頰側多曲簧矯治器對牙齒作用力的實驗研究

商家明 王培軍 韓晶瑩 石瑛琦 徐實謙 陳 萍 李碧瑤

頰側多曲簧矯治器是由侯錄教授帶領團隊研發的，針對安氏Ⅲ類錯畸形進行早期矯治的活動矯治器(圖1)[1]。該矯治器由上、下頜托與多曲簧組成，其矯治原理是通過矢狀向打開多曲簧，使多曲簧發生形變壓縮而產生持續、柔和的矯治力，矯治力通過頜托作用于上、下頜全牙列及頜骨，促進上頜發育同時抑制下頜過度發育，從而完成安氏Ⅲ類錯畸形的矯治[2, 3]。頰側多曲簧矯治器自研發以來，應用于臨床多年，矯治效果良好。近年來，筆者醫院多位研究者就該矯治器結構的穩定性、矯治前后軟硬組織的變化、矯治器產生矯治力的變化規律、多曲簧疲勞斷裂、矯治器對顳下頜關節的影響、矯治器對頜骨生長發育的影響等方面進行了大量的研究。以往關于頰側多曲簧矯治器作用力的研究僅限于矯治器作用于頜托所產生的總體力值，從未進行單顆牙齒上所受矯治力大小的研究。為了避免矯治器應用中出現上前牙唇向傾斜、下前牙舌向傾斜等不良反應，本實驗測量了頰側多曲簧矯治器對牙齒的作用力，進而明確矯治機制及矯治器的安全性，進一步完善頰側多曲簧矯治器的相關實驗研究。

圖1 頰側多曲簧矯治器

材料與方法

1.實驗儀器：空間三維測力儀(哈爾濱工業大學，專利號：200810064015.9)，薄膜壓力傳感器(RFP-601)(杭州宇博智能科技有限公司)(圖2)，RFP 轉換模塊(杭州宇博智能科技有限公司)，萬用表(上海寶工工具有限公司)，穩壓電源(哈爾濱工業大學)，開閉口模擬儀(哈爾濱工業大學)，管式真空電爐(哈爾濱工業大學)，MAGICS 軟件，MATLAB 軟件。

圖2 薄膜壓力傳感器

2.實驗材料：國產醫用不銹鋼絲(上海齒科醫療器械廠)，Φ=0.8mm。頰側多曲簧胎具(自制)，醫用口腔梯形鉗(長沙市天天齒科器械有限公司)，固位腭管(杭州愛麗絲口腔醫療器械有限公司)，自凝牙托粉、牙托水(日進齒科材料有限公司)。

3.實驗方法及內容：(1)國產醫用不銹鋼絲 480℃真空加熱處理：截取25cm不銹鋼絲 90 根置于管式真空電爐中，電爐設置溫度為480℃，30min 后關閉電源,隨爐冷卻至室溫后取出[4]。(2)建立牙齒受力測試模型：掃描患者牙模型形成三維數字模型，輔助3D設計軟件 MAGICS 對數字模型進行修正。將所測試牙齒分為3個區段：中切牙區段(牙齒11、21、31、41)，尖牙區段(牙齒13、23、33、43)，磨牙區段(牙齒16、26、36、46)。使用 MAGICS 軟件將測量區段牙齒唇(頰)側面處理成近似傳感器尺寸大小的光滑平面，平面與牙冠長軸角度盡可能與牙面原有角度一致(圖3)。由于傳感器直徑為6mm，于是將上頜、下頜兩個中切牙分別處理為同一個牙面。數字模型經MAGICS 軟件處理后通過 3D 打印取得樹脂測試模型。(3)頰側多曲簧矯治器的制作及裝配：取加熱后的不銹鋼絲，按照頰側多曲簧胎具，由同一人彎制統一規格的曲簧(高18mm、長 26.5mm)[1,5]。制作自凝樹脂頜托并粘接固位腭管。將樹脂測試模型及矯治器安裝到仿真模擬開閉口裝置上。(4)薄膜壓力傳感器電壓-力值(v-g)線性校正標定：調整薄膜壓力傳感器位置以使全部感測區域與空間三維測力儀壓桿尾端平面均勻接觸，將其固定在與三維測力儀操作臺垂直的平面板上。打開空間三維測力儀，啟動壓桿使其施力于薄膜壓力傳感器，施力總范圍為0～500g，力值間隔為10g，記錄不同力值及其對應的萬用表電壓數。相同施力值重復測量電壓10次，取平均值。使用軟件 MATLAB 繪制力值-電壓(v-g)的擬合曲線并得到擬合方程。(5)頰側多曲簧矯治器作用下牙齒受力測量：依次測定上頜各區段牙齒腭側面和下頜各區段牙齒唇(頰)側面受力大小。選定測試牙位，連接薄膜壓力傳感器測力系統。分別將雙側頰側多曲簧矢狀向均勻打開，總打開長度為 2、4、6、8、10mm，分別安裝在兩側固位管處(圖4)，依次記錄電壓值為V1～V5。同一牙位利用 5 對曲簧進行多次測量，取平均值。最后，根據力值-電壓擬合方程進行數據處理，將電壓值 V1～V5轉換為力值F1～F5。

