不同附件设计对隐形矫治尖牙旋转控制效果的研究报告!_展会资讯_资讯

不同附件设计对隐形矫治尖牙旋转控制效果的研究报告!

背景

无托槽隐形矫治治疗结果的可预测性已成为当代正畸学的核心关注点，这一趋势得益于对生物力学原理、材料性能和辅助装置的不断深入理解。治疗成功的关键决定因素包括精确的牙齿移动分步设计、策略性的附件设计以及患者依从性。然而，垂直向移动和旋转矫治，尤其是尖牙的旋转矫治，由于解剖学因素——如牙冠形态、牙根较长以及邻近颊侧骨皮质板——仍然具有挑战性。文献一致报道，尖牙旋转矫治的准确性较低，平均约为36%，相较于切牙，上颌尖牙的误差常超过15度。这一困难与牙冠的圆形形态以及影响矫治器-牙齿相互作用的几何约束有关。鉴于尖牙在美观、功能和结构方面的重要作用，实现精确旋转至关重要，这通常需要过矫治、邻面去釉和优化的附件设计。尽管大量研究强调了附件设计的重要性，特别是垂直和矩形附件及其策略性定位（唇侧、腭侧或压力点），但关于其相对疗效仍存在相互矛盾的发现。近期证据表明，附件通过产生力偶来促进牙齿直立和牙根控制，但全面的生物力学验证仍然有限。

传统评估方法，如模型叠加，存在标志点识别误差和稳定性问题，促使研究方向转向计算方法。有限元分析（FEA）是正畸生物力学中经过验证的工具，允许在受控变量操作下详细模拟力的传递、牙周膜（PDL）内的应力分布以及由此产生的牙齿移动。本研究采用有限元法（FEM）评估不同附件设计——唇侧和腭侧附件，以及腭侧压力点的使用——对上颌尖牙去旋转生物力学行为的影响。本研究旨在探究具有可靠精确性和可预测性的CAT尖牙去旋转附件设计方案。零假设认为，附件设计的变化和腭侧压力点的使用对CAT尖牙去旋转的生物力学效能无显著影响；而备择假设则认为，优化的附件设计和腭侧压力点的策略性使用可显著改善生物力学效率和治疗效果。

方法

本研究方案经Manav Rachna牙科学院、SDS、MRIIRS Faridabad机构伦理委员会审查批准（批准号：MRIIRS/MRDC/SDS/IEC/2024/130）。所有程序均严格遵循相关机构指南和伦理规定进行。利用口内扫描和锥形束CT（CBCT）数据，建立了包含周围牙槽骨和牙周膜的上颌牙弓（牙位17至27）三维（3D）CAD模型。数据来源于一名成年男性患者的存档记录，该患者牙周健康，无颅面异常，无正畸治疗史（InVivo Dental ANATOMAGE, San Jose, CA, USA）。来自CBCT的DICOM数据使用Geomagic Design X（2021）进行牙齿、骨和牙周膜的分割。分割后的文件转换为STL格式并导入SolidWorks 2022（SolidWorks, Concord, MA, USA）进行解剖学精修和网格划分准备。模型随后导入ANSYS 2022（Ansys Inc., Southpointe, Canonsburg, PA, USA）进行有限元模拟。每个解剖结构，包括牙齿、牙周膜和牙槽骨，均作为独立部件建模，并赋予适当的力学性能，如表1所总结（例如泊松比、杨氏模量）。

表1 各组成部分赋予的力学性能参数

基于近期生物力学文献定义了具体的材料属性。各组成部分的杨氏模量和泊松比根据当代有限元分析研究和牙周膜特性的实验研究进行了更新。虽然承认牙周膜和矫治器材料的粘弹性和应力松弛行为，但为保持计算可行性，采用线弹性、各向同性假设，这与先前经过验证的正畸有限元分析模型一致。基于先前文献，牙周膜模拟为均匀厚度0.25 mm。矫治器模拟为材料厚度一致为0.75 mm，从牙冠表面向外偏移以模拟贴合效果。建立了垂直成角条形附件（3.0 mm高 × 2.2 mm宽 × 1.5 mm厚）和腭侧压力点（2.0 mm直径 × 1.0 mm深）模型。本有限元研究旨在探究矫治器诱导上颌尖牙旋转过程中，牙齿、牙槽骨、牙周膜和附件上的应力和变形模式。根据用于尖牙去旋转的附件设计，基础有限元模型分为三组。

