Twin—Block矫治器在不同角度咬合斜面时对相关口颌肌肉及韧带约束反力的影响

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[摘要] 目的 研究在不同角度的咬合斜面条件下相关口颌肌肉及韧带的约束反力的变化规律，为twin-block矫治器的临床应用提供理论依据。方法 建立颞下颌关节—下颌骨—Twin-Block矫治器系统的三维有限元模型，在此基础上添加相关口颌肌肉和韧带，根据临床及相关研究设计7个实验组（Twin-Block矫治器咬合导板斜面角度分别为

40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°），计算并分析相关口颌肌肉和韧带的约束反力。结果 咬肌深层前份、咬肌深层后份、颞肌前份、颞肌后份、茎突下颌韧带及蝶下颌韧带的受力随着Twin-Block矫治器咬合导板斜面角度的增大而增大。约束反力最大值为82.57 N，最小值为0.07 N。结论 1）颞肌前份、咬肌深层前份、咬肌深层后份、颞肌后份、茎突下颌韧带及蝶下颌韧带在Twin-Block矫治器引导下颌向前的过程中均受到被动牵张力，这对下颌骨的适应性改建有重要作用。2）本实验设计的7个实验组中的咬合倾斜角度均在患者生理承受范围之内，均在临床可选择之列。

[关键词] Twin-Block矫治器； 三维有限元； 口颌肌肉； 韧带； 约束反力

[中图分类号] R 739.86 [文献标志码] A [doi] 10.7518/hxkq.2013.02.015

Twin-Block（TB）矫治器是一种简单实用的功能矫治器。使用TB矫治器治疗下颌发育不足引起的安氏Ⅱ类错畸形时，可以通过上下颌垫间的接触斜面，巧妙地将咀嚼力分解并转变为有利于下颌向前生长的力，从而快速纠正上下颌骨矢状向的不调，使患者的侧貌得以改善[1]。目前对TB矫治器的临床应用及生物学作用进行了大量的研究，但对咬合倾斜平面应用过程中的角度等问题仍然存在许多争议[2]。此外，模拟TB矫治器引导下颌前伸后对肌肉、韧带约束反力影响的研究也较少。为了更好地了解TB矫治器的生物力学作用原理，本文在相关研究的基础上，设计并建立了包括TB矫治器及完整天然牙列、颞下颌关节的下颌骨三维有限元模型，模拟TB矫治器引导下颌前伸，研究TB矫治器戴入后，咬合斜面导板角度不同时相关口颌肌肉和韧带的约束反力的变化规律，从而确定适宜临床应用的TB矫治器的咬合斜面导板角度。

1 材料和方法

1.1 矫治系统三维有限元模型的建立

选取1例处于生长发育高峰期的正畸患者作为建模素材。要求患者全身发育正常，下颌后缩，牙列完整，牙弓形态基本对称，处于恒牙早期阶段，双侧第一磨牙为中性偏远中关系，改良颈椎分析法分期为Ⅱ～Ⅲ期，Wits值为5 mm。采用荷兰Philips公司Brilliance 16排多层螺旋CT扫描机对患者进行扫描。采用与眶耳平面平行且与水平面垂直的平面进行横断面扫描，扫描厚度为0.5 mm，共得到181张二维断层DICOM图像。将这些图像导入Mimics 10.1软件中，通过选取不同的灰度阈值提取下颌骨及下牙列的象素，建立高质量的三维下颌骨和下牙列模型。根据对称性原则，选取右侧模型作为研究对象。将所得到的几何模型以IGES格式导入Hypermesh 9.0中，再进一步优化，划分离散网格。按简化的关节窝和关节盘的几何形状建立颞下颌关节，在右下第一和第二前磨牙上按临床TB矫治器下颌垫的基本形状添加厚约5 mm的梯形塑料结构单元，附加TB矫治器。

参照参考文献[3-4]描述的方法模拟咀嚼肌，下颌骨通过4组咀嚼肌（Ansys中link 10杆单元）与面颅诸骨相联结，面颅骨上的联结点均简化为固定绞结点，通过肌束的起止点来决定杆单元的三维空间方向，韧带的附着点参见参考文献[5]。由此建立完整的矫治系统三维有限元模型，见图1。

1.2 工况及载荷条件

根据临床和相关文献的研究内容，共设计7组不同角度的TB矫治器咬合斜面导板，分别为40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°。模拟TB矫治器咬合斜面导板的作用，下颌受到垂直于斜面导板的载荷，载荷点位于导板斜面。研究[6]发现：当下颌垂直向移位

