多曲方丝弓矫治技术及面中部牵张成骨术的三维有限元研究

多曲方丝弓矫治技术及面中部牵张成骨术的三维有限元研究 上海交通大学 博士后学位论文多曲方丝弓矫治技术及面中部牵张成骨术的三维有限元研究 姓名:王冬梅 申请学位级别:博士后 专业:机械及理论 指导教师:王成焘 20021201上海交通大学博士后研究工作报告 中文摘要 摘 要 本文基于,,断层扫描技术、,,,图形与图像处理技术及高级有限元建模与分析技术，建立了带有多曲方丝弓矫治器、理想弓矫治器及,,,,方弓矫治器的正常猞牙列三维有限元模型;并建立了一骨性，，，类面型年轻女性的面部多层软组织三维有限元模型。 采用三维有限元法对后倾弯多益方丝弓、理想弓和,,,,弓在无牵引力、长，，，类牵引力、长，，类牵引力和短，，类牵引力作用下矫治的生物力学效果进行了分析，在此基础上研究了多曲方丝弓的整体力学特性，揭示了其矫治特点，探讨了其作用机理。 对牵张成骨手术的,,,,,, ，、，，、，，，型三种手术进行了三维有限元仿真，预测了术后面部软组织变化，并确定了颜面部特征点变形和截断骨块牵移量的比例;定量分析了,,,,,,，型上颌复合体截断骨块前移的阻力中心位置。通过以上研究工作，本文得到下列创新成果:,(考虑托槽对矫治效果的影响，建立有托槽的方丝弓矫治器的全牙列有限元模型。该模型具有模块化结构且具有良好几何相似性和材料相似性，可以适用于多曲方丝弓矫治技术的仿真，亦可移植于其它弓丝矫正技术的研究。,(理论证明多曲方丝弓的生物力学特性明显优于理想弓和,,,,弓。使用多曲方丝弓矫治有利于下颌,,,,氏曲线的整平:其传递牵引力的能力较另两者强:多曲方丝弓受短牵引力时减少了磨牙的伸长，同时也降低了传递到前牙的作用力;此外，多曲方丝弓亦有利于对牙齿的个别调控，减少了托槽间的相互干扰。,(在,,,,弓上应用多曲方丝弓技术进行改良要通过提高支抗部分的负荷挠曲率，并降低作用部分的负荷挠曲率来实现。,(建立了面部多层软组织的几何模型和三维有限元模型。该模型既保证了多层软组织的临面贴合且具有与面部解剖结构和各种软组织分布特点符合的良好几何相似性。同时，通过模型面剖分保证了位移边界和载荷条件相似性。,(,,,,,, ，、，，、，?型术后软组织的变化区别表现为由截骨范围不同而引起的颜面不同范围内的软组织前移。,,,,,, ，型牵张成骨术后鼻唇角有增大的趋势;但,,,,,,，，、?，型手术术后鼻尖点位移变化和上唇变化一致，鼻唇角改变不大。,,,,,, ，、，，、?型各型手术术后，磨牙区、口角软组织和下唇都分别有一定程度向前、向下的移动量。,(,,,,,, ，型截骨牵张成骨术中骨块前移阻力中心的位置位于正中矢状面上，上海交通大学博士后研究工作报告 中文摘要高度约相当软组织,点(,，)水平，前后位置约在通过软组织,点，且沿与,,平面平行的线向后,,—,,,,的范围内。关键词:多曲方丝弓，牵引，负荷挠曲率，牵张成骨术，阻力中心，面中部 软组织。 一，，上海交通大学博士后研究工作报告 英文摘要 ,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,, ,,;,,,,,(,,,,),,,,,,, ,,;,,,？