VL：仅垂直成角唇侧附件；

VLP：垂直成角唇侧和腭侧附件；

VLPPP：垂直成角唇侧附件联合腭侧压力点。

唇侧附件联合腭侧压力点旨在增强旋转控制。在三组中，上颌前磨牙和磨牙均使用标准水平条形附件（长4 × 宽2.2 × 高1.5 mm）。图1为附件配置示意图——VL、VLP、VLPPP以及后牙支抗附件——显示了它们在有限元模型中尖牙和支持牙齿上的精确位置。

图1 上颌牙弓及辅助装置的有限元网格模型。A 上颌尖牙唇侧附件及后牙支抗附件的颊面网格模式。B 上颌牙弓咬合面观，显示腭侧附件网格配置。C 尖牙上建模的腭侧压力点，显示凹陷周围的网格模式。

对每组，对上颌尖牙施加远中旋转力，增量为10、20、30、40度。以此研究随增量力施加，牙齿、附件、骨和牙周膜的位移和应力模式。所有材料属性均设为各向同性和均质。使用Ansys 2022（ANSYS Inc., Southpointe, Canonsburg, PA, USA）对几何模型进行四面体单元网格划分，以确保计算效率和准确性。这些定义的力学特性对于模拟正畸力下各解剖结构的应力-应变行为至关重要。单颗牙齿被视为单一结构，牙釉质和牙本质材料属性的差异被认为不相关。牙齿和附件被建模为在施力过程中表现出刚体行为的统一结构。牙周膜、牙槽骨和牙齿的几何重建通过半自动化工作流程使用Mesh Mixer（Autodesk, Inc., San Rafael, CA）完成。网格尺寸设为牙周膜0.1 mm，牙齿0.5 mm，矫治器0.15 mm。

离散化过程平均产生总计1,785,192个节点和2,689,577个线性单元。矫治器与牙齿之间的接触设置为摩擦接触，摩擦系数为标准0.2。各组成部分，包括牙齿、支持结构（骨和牙周膜）和附件，均基于文献值赋予适当的材料属性。这些定义的力学特性对于模拟正畸力下各解剖结构的应力-应变行为至关重要。边界条件设定为限制牙槽骨上方和后部区域以及模型近远中边缘节点的位移。通过测试三种不同网格尺寸进行收敛性分析，以确定模型准确性和稳定性的最佳配置。结果表明，整体几何尺寸采用0.3 mm单元尺寸时达到收敛。该网格尺寸组合被采用为后续分析的标准。

初始旋转（10度）和有限元分析：对尖牙施加10度旋转，模拟目标移动。设计一个适合旋转后尖牙位置的矫治器。然后将此“旋转后”矫治器虚拟放置到初始基础牙齿模型上。根据牙齿几何形状和力作用点距离，将10度旋转差异转换为等效牛顿力。在本研究中，根据目标矫治器位置与当前牙齿位置之间的每个10°旋转差异，分配了11.8 N的等效力。以往研究报告，矫治器0.5°的旋转激活在下颌尖牙上产生约0.6 N的旋转力。

krot = 0.6 N / 0.5° = 1.2 N/°

因此10°的差异对应：F10° = 1.2 N/° × 10° = 12 N

因此估算的力约为12 N，与本模型中使用的11.8 N非常接近。近期一项有限元研究应用11.821 N的旋转载荷来模拟热塑性矫治器诱导的下颌尖牙旋转，从而验证了本研究所用载荷大小。有限元分析软件计算了施力引起的牙齿、骨、牙周膜和附件内的应力分布。随后进行应力集中分析，以识别高应力集中区域，这些区域至关重要，因为它们指示了最佳施力位点或可能发生损伤的区域。

增量旋转施加（20、30、40度）：基于初始10度旋转的应力集中结果，确定了最佳施力点。模拟上颌尖牙的旋转矫治，增量步骤为10°、20°、30°和40°。这些值代表累积旋转阶段，大致相当于按每副矫治器2°旋转编程的5、10、15和20副连续矫治器后的净矫正量，而非临床单步激活。

如上所述，对于每个旋转阶段，将尖牙虚拟旋转至目标角度，并构建相应的矫治器几何形态。然后将矫治器就位于当前牙齿位置，产生几何差异，从而产生相应的力系统和应力分布。在有限元分析软件中直接将施加的增量旋转力作用于牙齿。每个增量旋转步骤按顺序分析。为标准化旋转激活方向，旋转轴沿牙齿长轴方向，通过其估计的阻抗中心，并施加远中旋转力。该方法捕捉每个累积阶段矫治器就位时的初始峰值力学响应，并允许评估不同附件配置如何影响随去旋转进展的力传递。