4～6 mm，水平向移位3～5 mm时，下颌骨在平均矢状向上的受力为3.087～3.871 N。据此本实验确定力值大小为3.8 N。各材料的常数及节点数见表1。

2 结果

咬合斜面导板在不同角度时，相关肌肉与韧带的约束反力情况见表2。从表2中可见，咬肌深层前份、咬肌深层后份、颞肌前份、颞肌后份、蝶下颌韧带及茎突下颌韧带的受力随着咬合导板斜面角度

的增大而增大。咬合导板斜面角度在40°及70°时相关口颌肌肉及韧带约束反力相差力值最大的为颞肌前份（45.41 N），其次为咬肌深层前份（39.01 N），再次为咬肌深层后份（17.15 N）和颞肌后份（13.39 N），茎突下颌韧带（0.14 N）及蝶下颌韧带（0.07 N）的受力相差不大。此外，约束反力最大值为82.57 N，最小值为0.07 N。

典型病例 患者金某，男，年龄为11岁7个月。主诉：下唇凹陷，上牙列不齐。相关病史：父亲下颌侧切牙先天缺失，母亲牙列不齐。临床检查：1）上前牙拥挤，32、42先天缺失，下前牙有散在间隙，Bolton指数不调；2）Ⅱ类骨面型，下颌骨相对于颅底平面后缩，软组织下唇后缩；3）下颌角为均角，有深覆生长趋势，Spee氏曲线较深；4）左侧磨牙为近中尖对尖关系，右侧磨牙为中性偏近中关系，下中线右偏；5）处于生长发育高峰期，骨龄预测为11.39岁。模型分析：上颌拥挤度为5.4 mm，下颌拥挤度为-2.2 mm。诊断：安氏Ⅰ类错，骨性Ⅱ类错，均角，深覆，深覆盖。治疗目标：1）适当引导下颌骨向前生长，达到牙弓、颌骨、颅面关系的协调；2）改善软组织侧貌及上下唇关系；3）排齐牙列，关闭间隙，调整咬合关系；4）以33、43替代2颗缺失的侧切牙并略改形，余牙顺序替代，最终使磨牙、尖牙关系达到完全近中，并完全关闭下颌散在间隙；5）协调上下颌牙轴的唇倾度，调整Spee氏曲线；6）上下牙弓中线与面中线对正。治疗计划：1）口腔卫生宣教；2）一期治疗，包括用TB功能矫治器引导下颌向前（前倾角度为70°）；二期治疗采用Roth直丝弓矫治器排齐、整平牙弓，调整咬合关系；双期连续矫治；3）采用带斜面导板的Hawley保持器保持；4）定期随访。患者治疗前、TB矫治器戴入后、一期治疗结束后、二期治疗后期的口内像见图2。

TB功能矫治器的制作及临床应用方法如下。1）取咬合记录：使用牙科模型蜡制取患者的咬合记录，要求下颌前伸至对刃，上下中线对齐，前牙打开咬合2 mm。2）制作导斜面：以功能性平面为基准制作角度为70°的导斜面。3）早期调：对于高角患者，基本上不调；而对低角和均角患者，应尽可能早期调。4）调磨垫：每次调磨垫高度约1.5 mm，以探针能通过为准。

典型病例治疗前后的头影测量结果见表3。对头影测量结果进行分析，可以看出患者治疗前后矢状向、垂直向以及软组织侧貌的变化。1）矢状向的变化：SNB、下颌骨长度Co-Gn、矢状向不调指数APDI明显增加，而ANB明显减小，说明使用TB矫治器矫治后，患者的下颌骨前移、覆覆盖减小；上中切牙-上齿槽座点角U1/NA、下中切牙-下齿槽座点角L1/NB增加，说明上切牙有轻度舌倾，下切牙有轻度唇倾，这可能是前导下颌反作用力的影响，还有唇弓少量内收的作用；下颌基骨位置前移了8.0 mm，达到了咬合关系良好且稳定，前牙覆覆盖正常的结果；虽然治疗后下颌骨长度Co-Gn增加了4.0 mm，但是上下颌骨长度之差为33.0 mm，说明上下颌骨的长度在正常范围之内，上下颌骨仍是匹配、协调的。2）垂直向的变化：治疗之后垂直向不调指数ODI为

