不同大小的后方牵引力对鼻上颌复合体影响的三维有限元分析|窦口鼻道复合体

　　[摘要]目的：探讨不同大小的后方牵引力与鼻上颌复合体内部应力分布及位移的关系，以达到为临床矫治力的选择提供科学依据的目的。方法：利用有限元软件ANSYS10.0在鼻上颌复合体三维有限元模型上分析5种大小的后方牵引力对鼻上颌复合体内部应力分布和位移的影响。结果：随着后方牵引力值的增大，A点和ANS点向后位移也逐渐增大，而N点向前移动，但N点的位移量很小，变化呈线性关系。且A点、ANS点和N点的应力值也逐渐增大。结论：施加不同大小的后方牵引力，鼻上颌复合体的应力和位移随牵引力值的增大而增大，而每侧3～5N后牵引力即可引起上颌骨明显的后方移位。
　　[关键词]后方牵引力；鼻上颌复合体；三维有限元方法；位移；应力发布
　　[中图分类号]R783 [文献标识码]A [文章编号]1008-6455（2011）01-0055-03
　　
　　Three dimensional finite element (3D-FEM) study on the influence of different sizes of distally-directed force for nasomaxillary complex
　　CHEN Jiang-hao1,2,ZHOU Hong2,DAI Quan2
　　（1.Deptement of Stomatology,The First Affiliated Hospital of Xi"an Jiaotong University,Xi"an 710061,Shaanxi,China;2.Orthodontic department,Stomatology hospital of Xi"an Jiaotong University）
　　
　　Abstract: Objective To investigate the relationship between the displacement and stress distribution in the nasomaxillary complex and the strength of distally-directed extra-oral forces, to provide the scientific basis for the selection of orthopedic force in clinical treatment.MethodsFive different sizes of distally-directed extra-oral forces were added to the model of nasomaxillary complex, usingANSYS 10.0 software to analyse the displacement and stress distribution in the nasomaxillary complex. ResultsWhen the strength of distally-directed extraoral forces increased, A point and ANS point"s distal displacement was added, and N point moved to mesial, but it was displacement very potty. All of the changes were linearity and the stresses of A, ANS, and N points were added as well.Conclusion When the strength of distally-directed extraoral forces increased,the displacement and stress distribution of the nasomaxillary complex also added, and 3～5N force caused the maxilla distally displacement clearly.
　　Key words: distally-directed extraoral forces; nasomaxillary complex; three-dimensional finite method; displacement;stress
　　
　　1866 年 Kinsley 首先使用了口外弓治疗牙齿前突。在20世纪40 年代由于头影测量技术的产生和发展，使许多正畸医师充分认识了口外力在矫正过程中的重要作用。后牵引矫形治疗成为临床上常用的抑制上颌骨过度发育的矫治手段之一。本研究采用三维有限元法探讨不同大小的后牵引力与鼻上颌复合体内部应力分布及位移的关系，为临床矫形力的选择和设计提供生物力学依据。
　　
　　1材料和方法
　　1.1鼻上颌复合体三维有限元模型的建立：有限元法的关键是模型的建立，建模的一般过程为：先获取颌骨的断层图像，将图像输入计算机后对其进行处理，获取建模时所需的轮廓线的坐标，将坐标数据输入建模软件，建立三维实体模型。再对实体模型划分节点和单元，从而建立三维有限元模型[1]。本研究采用多排螺旋CT对一恒牙列早期骨性安氏II类患者进行扫描，利用原DICOM数据通过Mimics软件建立颅面复合体三维几何模型，然后利用有限元前处理软件Patran对其划分体网格，再导入Mimics软件对其赋材质，最终形成符合生物形态和生物力学特性且便于应用和计算的三维有限元模型[2]。所建的鼻上颌复合体三维有限元模型，共计87 554个节点，436 432个单元（如图1）。本实验设定模型中各材料和组织为连续、均质和各向同性的线弹性材料，材料变形为小变形。
　　1.2加载部位及载荷条件：模拟临床治疗中后方牵引矫治力的应用，在双侧上颌第一磨牙的近中分别施加力值为3N、4N、5N、6N和8N/侧的集中力。施力方向为与功能牙合平面成向后上30°角。