,, ,,, ,,,, ,,,,,,,,, ,,,,, ,,,,,,,, ,,,,,,,, ,,,,;;,,,,,, ,,;;,,,,,,,,，,,,;, ,, ;,,,,,,,,, ,,, ,, ,,,,,,, ;,,,,,,,,,, ,,,,, ,, ,,,,,,,,,,;,(,,,, ,,,,,,, ,,,,,, ,, ,,,, ,,;,,,,,,,,,, ,,,, ,,,, ,,,,,,,, ,, ,,,, ,,,,,;,, ,,,,,,,,, ,,, ,,,,(,,,, ,,,,, ,,, ,,,,,,,, ,,,,,,,,,,;,,,, ,,,,,,,, ,,, ;,,,,,, ,,, ,,,,,,,,, ,,,,;,, ,, ,,,,?〔,,,，,,,,, ,,;,,,,,,,, ,,,, ,,;,,,,, ,,,, ,,, ,,;, ,,,,, ,, ,,, ,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,, ,,,, ,,,,,,,,,,, ,,;,,,,,, ,,也,,,, ;,,,, ，， ,,,,,,;,(,,,,, ;,,,, ，， ,,,,,,;, ,,, ,,,, ;,,,, ，，，,,,,,,;, ,,,,,;,,,,,, ,,,,, ,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,, ,,,,,,,(,,,)( ,,,,,,;,,,, ,,,,,,,,,,,, ,, , ,,;,,,？,, ,, ,,, ,,,, ,,,,,,,,, ,, ,,, 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囱,,,,年,,,,,医师创建世界第一所正畸专科学校越，口腔正畸学作为口腔医学的一个分支学科，已经历了一个多整缎静发震,秘”。在最窃,,多年中，矫治器的发展疆受关注，其中北美方丝弓瓣治器和欧洲功能矫治器的发明无疑具肖突破性，前者实现牙齿移位三雅控制，为建立良好的治关系提供了保证:后者鞘予早翅治疗，对颤鸯豹生长进行调控。姥嚣,,年孛，错狳碴形的诊鼗与戆治设计成为研究热点，,线投影测蹩技术的问世对口腔正畸学的发展影响深远。以,,,,,受代表耱器耱疆狯跨形诊溉方法与戳,,;,,,,,大举为代表薛矮蠢生长发育的纵向研究等，对口殷正畸学的发展起到了重要推动作用，这然均建立在,线投影溯量纂穑上酶。诧阶段中阀世酶,,,,矫治器与,,,,,,,功能矫治器，嗣以鲜明的特，征在正畸学中占有自融的位攫。近几十年中【,“,，在正畸学科领域内可称上宥深远影响或对学科发展材重要推动作用的进展有四项:宜接粘合技术、镀金金矮治弓照、壹丝弓娇治器、外科与正琏联金矫淤牙颤疆畸形。,,年代以裁，固定矫治器采用多带环技术，费用高、耗时耗力、不利于口腔卫生，且有碍美观。,,年代鼓霰窭凌纛接穗合技术，镬歪靖貉庆络寨了喾环露代,豫黪茅繁环乡,)，麓被公认为正畸领域“继,,,年前,;,,,,发明带环之后的最大突破”;钛合金矫治弓丝柔和丽持久静矫治力霹浚弦进牙移动,匿不会对牙齿造成伤害，该弓缝静应厢使正峨临床发生了深刻变化，并与同时代的囊丝弓矫治器,起，最大限度地减少了在弓丝上弯制弹簧曲，降低了治疗成本和患者的不适感:直丝弓矫治器是在方丝弓矮治嚣基础上发展起来约，在对,,,名寒经正嚷治疗瓣正常狳者牙泼形态钱置进行测爨研究威，,,,,,,,提出了厩常猞的,项标准，宪善了,,,,,难常殆标准劳豁筵隽依撂，手,,年我秘发唆,囊丝弓娇治嚣，嚣蔫疆霖上蔹然广泛傻攘直丝弓矫治器。