用图像处理软件中各工具进行全手工勾勒每一张图像中的上颌骨、颧骨、下颌骨轮廓，将上颌骨、颧骨、下颌分别从整个头颅图像中分割提取出来，另存。
　　第二部分单独定义骨缝的儿童颅面三维有限元模型建立
　　1三维实体IGES格式的初建
　　将所得DICOM数据文件依次在Mimics、Geomagic9.0中处理生成的颅面骨骼、骨缝牙齿的3D模型，以IGES格式存储。包含结构如下：
　　颅面骨骼-颅面所有骨骼；牙齿-中切牙和乳切牙、第一乳磨牙、第一恒磨牙；颅面骨缝-腭中缝、颧上颌缝、额上颌缝、颧额缝、颧颞缝。
　　2 ANSYS13.0软件中进行建模
　　将9个IGES格式文件按XYZ坐标系导入ANSYS13.0软件。设置模型网格单元参数。腭中缝设想为打开与未打开时的两种状况。采用10节点四面体单元——SOLID187建模。网格大小的划分分为两个规格，四面体边长为2.2mm(骨骼及牙齿)和1.6mm(骨缝)。至此，含有九条骨缝、八颗牙齿的颅面三维有限元模型建立完成。模型自几何模型至建模完成程序大约历时30分钟左右。
　　第三部分上颌前牵引方式对面中份骨骼及牙齿应力分布的影响
　　1模型建立同第二部分
　　2材料参数设定：
　　3分析条件假设：对颅面施加面约束及对称约束。在模型枕骨大孔周所有的节点进行三向平移和旋转约束。
　　4加载方式：模拟腭中缝打开与不打开两种状况，分别计算了F值为200g和500g、θ方向角为分别为牙合平面前下0°、15°、30°、45°的施力过程，一共16种工况。
　　5应力分析：16种工况下颅面骨骼、骨缝、牙齿的应力分析。
　　第四部分 Angle’sⅢ错(牙合)面中份发育不足前牵引矫治疗效分析
　　1病例选择：选取面中份发育不足的AnglesⅢ类骨性反(牙合)40例，年龄8.12岁，平均10.3岁；ANB<0°，双侧后牙近中关系，下颌不能后退至对刃。按照Baccetti T改良颈椎分析法选取椎体发育处于Cvs1、Cvs2和Cvs3期的患者
　　2分组：40个病例分为A、B两组，椎体发育处于Cvs1和Cvs2期的患者为A组，椎体发育处于Cvs3期的患者为B组，每组各20例；A、B两组组内再随机分别分为a、b两小组，a组治疗行上颌螺旋扩弓器快速扩弓(RME)+前方牵引(maxillary protraction)矫治；b组单纯前方牵引进行矫治，不配合扩弓。每小组各10例，小组名为1组(小骨龄扩弓组Aa)、2组(小骨龄非扩弓组Ab)、3组(大骨龄扩弓组Ba)、4组(大骨龄非扩弓组Bb)。
　　3矫治：所有病例均进行配合或不配合RME的前牵引矫治，前方牵引单侧施力300-600g，牵引方向为向前下方与(牙合)平面成20-40°角，施力点在两侧尖牙腭侧5-8mm处，每天戴用12-14小时。
　　4矫治完成标准：①牵引时间6-12个月(不超过12个月)；
　　②侧貌改善，前牙反(牙合)解除；
　　③磨牙为中性关系或远中尖对尖关系；
　　④前牙覆盖达到2mm左右为止。
　　5矫治效果评价：每组治疗前(T0)后(T1)分别拍摄头颅侧位片，使用Winceph8.06测量软件进行测量，每片测量三次，取平均值，前牵引治疗前后头颅侧位片各指标三次测量的平均值之差，即T0-T1=⊿ T。
　　6统计学处理：
　　应用SPSS17.0软件进行统计学分析，检验水准：α=0.05，以P<0.05有统计学意义。
　　6.1使用均数的配对样本T检验比较各组治疗前后各项指标有无统计学差异。即T0和T1有无统计学差异。
　　6.2使用单因素ANOVA分析对四组进行两两比较。即各组⊿ T的两两比较，观察扩弓和骨龄对前方牵引的影响。
　　结果：
　　第一部分儿童头部标本薄层断面数据集的建立
　　1儿童头部标本薄层断面数据集共包括2150张。
　　存为三种不同格式：
　　RAW格式，4992*3328像素，每张图片约20.4MB大小，共42.83GB；