对于每个旋转增量，有限元分析软件计算：

应力：材料内部（牙齿、骨、牙周膜、附件）的力。
变形：牙齿及周围结构的位移或移动量。

结果

本研究仅对上颌尖牙进行定量评估，检查位移、附件变形、牙周膜和牙槽骨应力。虽然重建了整个上颌牙弓以提供真实的解剖学支持和边界条件，但位移、应力和旋转行为仅针对目标尖牙进行计算，以评估三种附件配置（VL、VLP、VLPPP）在10°、20°、30°和40°渐进累积旋转阶段下的相对效率。所有组的牙齿位移均随增量旋转而增加（图2）。每个累积旋转增量大致反映了约五副临床矫治器（每副2°旋转矫正）后的生物力学阶段，因此此处报告的应力和位移代表每个累积治疗水平的瞬时峰值力。

图2 VL、VLP和VLPPP组在不同增量下的牙齿位移模式

如表2所示，在40度旋转时，VLPPP显示最高的位移值，其次是VLP和VL。这些结果表明，唇侧附件联合腭侧压力点导致尖牙的旋转移动最大，优于其他组（图3）。VL和VLP的位移模式遵循一致的线性趋势，每10度旋转最大位移增加约0.003 mm。VLPPP在10度时位移显著，随后随增量旋转增加更趋平缓。

表2 增量旋转矫正下的牙齿位移

图3 增量旋转对牙齿位移和应力的影响。A 牙冠位移从10°到40°逐渐增加，VLPPP显示最大的移动。B 牙齿Von Mises应力随增量旋转升高，VLPPP显示最高应力水平，其次是VLP和VL。

Von Mises应力也遵循牙齿位移模式，VLPPP显示最大应力。VL和VLP在牙冠中三分之一至颈部区域显示高应力集中，根尖部分应力几乎可忽略（图4）。三组均显示Von Mises应力随尖牙增量旋转呈线性增加。VL每10度旋转应力值增加约93 MPa，而VLP每增量增加约111 MPa，斜率更陡。VLPPP随步骤增加显示最高应力梯度，约为129 MPa。

图4 VL、VLP和VLPPP组在增量旋转矫正下的应力分布模式。包括侧面观（VL和VLP）和咬合面观（VLPPP），以突出各组在附件几何形态、旋转力学和应力集中区域方面的差异。红色—最大位移；蓝色—最小位移。

附件位移计算为随牙齿位移的绝对位移以及由于施力引起的附件内部变形。附件变形随旋转增量逐渐增加。表3显示在40度旋转时，VL显示最大附件变形，其次是VLP和VLPPP（图5）。VLPPP对附件变形表现出最佳控制，表明力分布均匀，牙齿移动受控。所有组均呈现线性位移模式，VL随增量力增加斜率最陡（0.010 mm至0.039 mm）。Von Mises应力模式与附件变形相似，VL显示最大应力（图6）。所有组均显示应力随每10度增量高度线性和比例性增加。

表3 增量旋转矫正下的附件变形

图5 VL、VLP和VLPPP组在增量旋转矫正过程中的附件变形模式。VL和VLP的正面观显示唇侧和腭侧附件表面的变形，而VLPPP的腭面观突出该配置特有的腭侧压力点。红色—最大位移；蓝色—最小位移。

图6 增量旋转对附件变形和应力的影响。A 附件变形随旋转从10°到40°增加，VL显示最大变形，其次是VLP和VLPPP。B 附件Von Mises应力随旋转成比例升高，所有组显示相当的应力趋势，VLPPP在较高旋转阶段峰值应力略低。

所有组中，牙周膜和牙槽骨内的应力分布随更高的累积旋转激活而比例性增加。VLPPP在40度旋转时显示最高的骨变形水平（表4），表明向牙根的力传递更高，因此在规划CAT尖牙去旋转时需要审慎应用。VL和VLP显示线性和受控的增加（约每10度5.7–6.6 MPa）。VLPPP始终显示更高的应力值，增加更陡（约每10度6–8 MPa），表明牙周膜内更大的力集中。

表4 增量旋转矫正下的牙槽骨应力

VL和VLP显示牙周膜峰值von Mises应力逐渐、受控上升，在40°旋转时分别达到7.66 MPa和8.75 MPa。相比之下，VLPPP在每个阶段均显示更高的牙周膜应力，40°时最大为12.68 MPa，反映沿根面更大的力集中（图7）（表5）。