可以相依，直效弓矫治器对来来的正畸治疗和矫治器发展将产生深远的影响，毽正漪治疗蹙有戳度懿，严重鼹黉往错猞依然长麓嚣撬蔫正畸医舞。二十世纪,,年代以前，尽管懒床上已采用外科手术矫正严重颁骨畸形，但术式单纯，主要针对下颌，入口多在口外，正畸聪师并不参与治疗工作，治疗效暴亦难以令人瀵意。最近,,年【”,，外科与正畸密切结合，逐濒形成了现代外辩一正畸逮,新领域，其发展为严重骨性错舱患者带来了最佳的治疗效果，是单纯正畸襄肇缝手术都不霹筢达到匏。麓霹，宅也成为学科之闽胡互莲舞、紧密深入合俸上海交通大学博士后研究工作报告 第一章绪沦的先例，无论对正畸学，还是对颌面外科学，其贡献都将产生深远的影响。 目前，世界各国在正畸，临床中使用最广泛的是固定矫正器，而矫治弓丝是矫治器的主要功能部分。在矫治过程中正是通过矫治弓丝在变形过程中产生持续而具有一定大小的弹力控制牙齿的移动，咀达到矫治的目的。根据材料，矫治弓丝可分为黄金弓丝、不锈钢弓丝、钴铬合金弓丝、镍钛弓丝和玻璃纤维弓丝?“,根据形状，矫治弓丝可分为方丝、,,,,细丝和直丝。基于以上三种弓丝的固定矫治器主要有方丝弓矫治器、,,,,细丝弓矫治器和直丝弓矫正器。方丝弓矫正器(,,,,,,,, ,,,,,,,;,)最早由,,,,,于,,,,年提出〔,,,,:,,,,年，,,,,,〔”,,首先提出以拔牙矫治为基础的,,,,,方丝弓矫治技术和,,,,,渗断三角方丝弓矫治技术:随后，,,,,,,,,,,〔,,,,经过几十年的努力，对经典,,,,,进行改良而发展为,,,,,—,,,,,,,,,矫正技术;多曲方丝弓技术 (,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,，简称,,,,)是由美籍韩裔口腔正畸专家,,(,,,,, ,,,于,,,,提出，该技术在矫正严重开拾取得非常有效的矫治效果，随后大量研究报告了,,,,矫正技术在各类错猞中的应用，特别是在矫正最后一期时的应用取得了惊人的结果，甚至被一些人称为不可思议的魔术。直丝弓矫治器根据托槽不同可以分为,,,,,,,直丝弓矫治器、,,,,直丝弓矫治器、,,,,,,(,;,,,,,,,,改良直丝弓矫治器和,,,,;,,,直丝弓矫治器唧,,，直弓丝矫治器借鉴方丝弓矫治技术的优点，通过对矫治器托槽和颊面管的改进，简化了临床操作，提高矫正效果，但对于一些特殊病理如开殆、复杂错猞等，,,,,则可以取得更好的矫治效果。 ,,,,矫正技术由,,(,,,提出【册,,，大量临床病例实践显示出其独特的机理和疗效，特别是对一些看来需要做手术治疗的疑难病例，为正畸医师带来了惊奇。但多曲方丝弓也有弯制费时、不易口腔清洁等缺陷。临床上，有学者开始尝试在,,,方丝上运用,,,,技术来代替,,,,弓，同时也有医生提出，短牵引优于长牵引，不会引起后牙的伸长，但都缺乏理论依据。基础研究方面，国际上专家学者对,,,,弓整体力学性能进行分析，对不锈钢丝、,,,,方丝、,,,方丝与,型曲的局部力学实验，并对,,,,矫治的生物力学效果进行光弹实验研究和简单模型有限元分析，但分析结果不尽相同，亦缺乏对比研究:国内学者对,,,,研究则仅限于临床应用。因此，本文拟采用,,,建模技术和三维有限元分析技术对,,,,弓矫治技术的生物力学效果进行理论研究，比较分析,,,,弓与理想弓、,,,,弓在不同牵引力作用下矫治的生物力学效果差异，为探讨,,,,矫正技术的矫治机理和,,,,技术在,,,,上应用提供理论依据，并为改良和发展,,,,技术奠定基础。 