　　PSD格式，4992*3328像素，每张图片约50MB大小，104.98GB；
　　JPG格式，4992*3328像素，每张图片约375.8KB大小，789.03MB。
　　2其中：
　　上颌骨，图片编号392-944，共552张，长度为5.52厘米；
　　下颌骨-图片编号33-916，共883张，长度为8.83厘米；
　　颧骨-图片编号616-940，共324张，长度为3.24厘米；
　　鼻骨-图片编号804-890，共86张，长度为0.86厘米。
　　第二部分单独定义骨缝的儿童颅面三维有限元模型的建立
　　1儿童颅面三维有限元模型共划分775700个单元和1173588个节点。
　　2构建单独定义骨缝：腭中缝、颧上颌缝、额上颌缝、颧额缝、颧颞缝。
　　3构建单独定义骨缝的儿童颅面三维有限元模型
　　第三部分上颌前牵引方式对面中份骨骼及牙齿应力分布的影响
　　1不同角度下模拟加载前方牵引后颅面力学特征分析
　　0°、15°、30°、45°四种不同角度下的应力分布在两种不同力学参数，两种不同工况下，力学特征随角度变化趋势相似。
　　等效应力云图显示：在0°、15°、30°时分布区域是相同的，力量分布于鼻梁及鼻翼外侧部。45°时等效应力分布区域减小。
　　三维方向应力云图显示：矢状方向上以向前的力量为主，其中30°时应力出现明显的集中分布：鼻梁部并向上覆盖过鼻额-额颌缝、眉弓上0.5mm、鼻翼外侧位；0°时应力集中区域较30°缩小。但0°时非应力集中区和应力集中区的受力值是30°时的2-3倍；而15°、45°时受力均匀分布。垂直方向上，随角度加大，应力值逐渐加大；应力出现明显的集中处分布：鼻梁部并向上覆盖过鼻额-额颌缝、眉弓上0.5mm、鼻翼外侧位，与向下的应力集中区与矢状方向上受力相符。不同的力学参数和力值下，出现应力集中分布不同。在0°、15°时面中部组织出现向上的应力集中区，30°、45°则未见。
　　三维方向位移云图显示：模拟前牵引力学加载后颅面表现出向前、下移位。矢状方向上，面部以向前的位移为主，各牵引角度向前位移的范围均包含腭中缝、鼻额-额颌缝、颧上颌缝、部分颧骨、部分蝶骨、腭骨、鼻骨、上颌骨、牙齿；30°、45°的牵引位移云图还包括颧额缝、颧骨、部分额骨及大部分颅底的骨骼；颧颞缝大部分显示向后的位移。垂直方向上，0°牵引方向表现了最大的向上的位移。
　　2不同参数下模拟加载前方牵引后颅面力学特征分析
　　不同参数下，相同角度的力学分布特征相似，差异表现为：力学参数越大，非应力集中区的应力数值越大，应力集中区应力数值越小。
　　3不同加载力值前方牵引后颅面力学特征分析
　　不同加载力值下，相同角度的力学分布特征相似，差异表现为力值越大，骨骼、骨缝、牙齿受力越大，按系数相应成倍增长。
　　综上所述，前方牵引在0°时面中部组织出现向前、上、外的应力反映；30°时面中部组织出现向前、下的应力反映；15°时应力反映介于二者之间；45°出现了较大的垂直向应力反映。
　　在腭中缝力学参数较小的工况下，30°的牵引方向可以更好的引起面中1/3的上1/2出现应力集中区，该角度引起的应力可以打开鼻额-额颌缝、牵引鼻梁周围骨骼、鼻翼外骨骼向前下移位，达到改善Ⅲ类凹面型的目的，最大的实现骨骼效应，同时，没有出现上颌牙齿大面积应力集中，避免牙齿支抗丧失；腭中缝参数小比腭中缝参数大者越能更好的实现良好的骨骼效应。0°的牵引方向虽然能够实现面中份骨骼的向前移位，但是，也出现了面中份骨骼的逆时针旋转，将引起牙槽骨和牙齿的前上移位，出现过多的牙齿唇倾代偿效应。
　　第四部分 Angle’sⅢ错(牙合)面中份发育不足前牵引矫治疗效分析
　　1矫治前后硬指标结果显示：
　　1、3组在经过扩弓配合前方牵引进行矫治后，颅面代表面中1/3位点的A、Ns、Ss、Zy、Zm各点随前下的前方牵引力量向前向下移位，其中向前移位全部具有统计学意义；下颌平面向下向后旋转，B点向下向后移位；上下颌骨的综合变化产生了前方牵引后的骨骼效应，使面型得到极大改善，凹面型变为直面型，甚至稍突的面型；面中1/3全部向前移位，包括目前临床上最关注的面中1/3的上1/2的向前移位面型改变。第2组治疗前后的疗效不如第1组，但较第4组疗效好。