73.5，位于正常范围之内，比治疗之前减小了7.3，说明经过双期连续矫治后前牙的深覆问题得到解决；治疗前全面高N-Me、下面高ANS-Me、下面高与全面高之比ANS-Me/N-Me都在正常范围之内，一期治疗结束后全面高增加3.5 mm，下面高增加2.0 mm，但二者的比值没有变化；二期治疗结束后只有全面高减小了0.5 mm，而二者的比值增加了0.2，说明TB功能矫治器的正确使用很关键，整个治疗过程基本保持了面高比例的协调关系。3）治疗后下唇突度LLP增加2.0 mm，上唇突度ULP保持不变，颏沟倾角Pg-B-FH增加了10.0°，更接近正常值；治疗后面角FH-Ns-Pg为95.5°，增加了8.5°，达到了正常值规定的范围，表明治疗后上下唇及颏部的曲线相对协调，较治疗前更加美观。

3 讨论

3.1 结果分析

研究[7]发现：在下颌处于前伸的前提下进行不同的重建时，咬肌浅层、翼内肌、翼外肌、颞下颌韧带的约束反力始终为0，而咬肌深层、颞肌、蝶下颌韧带、茎突下颌韧带则发挥了相当重要的作用，故本实验设定了与下颌骨功能性前伸相关的口颌肌肉及韧带。实验结果显示，咬肌深层、颞肌及蝶下颌韧带、茎突下颌韧带的受力随着咬合导板斜面角度的增大而增大。颞肌和咬肌均有上提下颌的作用，在TB矫治器导下颌向前向下的过程中，咬合导板斜面角度在40°及70°时颞肌前份和咬肌深层前份所受约束反力的数值相差最大，发挥的作用最为明显。当下颌前伸时蝶下颌韧带明显紧张，而茎突下颌韧带能防止下颌过度向前移位。本实验中蝶下颌韧带和茎

突下颌韧带的受力随着咬合导板斜面角度的增大而增大，也证实了蝶下颌韧带和茎突下颌韧带在TB矫治器引起的下颌骨功能改建中受到了被动牵张力。另外，约束反力最大值为82.57 N，最小值为0.07 N，均在患者的生理承受范围[8]之内。

由功能矫形引起的压应力和拉应力是颌骨改建的决定性因素。本实验结果表明：咬合斜面导板角度为40°～70°，相关口颌肌肉及韧带在下颌骨的附着处相对下颌骨其他部分均有明显的力值改变，说明TB矫治器引导下颌骨向下向前运动时颞肌、咬肌深层以及蝶下颌韧带和茎突下颌韧带有约束和限制下颌运动的趋势，均受到被动牵张力。这种被动牵张力使以上肌肉及韧带在下颌骨附着点的骨膜受到张应力，促进骨膜下的骨表面基质的沉积，进而引起下颌骨的适应性改建。

3.2 不同角度咬合斜面的临床意义

TB矫治器是一种治疗骨性Ⅱ类错畸形的功能矫治器。它通过咬合导板的引导作用使下颌向前下移位，从而纠正颌骨间的不调，因此咬合斜面导板的位置和角度对于有效地矫治牙弓间关系至关重要。最早TB矫治器的上下咬合斜面导板与平面成90°，在此角度下患者需有意识地迫使自己咬合在前伸的位置上，若要保证良好的矫治效果，需要患者积极的配合；但是，多数患者并不能持续保持这样的前伸姿势，导致下颌后退到原来远中的位置上。针对这一情况，学者们对TB矫治器进行了改良。早期的改良是将咬合斜面导板做成与平面成45°角以引导下颌骨向前；随后，经过大量的临床试验得出咬合斜面导板与平面形成约70°角时非常有效。多数情况下，70°的角度可以成功地诱导下颌到前伸咬合关系位置上[9]。本实验从生物力学的角度探讨TB矫治

器的上下咬合斜面导板与平面的角度，结果显示：颞肌前份、咬肌深层前份、颞肌后份以及咬肌深层后份在TB矫治器所引起的下颌骨功能改建中起了相当大的作用。本实验设计的7组重建类型中，斜面角度越大，相关口颌肌肉及韧带所受的约束反力越大。这种变化趋势在患者生理承受能力允许的前提下有利于口颌肌肉及韧带在生物改建过程中发挥最佳作用，在更大程度上提高矫治器的治疗效果。

在临床上，45°及70°是多数正畸医师所采用的TB矫治器咬合斜面导板的角度。在45°的角度下，在下牙列上会产生等量的向前和向下的分力，从而刺激下颌产生等量的向前和向下的生长量；而在70°的角度下，下颌骨水平向的生长量大于其垂直向的生长量，更有利于快速纠正上下颌骨矢状向的不调，改善后牙咬合关系及侧貌。若在70°时患者自觉下颌前伸有困难，可适当降低角度，力求使患者能够持续保持一个前伸的姿势位，积极配合治疗。本实验设计的7组重建类型均在临床选择之列，但最终选择方案还需要根据患者错畸形的严重程度、生长潜力，以及患者的适应能力和配合度等确定。

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