无托槽隐形矫治器联合微种植体内收并压低上前牙的三维有限元分析

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目的：运用三维有限元技术研究无托槽隐形矫治器联合微种植体内收并且压低上前牙时，使用不同方式的微种植体牵引的治疗效果差异。方法：获取患者上颌骨及牙体等锥形束 CT 数据，使用 Mimics、Geomagic、Solidworks和 Ansys软件建立所需要的三维有限元模型以及无托槽隐形矫治器。根据微种植体的设计不同，分为4 个实验组。第 1 组为空白对照组；第 2 组在上颌双侧第二前磨牙和第一磨牙之间各植入一颗微种植体，在双侧尖牙牙套上沿内收方向加 0.98 N 的力；第 3组在第 2组基础上，在中切牙之间植入一颗微种植体加力 0.98 N 压低上前牙；第 4组在第 2组基础上，在双侧中切牙和侧切牙之间各植入一颗微种植体加力 0.56 N 压低上前牙。对各组进行受力分析，比较不同位点植入微种植体牵引加力时前牙转矩的改变、运动趋势以及应力分布。结果：4组中所有上颌切牙皆表现出内收和压低的趋势，且伴有不同程度的转矩改变。第 3组上颌中切牙及侧切牙在矢状向冠根位移差最小，第 4 组上颌中切牙及侧切牙压低值最大，第 2 组最大应力集中值最大。结论：将微种植体植入上颌中切牙之间进行牵引更利于转矩控制；而植入上颌中切牙与侧切牙之间并联合前牙垂直牵引时更利于单纯压低，在一定程度上避免了“过山车”效应。

[关键词]

三维有限元；内收；上颌前牙压低；微种植体；无托槽隐形矫治器

采集患者锥形束 CT （cone beam computed to‐mography，CBCT）数据，扫描间距 0.25 mm。将CBCT 扫描所得数据以 DICOM 形式导入 Mimics19.0 软件中，使用阈值调节、分割模块、区域增长、剪裁蒙版等指令进行三维重建，提取上颌牙槽骨、上颌牙体组织。最后输出 STL 格式文件并且导入 Geomagic Wrap 2017 软件进行优化修复，并且在此软件中以原模型尺寸均匀扩大0.25 mm及0.75 mm以用来分别建立牙周膜素材及无托槽隐形矫治器素材。将每个优化完成的部分以 Step 格式文件导入 Solidworks 2017 软件，以零件形式另存后进行布尔运算建立完整牙周膜数据，在此去除双侧上颌第一前磨牙（图 1）。再模拟隐形矫治技术附件系统将水平矩形附件（高 2 mm，宽 3 mm，厚 1 mm）置于双侧上颌侧切牙，而双侧上颌尖牙、第二前磨牙、第一磨牙、第二磨牙都设计放置垂直矩形附件（高 3 mm，宽 2 mm，厚 1 mm）。最后保存为 X_T 格式导入 Ansys Workbench 19 软件进行受力分析。

隐形矫治器设计参照 Jiang 等[16]的研究，同时通过试验结果逆向推出实验条件的方法以确立转矩等的预设标准，经反复在有限元分析中实施不同条件比较，以及在正畸矫治过程中观察，最终将无托槽隐形矫治器素材中切牙加0.5°正转矩后整体向内收方向移动0.25 mm 且垂直向压低 0.2 mm 进行布尔运算后建立隐形矫治器。

Ansys应力分析以及相关设置在 Ansys Workbench 19 软件中选择 Static Struc‐tural模块后设置材料属性与接触关系，本实验设置各材料（表 1）[7]与组织为均质线性弹性体，导入X_T格式的装配文件后设置颌骨底面边缘的节点，使其在所有方向上的运动均受约束。将牙齿及牙周膜、牙周膜与牙槽骨定义为不分离关系，牙体之间定义为无摩擦，牙体与隐形矫治器之间定义为摩擦，摩擦系数为 0.2。标记出中切牙切嵴中点、侧切牙切嵴中点、尖牙牙尖顶点和前牙根尖顶点，以此观察不同方向上冠根位移变化。根据微种植体的设计不同，试验分为 4组[5,17-19]（图 2）。第1组：空白对照组；第2组：在上颌双侧第二前磨牙和第一磨牙之间各植入一颗微种植体，在双侧尖牙隐形矫治器上沿内收方向加 0.98 N 的力；第3组：在双侧第二前磨牙和第一磨牙之间各植入一颗微种植体，在双侧尖牙隐形矫治器上沿内收方向加力 0.98 N 的力，并且在中切牙之间植入一颗微种植体加力0.98 N压低上前牙；第4组：在双侧第二前磨牙和第一磨牙之间各植入一颗微种植体，在双侧尖牙隐形矫治器上沿内收方向加0.98 N的力，并且在双侧中切牙和侧切牙之间各植入一颗微种植体加力 0.56 N 压低上前牙。微种植体植入部位均位于距牙槽嵴顶 8 mm[17]。水平向牵引都施力于尖牙近中颈部牵引钩，垂直向牵引都模拟临床上橡皮筋从前牙区微种植体到双侧中切牙矫治器舌侧龈缘处进行牵引。对各组进行受力分析，比较不同位点植入微种植体牵引加力时前牙转矩的改变、运动趋势以及应力分布。