骨牵张成骨术(,,,,,,;,,,, ,,,,,,,,,,,,，,,)的概念最早由,,,,,,,,,于,,,,年提出【,,,,，但并未引起重视。直到,,年代，原苏联医生，,,,,,,,通过技术改良实现长骨延长，才使该技术得以广泛应用,,,,〕。自,,年代开始，一些学者相继对上海变通大学博士后研究工作报错 第一章绪论动物进行上下颁骨牵张成骨术的实验取得成功…?,„引。,,,,年,;,,,,,,等,。,,,最先缀遘舔窳愚蠢下鞭嚣爨牵张戏嚣术，随后箕毽学誊也采蠲牵张残置装置治疗颌骨发育畸形【叭,。“,,。这些基础研究和临床报道主要探讨了骨骼结构的牵引延长，许多有关颓颤瑟骨牵张藏嚣静牵张豢剩都是詹搿曹科麓生在长管延长实黢中所创造的牵张法则„,,,啦,,。但颅颁面部血管傲觑丰富、骨几何形状复杂，畸形矫治的荚学及功能要求高，要使零张成管术成为正颔辨乖毕主流手术方法，必须禳稽颁颁疆的然刑特点对颁颁西牵张成骨术的牵《，方向、牵引嫩、牵张术后软组织铡貌改变等进行进一步研究。本文拟阱一骨性，，，类锚抬面溅年轻女性颅颌面软、硬缀织为礤究对象，采鬟计募搬手术模拟技术对颁敛嚣牵张或嚣零进行三缍毒限元仿真，研究,,,,,, ，型、,,,,,, ，，型和,,,,,, ,，型截骨牵张成骨术中软组织的交形与截雷谴蚤、牵季,方自静关系，并对,,,,,,,鳖截释牵张袋学术牵张蠢誊移阻力中心进行研究，为颅颁面零张成骨术的预测探索一条新途径，为手术牵引原则掇供理论依裾，提高手术的效率和成功率。 ?,一,多益方丝弓矫治技术研究避震与瞎床庭霜概况 多藏方丝弓(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,，篱穆,,,,)是渡圭顿,,,,,大学牙医 学院的,,,受,,,,,方丝弓矫治原理的启发，在二十世纪六十年代的后期提出孵”。以后经过二十多年酶姘究、实践，在对大量福寐病例避行分类、头颅、坝《量指标分拶于统计、疗效,,较綦础上，,,,又提出了四项诊断指标:覆狯深度指标(,,,,,,,, ,,,,, ,,,,;,,,,，简称,,，)【。,、前后向不调指标(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,;,,,,，楚称,,,，)〔,,,〕、综会霆索(;,,,,,,,,,, ,,;,,,，麓懿,,)〔,,,,,,,,和拔牙指数(,,,,,;,,,, ,,,,,，简称,，)〔,,,,，为从头颅侧位片上来判定患者上下颧鸯垂壹肉、蓠蒸离关系提供了耨懿粼定标准，荠瓣是否羧蒡辨澹提镶了参考攫标。,,,,年，,,,〔,,,】开创性地提出用,,,,加攀直牵引矫治汗猞病例，扩大了,,手术瀹疗静范围，隧后大麓研究缀告了,,,,矫正技术在备类锋猞中静应用。在众多学者的推动下，这种被称为“妙”的矫治技术逐渐得以完善，形成了完懿的多黼方丝弓矫治技术。,(,,轰,弓驽裁艄,,淄, 首先必须进行牙列准备，消除旋转、间隙、拥挤，或调整挝置不能豹托横，然后再用,,,,弓。,,,〔?,,鼹早发明,,,,技术时，应用,(,,,,槽沟的牧翼援辖，,。,,,,×,(,,,,豹鬏营，及,(,,,,,,，,,,,熬弓丝。每个魏熬形态均为,形，尺寸如图,，,所示。每个曲完成盾，必须检查各个细节:每个牙的唇舌两或颓羲囱禳菠、双翻辩称经、垂豢部势翔羚避免压遍龈组织。然后在雩缝土上海交通大学博士后研究工作报告 第一章绪论加后倾弯，这依所需的轴倾斜矫正度而定。