无托槽隐形矫治器联合附件扭转下颌左侧第二前磨牙的三维有限元分析

9月前浏览2656

目的:采用三维有限元方法分析无托槽隐形矫治扭转下颌左侧第二前磨牙时，不同附件和不同扭转量对下颌左侧第二前磨牙牙周膜应力及位移影响。

方法:应用CT获得患者下颌骨牙列DICOM文件，运用Mimics、Geomagic Hypermesh等软件分别制备无附件、矩形附件和扭转附件旋转下颌第二前磨牙1.2°、2.5°和3.3°等9个模型，分析下颌左侧第二前磨牙移动趋势及牙周膜应力分布。

1.1 建立扭转下颌左侧第二前磨牙的三维有限元模型

1.1.1 研究对象

本研究以1名正常牙列患者为研究对象，经患者知情同意并签署了患者知情同意书，并获得上海市口腔疾病防治院·复旦大学附属口腔医院医学伦理委员会同意后开展临床治疗(批准号：RA-2019-390),其纳入标准如下：(1)患者颅颌面发育正常；(2)无明显颞下颌关节异常；(3)牙列形态正常，排列整齐，下颌左侧第二前磨牙牙根发育完成；(4)无牙周疾病，无牙槽骨高度异常。

1.1.2 获取患者数据

采用CBCT扫描患者，扫描过程中患者无深呼吸、无移动和无吞咽，取其鼻底到颏底的CT图像数据并保存为DICOM格式文件。

1.1.3 建立有限元模型

将鼻底到颏底DICOM文件导入Mimics(Materialise Software, Leuven, Belgium)软件中，设置阈值，并对图像进行编辑、分割、修补，获得完整下颌骨及牙列的点云模型，保存并生成STL文件，再将STL文件导入Geomagic Studio软件中去除孤立点、降噪、封装、填充、消除局部特征和光滑处理，获得患者下颌骨和下颌牙列的实体化模型。牙根表面沿其法向向外扩大0.2 mm后与原牙根模型使用布尔运算减法获得牙周膜实体化模型。根据下颌牙列三维数字化模型打印树脂原型并填蜡，扫描并获得有牙龈的三维数字化牙列模型，将其导入Abaqus分析、计算和压膜，获得0.75 mm厚隐形矫治器三维数字化模型并导入Geomagic Studio经过精确曲面处理获得隐形矫治器实体模型，矩形附件和扭转附件在CATIA软件中设计，并保存为STL格式文件，其三维有限元各部件模型(图1)。

Cortona等[4]研究报道无托槽扭转前磨牙时，1.2°扭转量牙齿扭转效率高于3.0°时牙齿扭效率，而普盼君等[5]研究证明无托槽隐形矫治扭转牙齿时，牙齿扭转量在3°～8°之间可获得较高表达率，而临床实践中前磨牙扭转量常设计2.5°和3.3°时，扭转前磨牙可获得较高表达率。因此，在本研究中，下颌左侧第二前磨牙扭转设计1.2°、2.5°和3.3°扭转量，建立A、B、C、D、E、F、G、H和I 9个扭转下颌左侧第二前磨牙有限元模型。模型A—无附件扭转下颌左侧第二前磨牙1.2°;模型B—无附件扭转下颌左侧第二前磨牙2.5°;模型C—无附件扭转下颌左侧第前二磨牙3.3°;模型D—矩形附件扭转下颌左侧第前二磨牙1.2°;模型E—矩形附件扭转下颌左侧第二前磨牙2.5°;模型F—矩形附件扭转下颌左侧第二前磨牙3.3°;模型G—扭转附件扭转下颌左侧第二前磨牙1.2°;模型H—扭转附件扭转下颌左侧第二前磨牙2.5°;模型I—扭转附件扭转下颌左侧第二前磨牙3.3°,各组模型旋转方式见图2。

1.1.4 材料属性

牙槽骨、无托槽隐形矫治器、牙齿、牙周膜和附件弹性模量和泊松比参考以往研究[4,5],其参数设置见表1。

1.1.5 网格划分

本研究将A、B、C、D、E、F、G、H和I 9组模型导入Hypermesh (Altair, USA)软件中进行网格划分，选用等腰三角形四面体单元格，网格大小设计0.5 mm, 将各组模型进行网格划分并组装，无托槽隐形矫治器、牙齿、牙周膜和附件磨牙远移有限元模型的单元总数为和节点总数见表2。

1.1.6 接触条件

按照上述各组模型模拟隐形矫治扭转下颌左侧第二前磨牙，牙槽骨周围设置固定约束，牙与牙周膜、牙周膜和牙槽骨之间为Bond接触关系，矫治器与牙齿之间为Frictional接触关系，摩擦系数设为0.2,隐形矫治器不添加任何载荷条件和约束。将下颌骨、下颌左侧第二前磨牙和下颌前牙施加固定约束，并将3个方向平移自由度和3个方向旋转自由度六均设为0,即在矫治器施加载荷其不会产生位移。

1.2 空间坐标系建立

为了明确扭转下颌左侧第二前磨牙度数，以下颌左侧第二前磨牙连线与腭中缝交点为坐标轴原点，建立一个三维方向上的坐标系。X轴指向颊、腭侧的冠状轴，指向第二前磨牙颊侧为正值，指向腭侧为负值。Y轴指向唇腭侧的矢状轴，腭侧为Y轴正轴，唇侧为Y轴负轴。Z轴指向上下的垂直轴，向上为Z轴正向，向下为Z轴负向。

1.3 加载条件

9组模型中，A、D和G三个模型将下颌左侧第二前磨牙逆时针扭转1.2°;再生成前磨牙发生相应位移无托槽隐形矫治器，然后模拟无托槽隐形佩戴在牙齿上使牙齿扭转。模型B、E和H按照上述方法建立无托槽隐形矫治扭转2.5°模型，并模拟临床佩戴过程。模型C、F和I按照上述方法建立无托槽隐形矫治扭转3.3°模型，并模拟临床佩戴过程。

结果:各组模型下颌左侧第二前磨牙牙周膜应力云图分布相似，但附件组应力值明显大于无附件组，扭转附件组>矩形附件组，且3.3°>2.5°>1.2°,各模型中牙周膜应力最大值为10.15 MPa,最小值为6.106 MPa;各附件扭转下颌左侧第二前磨牙旋转移动时，各组位移量大小为扭转附件组>矩形附件组>无附件组，2.5°>3.3°>1.2°,各模型中下颌左侧第二前磨牙最大位移值为1.439×10-2 mm,最小位移值为9.15×10-3 mm;且牙齿呈一定倾斜和压低移动趋势。