圖3 測試模型的MAGICS圖像

圖4 矯治器制作和裝配

4.統計學方法：采用SPSS 24.0統計學軟件對數據進行統計分析，采用單因素方差分析，以P<0.05為差異有統計學意義。

結 果

1.獲得薄膜壓力傳感器力值-電壓(v-g)線性關系(圖5)，并計算出擬合方程。薄膜壓力傳感器電壓-力值的校正擬合方程為：y=1.604×e-0.08359x+3.426×e-0.002342x，詳見圖5。

圖5 傳感器線性校正擬合曲線(v-g 曲線)

2.測量頰側多曲簧矢狀向打開不同長度時，每個牙齒所受壓力值：頰側多曲簧矢狀向打開 2、4、6、8、10mm 時，記錄各牙位測得的電壓值(表1)，根據傳感器擬合曲線和擬合方程，得到頰測多曲簧打開后牙齒所受壓力值(表2)。隨著頰側多曲簧矢狀向打開長度的變化，每個區段牙齒所受力量不同，所測得矯治力均小于30g。頰側多曲簧矢狀向打開 10mm 時，中切牙區段受力最大：右上中切牙受力22.12±6.21g，左上中切牙受力20.78±2.31g，下頜中切牙受力19.30±2.68g。

表1 頰側多曲簧矢狀向打開不同長度，各牙位測得的電壓值

表2 頰側多曲簧矢狀向打開不同長度，各牙位測得的力值

3.頰側多曲簧矢狀向不同打開長度時，不同區段牙齒的作用力力值比較：隨著頰側多曲簧矢狀向打開長度的增加，所有區段測試牙齒牙面承受的力量均相應增大(圖6)。當多曲簧矢狀向打開4mm時，右上中切牙受力10.70±3.30g、右上尖牙受力9.02±4.14g、右上磨牙受力2.52±1.14g，可見相比尖牙與磨牙，中切牙區段受力更大。當多曲簧矢狀向打開4mm時，左上尖牙受力7.45±1.26g、左上磨牙受力2.68±0.95g、左下尖牙受力2.28±0.93g、左下磨牙受力6.16±2.98g，上頜尖牙受力大于上頜磨牙，下頜尖牙受力小于下頜磨牙。頰側多曲簧矢狀向打開不同長度時牙齒所受矯治力值比較，差異有統計學意義(P均<0.05)。

圖6 頰側多曲簧矯治器作用下，各牙齒受力大小折線圖A.牙齒11、13、16 牙齒受力值；B.牙齒21、23、26 牙齒受力值；C.牙齒31、33、36 牙齒受力值；D.牙齒41、43、46 牙齒受力值

討 論

薄膜壓力傳感器為單點式、圓形、厚度僅為0.15mm的壓阻式傳感器，柔韌性好，將傳感器放置在兩接觸面之間，隨著壓力增加，其輸出電阻值越小，可用于測量各種接觸面之間的壓力[6]。本實驗將薄膜壓力傳感器放置在牙面與矯治器之間，測量矯治器對牙齒的作用力。Valdevit等[7]研究發現薄膜壓力傳感器與接觸表面若形成扭結會影響傳感器的輸出及數據準確性。牙齒表面有復雜的曲度，邊緣嵴、發育溝等結構也使牙面不平整。這些因素會使傳感器受力不均衡，造成實驗誤差，所以本實驗使用 MAGICS 軟件對牙面進行預處理是非常有意義的。同時傳感器的校準條件也非常接近正式實驗中的使用條件，因此使用薄膜壓力傳感器所測得的數據有較高的準確性與可靠性。

頰側多曲簧矯治器通過矢狀向打開多曲簧從而產生矢狀向頜間作用力，從而解除反。頰側多曲簧加力后，上頜頜托切牙段有脫離上切牙唇面的趨勢，下頜頜托切牙段有脫離下切牙舌面的趨勢。所以，上頜切牙段受力面主要為上切牙腭面，受力方向為垂直于腭面、由遠中向近中；下頜切牙段受力面主要為下切牙唇面，受力方向為垂直于唇面、由近中向遠中。因此，本實驗選擇將薄膜壓力傳感器放在上頜切牙舌面與下頜切牙唇面測量矯治力值，其結果在一定程度上可以反映出牙齒在頰側多曲簧加力作用下的受力情況。