系列的后倾弯从第一双尖牙开始，向后延伸到最后磨牙，通常的后倾弯是每个牙,,,。。完成后的上颌,,,,弓呈现出明显的,,,,氏曲线，下颌为反,,,,氏曲线。最后把弯制好的弓丝在,,,。,(,,怠,茫?穆 腥却 恚撤种樱 栽黾庸 康母招裕 缓蠼 糠湃氲缃獬刂信坠猓得胫印?在牙弓上单独运用,,,,弓时，分别压低前后牙齿，当在尖牙近中曲上用,,,,时(,,,)的橡皮圈垂直牵引时，闭口时有,,,力，张口时可产生,,,,的力，使前牙伸长，同时加强后牙的竖直效果。 ,匝(彦，〕“,咿,, ,;已,工,,，鞫,,?,,,,, ,,,,, 未矗已,:::～,当击璺击野生?? ,,,,,,,，“,, ,,,,—,, , , , , , , , , , , , , , , , (,,, ,(?,“,,?,,? ,【唧由,,酗旺,,脚,—门:,, ,,,稼 ,(,,( , , , , , , , , , , , , ,„, , , ， , , ?一,,,,,,, ”,,?,( ,(啦,,,? (口,, 图,,,多曲方丝弓尺寸图(单位:英寸)…, ,,,(,—, ,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,, ,, ,,,,(,,,,:,,;,),(,,,,矫治技术的矫治机理 ,,,〔,,,】认为，每个牙的移动必须在每个方面都完全控制:垂直向、水平向、旋转和转矩。,,,,产生了后牙的分别移动和前牙的整体移动。曲的功能有: (,)牙间的曲明显降低了弓丝的负荷挠曲率，约为同尺寸理想弓型的,,,,。 (,)部分(前后腿)在托槽间有中断，使牙齿能分别移动。 ,,)曲的水平部分允许对每个牙的垂直关系进行控制。 (,)矩形弓丝控制每个牙的转矩，多曲给每个牙以独立的转矩移动。 (,,弓丝后牙段的后倾弯竖直后牙。 前面垂直牵引伴后倾弯矫治了猞平面，这样就关闭了开猞。,(,矫治力的方向 ,,,,,,,,,和,,,,,,〔,,,,用三维光弹法进行,,,,与方丝理想弓的比较研究表明，后牙加同样角度后倾弯,,,,与理 想弓对牙列的作用明显不同:,,,, 弓以第一、第二双尖牙之间为界，前、后牙分别向前、后旋转，对侧切牙、尖牙 有压入力，对两双尖牙有伸长力;理想弓以第一、第二磨牙之间为界，分别产生 前后向旋转力，对侧切牙、尖牙、第一双尖牙、第二磨牙有压入力，对第二双尖上坶交通大学博士后研究工作报告 第一章绪论牙、第一磨牙有伸长力。 加垂直牵引后，,,,,弓对尖牙之后的牙都有后旋后倾作用;理想弓则仅对第二磨牙后旋后倾，对第一磨牙前旋，对侧切牙到第一磨牙都有伸长作用。,(,矫治力的大小 ,,,,,,,,,和,,,,,,〔,,,,研究发现，,,,,对牙列产生的应力要小于理想弓，这是因为,,,,降低了弓丝的负荷挠曲率(,,,, ,,,,,;,,,, ,,,,,(简称,,,)。南东锡〔,,,,的有限元研究发现，理想弓的,,,为,,,,时，,,,,的,,,为,,(,,,，,,—,,为,,(,,,，从整个弓丝看，,,(,,的,,,最低。但,,,,等〔,,,】的实验研究发现，以托槽间的局部区域来比较，,,,,与理想弓、,,(,,、和,,,的,,,比为,:,(,,:,(,,:,(,,，说明,,,,在后牙托槽间的,,,更低，更有利于后倾竖直后牙。 ,,,,,,等〔,,,,的光弹法对，，类牵引的研究发现，对没有后倾弯的,,,,和理想弓加同样大小、角度的，，类牵引，,,,,产生的后倾力大于理想弓:而伸长前牙的力却小于理想弓。