图7 VL、VLP和VLPPP组在增量旋转矫正过程中的牙周膜应力分布，说明不同附件配置相关的应力集中变化。红色—最大位移；蓝色—最小位移。

表5 增量旋转矫正下的牙周膜应力

讨论

有限元分析通过分析应力分布区域，定量评估牙齿位移方向及相邻牙周组织如牙周膜和牙槽骨的生理反应。有限元分析信息有助于通过预测牙齿移动来改进矫治器设计，但其准确性取决于精确的材料数据和口内环境模拟。矫治器在旋转尖牙等具有挑战性的牙齿时的效能受到接触面积减少的限制，这会影响力的施加并增加可预测尖牙旋转的生物力学约束。首先，有效的旋转矫正需要力偶，这在圆形牙齿上由于缺乏倒凹而难以实现，因为这会损害矫治器在牙齿表面的抓握力。其次，矫治器的粘弹性、口腔温度和矫治器所受力的大小可能导致在产生足够的力矩之前力就已消散，并导致矫治器变形。学术文献表明，与不使用附件的矫治器相比，附件改善了CAT中牙齿移动的控制。本有限元分析旨在评估和比较三种附件设计在促进上颌尖牙去旋转方面的效能。唇侧附件增加表面积，增强矫治器固位并辅助施力；然而，它们不能产生足够的力偶来实现有效的去旋转，尤其是在倒凹极小的牙齿上。这解释了仅使用唇侧附件的VL中观察到的极小牙齿位移。从美观角度看，唇侧附件可能引起患者顾虑。相比之下，腭侧和唇侧附件可以产生平衡的力偶，改善旋转矫正。一项已发表的有限元分析研究明确了旋转矫正中附件的最佳形状和位置，强调了增加腭侧附件以实现更好的牙齿控制。

来自有限元分析研究的第三级数据证实，多面力产生可预测的力偶，对有效的去旋转至关重要，支持了本研究的发现。然而，腭侧附件的放置可能因解剖不规则而影响精度，引起患者不适和咬合干扰，影响依从性。嵌入矫治器中的腭侧压力点提供了一种非粘接的替代方案，为尖牙去旋转提供针对性力。然而，它们的应用可能导致局部应力集中增加，如在VLPPP中观察到的，表明生物力学效能和材料应变之间存在权衡。本研究的发现与先前使用患者特异性有限元分析评估各种矫治器辅助配置旋转性能的研究部分一致。该研究揭示了双面附件的有限有效性，通过腭侧压力点增强了锥形牙齿的旋转。有限元分析结果与D'Antò等人的研究一致，显示VLPPP具有更大的位移和应力，而VLP提供了更受控的反应。这些发现强调了策略性辅助设计在优化临床结果同时保持材料完整性的重要性。VLP和VLPPP显示较低的附件变形，表明双附件增加了表面积并更有效地分布力，从而改善抓握力并减少旋转矫正的应力集中（图6）。相反，仅使用唇侧附件的VL显示最高的附件变形，表明对旋转力的抵抗有限，矫正效率降低。牙周膜和牙槽骨应力水平反映了生物安全性。VLPPP显示最高的牙齿位移，同时牙周膜应力升高，如图7所示。因此，将腭侧压力点与唇侧附件相结合可以提供生物力学上有利的方法，但需要谨慎的临床评估。VL显示最小的应力但旋转效果较差，而VLP显示中等的应力水平和有效的牙齿位移，在生物力学、组织保护和临床可预测性之间提供了良好的折衷。

为进一步将观察到的牙周膜和骨应力置于背景中，对其生物学相关性进行了检查。生理性牙周膜载荷通常用静水压力而非von Mises应力来描述。实验和有限元研究报告，在生理性牙齿移动过程中，静水压力约为2–16 kPa（相当于0.002–0.016 MPa），接近局部毛细血管血压；持续高于该范围的压力与缺血、透明样变和正畸诱导的牙根吸收易感性增加相关。对于牙槽骨，与正畸相容的改建通常与1–20 MPa范围内的von Mises应力相关，而高于20–30 MPa的值代表微损伤或加速吸收的警戒区。在本研究中，旋转尖牙的牙周膜在40°旋转时显示峰值von Mises应力为7.66 MPa（VL）、8.75 MPa（VLP）和12.68 MPa（VLPPP），在较早阶段成比例降低。尽管这些数值反映了极端累积旋转阶段的高负荷力学状态——尤其是VLPPP——但它们应被解释为上限估计值。生物学阈值使用静水压力而非von Mises应力表示；因此，直接数值比较并不适用。此外，模型是静态和线弹性的，捕捉矫治器就位时的峰值载荷，而未考虑牙周膜的粘弹性松弛或热塑性矫治器的时间依赖性力衰减。因此，这些数值反映了附件配置之间的相对生物力学差异，而非牙周病理的字面预测。这些发现表明，虽然VLPPP提供了优越的旋转控制，但大的累积旋转应审慎分步进行，并在牙周支持减少的患者中予以监测。临床上，接近40°的尖牙旋转通常采用分步矫治器治疗并辅以辅助生物力学装置进行处理。因此，本模拟应被解释为在不同附件设计在渐进苛刻旋转条件下的生物力学能力和相对效率的评估，而非单纯的矫治器治疗方案。相应地，报告的牙周膜和骨应力——尤其是在40°旋转时——代表上限值，而VL、VLP和VLPPP之间的比较模式仍然稳健，因为所有配置均在相同假设下建模。