　　1.3计算：采用美国ANSYS公司的ANSYS10.0有限元分析软件进行有限元计算，并对结果进行分析，归纳和整理。
　　1.4观察部位及指标：给予相同的力的作用点和方向，选择5个牵引力值的A点（上齿槽座点，节点号1107）、ANS点（前鼻棘点，节点号3270）和N点（鼻根点，节点号22041）的应力和Y向（即唇舌向）位移变化作为观测分析指标。
　　2结果
　　2.1不同牵引力作用下，鼻上颌复合体的Y向位移情况：随着后方牵引力值的增大，A点和ANS点向后位移也逐渐增大，而N点向前移动，但N点的位移量很小，变化呈线性关系（如图2）。整个鼻上颌复合体有向后下方旋转的运动趋势。
　　2.2不同牵引力作用下，鼻上颌复合体的Von Mises（等效）应力情况：鼻上颌复合体在5种工况下，各部位的等效应力均较小，骨组织各部位受力大小远小于加载力，但在力的作用点附近，等效应力较大。其中A点、ANS点和N点的3个最大主应力值如下（见表1），可见随着牵引力值的逐渐增大，A点、ANS点和N点的应力值也逐渐增大。
　　3讨论
　　3.1骨性II类错牙合畸形在临床上通常表现为上颌前突、下颌后缩或二者兼有，不仅影响面部美观，而且对患者心理造成诸多压力和不良影响。对于此类畸形的治疗通常采用限制上颌发育的方案。其最佳矫治时机，几乎所有文献均认为早期治疗效果更好[3-5]。Kopecky和Fishman[3]通过临床研究发现，在生长发育高峰期是行口外颈牵引的最适时机，此时手腕关节片的表现是拇指尺侧籽骨出现，骨骺呈帽状，并指出为获得最满意的矫治效果，可于生长发育加速期开始治疗，一直持续至生长发育高峰期。
　　研究结果表明，随着后方牵引力值的增大，A点和ANS点向后位移也逐渐增大。但在临床应用中，不可能无限制的加大后方牵引力，必须有所选择。对于抑制上颌向前生长的牵引力值，学者们尚有争议。Graber提出每侧用1 400g重力可防止上颌骨向前向下生长，且不引起疼痛，用300～900g力可推磨牙向远中。但多数学者认为过重的矫治力不但不能提供矫形效果，而且还会造成牙齿及其支持组织的损伤[6]。而O"Reilly[7]的意见则是由于每个患者之间的痛阈存在个体差异，因此不应该设定统一的标准，而应该将力值调节到每个患者的最大承受能力。通过试验，笔者认为每侧300～500g后牵引力即可引起上颌骨明显的后方移位。
　　而后方牵引力作用下鼻上颌复合体内部的应力值普遍较小，远远小于加载力。分析其原因可能有以下几方面：①上颌窦通过窦口与外界大气相通，对外力有弥散作用，减轻了鼻上颌复合体乃至于颅骨的受力；②鼻上颌复合体的受力部位在齿槽突，其体积比鼻上颌复合体要小得多，因此在牙齿或齿槽突上加载的力，分散到鼻上颌复合体各部位就变得很小。
　　3.2 建立准确、完善的有限元模型是有限元分析的基础，是全面认识颅面复合体生物力学行为的前提，理想的模型为进一步研究提供了可靠的途径和方法。在外科学领域中，鼻上颌复合体模型更多的应用在神经外科，研究碰撞、颅骨骨折、大脑损伤的生物力学变化，以及牵张成骨的预测分析。在口腔正畸学、修复学领域，上颌复合体三维有限元研究集中体现在上颌骨抗力中心、不同部位及不同方向作用下上颌复合体生物力学变化的研究。笔者利用头部螺旋CT三维影像重建技术和三维有限元分析方法相结合，建立了一种可供实验分析和临床应用的颅面复合体三维有限元模型，为颅面复合体的生物力学研究提供了有效的手段和方法，探索出一条简单快捷，接近临床，模型符合颅面复合体生物力学特性的建模方法。
　　
　　4结论
　　施加不同大小的后方牵引力，鼻上颌复合体的应力和位移随牵引力值的增大而增大，而每侧3～5N的后牵引力即可引起上颌骨明显的后方移位。施力的大小应视患者的生长发育情况，畸形程度，牙周组织的耐受阈及患者的配合程度等在合理范围内因人而异。
　　
　　[参考文献]
　　[1]张晓慧，丁 寅，刘 冬，等.颅上颌复合体三维有限元模型的建立[J].中国美容医学，2005，14(2)：194-196.
　　[2]张 彤，刘洪臣，董嘉林.颅面复合体三维有限元模型的快速建立[J].军医进修学院学报，2007，28(6)：418-420.
　　[3]Kopecky GRm,Fishman LS.Timing of cervical headgear treatment basedon skeletalmaturation[J].AmJOrthodDentofacOrthop,1993,104(2):162.
　　[4]Yokota S,Murakami T,Shimizu K.A growth control approach to Class II ,Division1casesduringpubertyinvolvingthe simultaneousapplicationofmaxillary growthrestrictionand madibular forward induction[J].Am J Orthod Dentofac Orthop,1993,104(3):211.
　　[5]KingGl,KeelingSD,HoceevarRA,etal.Thetimingof treatmentfor Class IImalocclusion in children: aliteraturereview[J].Angle Orthod,1990,60(2):87.
　　[6]徐宝华.现代临床口腔正畸学-骨性错牙合畸形矫治与成人正畸[M].北京：人民卫生出版社，1996：168-174.
　　[7]O" Reilly MT,Nanda SK,Close J.Cervical and oblique headgear:Acomparisonoftreatmenteffects[J].Am1OrthodDentofac Orthop,1993,103(6):504.
　　
　　[收稿日期]2010-11-01 [修回日期]2011-01-01
　　编辑/何志斌