可见，同样后倾磨牙，,,,,所需的牵引力比理想弓要小得多。 ,,,,的不利作用:,,,,加垂直牵引会引起切牙伸长，加，，类牵引则引起切牙伸长、舌倾。虽然这些作用对治疗不利，但由于比理想弓的同类牵引所需的力要小，所以产生的不利作用亦较小。,(,,,,技术矫治各类错猞的特点及疗效 ,,,,自,,,,年被,,,〔,,,〕首次报道用于治疗严重开猞病例以来，就形成,,,,可以用来治疗任何错猞的观点，特别是用于治疗的最后阶段。以下就,,,,用于难治性开治、，，类和，，，类错猞加以论述。,(,开猞 ,,,〔,,,】认为，开猞的病症之一就是后磨牙的干扰，并用上颌加强,,,,氏、下颌反,,,,氏的,,,,弓加尖牙区垂直牵引，成功矫治开猞。,,,等【,,,,干?,,,,,等〔,,,,研究发现,,,,对非生长组》,,岁)开猞的治疗是通过竖立后牙和改变猞平面实现的:上下猞平面汇聚，覆验增加，覆盖减少，上下切牙内收、伸长，切牙角增大，上下磨牙明显直立。,,,,不仅防止了后牙的伸长，而且压低了上磨牙【,,,,或下磨牙〔,,,,。这些牙槽变化模仿了自然的牙槽补偿机制，与高角正常覆耠者的情况相似„,,,,〔,,,,。两年后随访，疗效相当稳定【,,”。 在生长组(,,,岁)，牙性改变中无磨牙压低，而有下磨牙萌出;并有骨性改变，前下面高、前上面高明显增大，腭平面角略增加。两年随访，覆猞深度指标 (,,,,,,,, ,,,,, ,,,,;,,,,，,,,略有降低，覆殆无明显变化【,,,】。由于生长组颅颌面骨骼仍在生长，长期疗效需进一步研究。,(,?类上海交避丈学博士盖硪究工作报告 第一章鳍娩 酝,,影浍疗,,类错狯，矫浚初期，下颌髑,,,,弓有利于压低下甥牙，熬平,,,,氏曲线:矫治后期用,,,,时(,,,)橡皮筋短，，类牵引来矫治前后向不调，镬上靛牙内牧,孛长，猞平覆蕨时针旋转。此井，在垮,,类,分类转交为,,类,分类时，上牙弓上用反曲,,,,(,,,,,,,(,,,,,, ,,,,，即曲的水平部分向远中)，,登虢毓中、铡韬牙阉开始虱尖牙懿邋中，簿德三个(扶尖牙舞第二蘑牙，每个牙的弓丝伸抬,,,,,， 这种殴计可夏有效地压低、前倾上前牙【,”,。 ，，类牵弓,联合,,,,弓可有效地骚直后牙、控制后牙转矩，使上前牙内收馋长，重建了蹬乎薅，馒验平面顺时针旋转。,(, ，,，类 引起爨炎镑猞瓣葭索除了懿最肉爨素外，还煮羹囊自方瑟黪,?曩题。并掺墨，后牙不调是骨性，?粪错秸发育的道要原因，是第二、第三磨牙在有限的空间内相继萌溉，影滴了猞乎压薪教辩,,,,翻。，,,,,,治疗适应症热:轻度或中霞释性瑾,类错验，下颌水平向前突不严重:前牙反覆盖不大;下后牙,,眨中倾斜;高角病例，有开狯倾〔訇,,,,,。其矫治的基本力学系统是蹿靳,:?压低并竖赢后牙，重建袷平面，下颌嚣向后褥定位;?下颂的再定位可能赡止髁突的再生长;?上领可以岛翦下伸展。 为了防盘綮乎露的降僬，,,,,〔,,,,与,,，,,,,,,嚣，,,,,,〔,,,,认秀短疆粪牵引德于长，，，类牵日，。魏松和傅民魁〔,,捌还提出上颌用粗方丝，通过将磨牙颊面管与, 莛连魏，使上牙弓残隽一个整体，横腾弓(,,,)静疲熏，甚至鼙羚弓麓零等方法来防止上麟牙伸长。 狯平蔼变平是矫治普性前牙反猞的关键。魏松捐傅民黻汹冠的研究发现，瓶，，，类牵引加前牙纛直向下牵引，可以压低或保持后牙高.