在本有限元分析中，10°、20°、30°和40°旋转增量配置代表累积治疗阶段，大致相当于按每副矫治器2°旋转矫正编程的5、10、15和20副连续矫治器后的净旋转量。在每个阶段，构建一个虚拟矫治器至旋转后位置，然后将其就位于当前牙齿几何形态上，使得由此产生的差异和载荷状态反映该累积旋转下系统的瞬时生物力学状态。该设计允许评估附件配置在去旋转进展过程中的表现，同时保持计算可行性。分配给每个10°阶段（11.8 N）的等效旋转力基于先前文献。虽然临床矫治器通常每副仅表达1–2°的旋转矫正，但本模型使用10°增量代表累积治疗阶段（相当于五副2°矫治器），11.8 N作为每个累积阶段的初始峰值力。这为渐进旋转过程中的生物力学反应提供了保守的上限评估，使得能够有意义地评估随去旋转进展的附件效率。高达40°的较高旋转增量代表在临床场景中严重旋转的上颌尖牙所观察到的累积去旋转情况，这需要额外的生物力学辅助装置配合分步矫治器治疗。该方法增强了研究结果的临床可解释性，并使有限元分析框架与临床实践中矫治器分步设计的方式保持一致，从而为高级去旋转过程中的附件生物力学提供了有意义的见解。虽然本研究重建了整个上颌牙弓，但定量评估仅集中于上颌尖牙。目的是评估不同附件配置在增量旋转矫正中的效率和比较性能。无托槽隐形矫治器产生集成的、全牙弓力系统，但邻接切牙、前磨牙和对侧尖牙的个体结果未在本研究中量化。在矫治器的“集成力施加”下，全牙弓位移和应力传递模式的详细映射是一个重要方面，应在未来的有限元研究中予以解决。

尽管如此，次要移动是无托槽隐形矫治力学中固有的，并为解释尖牙去旋转行为提供了重要背景。既往研究已注意到CAT尖牙去旋转过程中的各种次要移动，如伸长、近远中倾斜和转矩丢失。如果旋转力矢量不通过牙齿的阻抗中心，且矫治器在附件上接触产生伸长力，则会发生不希望发生的垂直向移动，如伸长[37]。VLP和VLPPP具有腭侧附件组件，由于矫治器在远离锥形牙齿阻抗中心的多面附件上的接触产生垂直力，可能表现出增加的伸长（图8）。VL显示最大的远中倾斜，因为缺乏来自腭侧的平衡力，导致倾斜而非整体旋转。与VL中仅使用唇侧附件相比，腭侧附件和压力点改善了转矩控制，支持了唇侧和腭侧附件相结合可增强CAT中牙根控制和旋转稳定性的发现。本有限元模型包含若干简化，这些简化影响计算反应的大小和方向。使用单一标准化牙齿-骨形态和均匀牙周膜厚度限制了患者特异性适用性，因为解剖变异可能产生比预测更高或更低的应力。刚性边界条件可能减少模拟的支抗丢失并适度提高旋转效率，同时低估远场应变。均质牙齿结构的假设略微提高了牙齿刚度，并因此产生牙周膜和牙槽骨内保守的上限应力预测。虽然这些简化影响绝对值，但它们不改变附件产生的比较力系统；因此，关于特定附件设计具有优越旋转效率的核心结论仍然有效。本模拟对牙周膜和矫治器材料采用了线弹性假设，这可能无法完全捕捉其时间依赖性的粘弹性或应力松弛特性。线性建模提供了矫治器首次就位时初始力学反应的可靠近似——代表峰值力状态，这对于评估生物力学安全性和效率最为相关。纳入非线性本构模型可增强未来分析的生物学准确性。未来研究应探索不同牙型、复杂移动、矫治器材料和动态压力施加，以提高临床相关性并优化治疗策略。