頰側多曲簧的臨床應用中，醫生通過矢狀向將多曲簧打開進行加力，矢狀向打開距離越大，產生矯治力越大。何志偉等[8]測得頰側多曲簧矢狀向打開2.0～3.0mm，產生作用于頜托的頜間矯治力約350g，矯治力作用于整個牙列與頜骨。本實驗結果顯示,當多曲簧矢狀向打開2mm時，上頜中切牙、尖牙及磨牙所受力值總和約20g，盡管本實驗未測量側切牙與前磨牙所受矯治力，實驗結果仍然可以說明頰側多曲簧矯治器所產生的矯治力大部分通過頜托傳遞給頜骨，進而引起頜骨及顳下頜關節的改建，僅有小部分矯治力分散在牙齒上。

實驗結果顯示,與尖牙、磨牙比較，中切牙區段所受壓力值較大。頰側多曲簧打開 2mm 時，前牙區測試牙面受到的壓力均小于5g；打開4mm 時，前牙區測試牙面受到的壓力均小于10g；打開 6mm 時，前牙區測試牙面受到的壓力均小于16g。有研究表明，臨床上對切牙施加9.9g或更小的力就能使牙齒傾斜移動[9]。頰側多曲簧矯治器的矯治周期一般為 2～3 個月，且除吃飯外需全天佩戴，矯治器對牙齒施加的持續輕力容易使其產生傾斜移動[10]。因此在臨床使用中，保證矯治器骨性效應的同時，應控制頰側多曲簧矢狀向打開長度，防止牙性效應的比重增加。本實驗中頰側多曲簧打開 6mm 時，測得上頜中切牙腭面受到壓力約16g，下頜中切牙唇面受到壓力約11g，且牙齒受力隨著頰側多曲簧打開長度增加而增大。因此，臨床復診加力時，頰側多曲簧矢狀向單次打開長度應盡量小于 6mm，以減少牙性效應。同時可對上前牙腭面和下前牙唇面對應的頜托組織面進行緩沖，減少牙面受力，可減輕矯治器導致的上前牙唇傾和下前牙舌傾的程度[2]。

研究通過實驗對前磨牙施加頰向25g牽引力，發現8周后發現牙根表面有輕微不同直徑的吸收腔，并且隨著時間的推移其嚴重程度增加[11～13]。Gonzales等[14]獲得了同樣的結論，并認為8周后才出現根吸收可能是由于施力8周左右后破骨細胞活性增加所致。間歇力比連續力顯著減少牙根吸收[12,15～17]。本實驗結果發現，當多曲簧矢狀向打開10mm時，上頜中切牙所受力值22.12±6.21g，存在牙根面吸收的風險；當多曲簧矢狀向打開6mm內時，中切牙、尖牙、磨牙受力均小于20g，頰側多曲簧矯治器對牙齒作用力為間歇輕力，具有較高安全性、穩定性。

本實驗中測得頰側多曲簧矯治器對磨牙施加的頰舌向力量比較小。這是由于矯治力只有極小部分作用在磨牙頰舌面，更多的集中在磨牙鄰間隙及面牙尖近遠中斜面等處。尖牙位于牙弓轉角，相比于磨牙來說，尖牙分擔較多的近遠中矯治力。而下頜磨牙所受力值大于尖牙，分析原因是矯治力通過固位腭管傳遞給頜托，可能導致固位腭管對應的牙齒(上頜尖牙或下頜磨牙)承受了更多的力量。

實驗結果顯示，隨著頰側多曲簧矢狀向打開不同長度，每個牙齒所受矯治力均小于30g，可見矯治力大部分通過上下頜牙列傳遞給頜骨, 而分散在牙齒的力值較小，其產生的牙性效應較小，安全性好。本實驗為體外模擬實驗，矯治器加力在實驗條件下符合臨床矯治力標準，實驗結果具有一定的參考意義。本研究主要測量了矢狀向矯治力對牙齒力量的分布，臨床使用中也會根據患者覆情況做垂直向的打開，后續也將對垂直向矯治力做進一步深入研究。頰側多曲簧為人工彎制而成，盡管經樣規標準檢測，但仍存在輕微誤差。本研究為體外模擬實驗，而口內環境可能對實驗結果造成影響，例如唇頰舌肌作用力、口內溫度及唾液濕潤環境。由于實驗中使用的薄膜壓力傳感器只能測試施加在感測區的壓力，無法測得其他復雜的力系統，后續研究中將進一步測試磨牙近遠中方向受力大小。