　　2矫治前后牙齿指标结果显示：
　　1、2、4组的上前牙唇倾度减小，但上前牙切缘距较治疗前增大，说明牙齿整体随颅面向前向下移位，没有出现牙齿在颌骨内移位的现象，克服了以往研究中出现的上前牙唇倾代偿效应；而3组上前牙唇倾度加大，说明上牙列支抗的丧失，分析原因可能是因为加力大的原因，有一些病例在临床矫治中加载超过500g/侧的前下力量，均出现了牙齿支抗丧失。
　　3矫治前后软组织指标结果显示：
　　1、3组进行矫治后，代表颅上颌软组织的指标A’、TN、SN、Zy’、TUL等各点均向前下移位，代表下颌软组织的SB、TC、TLL点向下向后移位，上述各指标的变化相互作用改善Ⅲ类凹面型软组织，对患者达到整形目的。第2组治疗前后疗效不如第1组，但较第4组疗效好。
　　4各组间治疗后疗效比较：
　　4.1硬组织指标四组变化的比较：
　　单纯表示颅上颌和下颌的测量指标四组两两比较无统计学意义，但将上颌与下颌的变化联合后，可以出现有意义的变化。扩弓在大骨龄组对A、Rhi、O、Ns、Ss、Zy、Zm标志点向前，B、Pg标志点向后有影响(P<0.05)；在小骨龄组，扩弓对这些指标变化差异没有意义。在扩弓组，骨龄对于A、Rhi、O、Ns、Ss、Zy、Zm标志点向前，B、Pg标志点向后的差异无统计学意义；在非扩弓组，骨龄对其影响大部分有统计学意义。
　　上下前牙角度在四组无统计学意义。
　　RME和小骨龄加重前方牵引后下颌骨顺时针旋转。
　　4.2软组织指标四组变化的比较：
　　软组织随硬组织变化。单纯表示颅上颌软组织和下颌软组织的测量指标无统计学意义，但将上颌与下颌的变化联合后，可以出现统计学意义，即扩弓在大骨龄组对TN、SN向前，SB、TC向后有影响，在小骨龄组，扩弓对这些指标变化没有意义。
　　鼻唇角、TUL-E、TLL-E在治疗前后无差别。
　　结论：
　　1.国内外首次建立了儿童颅颌面断层铣切解剖数据集(构建了儿童数字化颅面部)。数据集铣切层厚为0.1mm，是目前国内外切片最薄、头部信息量最大的儿童头部标本断面数据集，可以为儿童头颅部相关研究提供解剖学基础。
　　2.在国内外首次建立了骨缝单独定义的颅面三维有限元模型，是目前国内外网格划分最细、相似度最高的颅面三维有限元模型，为颅面的生物力学研究提供更为精确的三维有限元模型。
　　3.腭中缝打开与前方牵引的效果有关，腭中缝打开者可以产生更大的骨骼效应和保护上牙列支抗避免丧失。但腭中缝打开与应力分布趋势无明显关系。
　　4.0°的前牵引方向在鼻额-额颌缝和腭中缝主要表现为向前上的应力，前方牵引方向超过(牙合)平面下15°时(在45°之内)，颧上颌缝和颧额缝主要表现为向前下的应力，并且随着角度增大，向下的应力值增大。而颧颞缝主要是受到向后的应力。
　　5.面中份骨骼在前牵引角度为0°、15°时，表现为逆时针旋，在30°、45°时为顺时针旋转，克服了牙齿唇倾代偿效应。
　　6.前方牵引的效果应该将加载力量和方向同时考虑，前方牵引力，可以引起较好的骨骼效应，最大效果的改善面型，特别是面中1/3的上1/2全部向前移位，并克服牙承力支抗丧失问题，完全防止上前牙唇倾代偿效应。
　　7.在治疗中，anglesⅢ类错(牙合)畸形应该视畸形的部位给予不同的加力方向，面中1/3上1/2发育不足的病例采用15°～45°的前牵引方向，特别是给予30°的牵引力方向；而单纯牙槽突发育不足或牙齿较正常舌倾的病例，应该给予0°～15°的牵引方向，以期获得满意的临床疗效。
　　8.骨龄对前方牵引疗效有影响，呈负相关，骨龄越大，前方牵引效果越差。但这一负相关现象可以通过扩弓配合前方牵引来消除。扩弓对前方牵引疗效有正向影响，与骨龄无关。