［摘要］ 目的 为微钛板种植体辅助上颌前方牵引的临床应用提供参考。方法 建立两类( L/Y) 改良型微钛板种植体辅助上颌前方牵引的三维有限元模型，模拟牵引力大小为 4．9 N/侧，牵引方向与上颌牙合平面呈 0° ～ 50°斜向前下，分析各工况下上颌骨的位移趋势和变化规律。结果 L、Y 型微钛板种植体辅助上颌前方牵引对上颌骨位移趋势的影响基本一致; 上颌前方牵引时，上颌牙列有缩窄的趋势; 牵引方向斜向前下与牙合平面呈在 0° ～ 20°时，上颌骨发生逆时针旋转，30° ～ 50°时，上颌骨发生顺时针旋转。

结论 ①微钛板种植体的形态对前方牵引时上颌骨位移趋势影响较小; ②上颌前方牵引时，上牙列有缩窄趋势; ③上颌骨位移趋势会随着牵引方向的改变而不同，牵引方向斜向前下与牙合平面呈 0° ～ 20°时，对治疗反覆牙合患者有积极意义，30° ～ 50°时，对治疗反牙合伴开牙合趋势的患者有积极意义。

［关键词］上颌前方牵引; 三维有限元; 微钛板种植体; 上颌发育不足

上颌前方牵引是一种常用于治疗伴有上颌骨发育不足的骨性Ⅲ类错牙合患者的上颌骨早期矫形治疗方法［1－3］。传统的牙支持式的治疗方法对乳牙列、混合牙列早期的患者疗效较好［4－5］，但治疗的同时也会产生一些不利的牙性效应［6－8］，包括上颌磨牙的近中移动及伸长、上颌切牙的唇倾等。利用微钛板种植体辅助上颌前方牵引治疗是近年来新出现的一种治疗方法，适用于混合牙列晚期及恒牙列早期的骨性Ⅲ类错牙合患者［9］，临床研究发现［10－12］，骨支持式的前方牵引治疗方法在牵引上颌骨向前发育的同时，上颌牙齿几乎未出现不利代偿。目前国内已有医师将微钛板种植体植入上颌骨双侧前牙根尖区辅助上颌前方牵引治疗［3］，而此部位骨皮质较薄，微钛板种植体植入后稳定性不足。上颌骨颧牙槽嵴处骨质较为致密，钛板固位钉于此处植入后可获得较大程度的稳定性。目前，颧牙槽嵴处植入改良型微钛板种植体配合前牵面具辅助上颌前方牵引时上颌骨的位移趋势如何尚罕见系统性研究。本研究利用三维有限元方法，分析两类( L /Y) 改良型微钛种植体辅助上颌复合体进行前方牵引治疗时上颌骨的位移趋势，以期为临床应用提供借鉴和参考。

1 材料与方法

1．1 建模标本

12 岁女性，恒牙列早期，伴有上颌骨发育不足的骨性Ⅲ类错牙合患者。

1．2 建模方法

1．2．1 锥状束计算机断层扫描( cone beam computedtomography，CBCT) 扫描利用 CBCT( Kodak 9500Cone Beam 3D system，KODAK 公司，美国) 对伴有上颌骨发育不足的骨性Ⅲ类错牙合患者的头颅进行扫描，上界至额骨高度的 1 /2，下界至患者颏部。

1．2．2 上颌复合体及实体骨缝三维有限元模型的建立 将获得的扫描数据导入比利时 Materialise 公司交 互 式 医 学 图 像 控 制 系 统 ( Materialise ’sInteractive Medical Image Control System，Mimics，Geonagic 公司，美国) 软件，得到上颌复合体的三维效果图，并导入至 Geomagic2012 软件内，对上颌复合体处理后拟合出所需结构的三维( Three-dimensional，3-D) 实体模型( 图 1) 。

结合 Mimics 模型数据，在 Ansys Spaceclaim 软件( ANSYS 公司，美国) 中确定骨缝空间位置并建立出骨缝曲面，后使用 Solidworks 的曲面功能进行布尔运算，割出 1．00 mm 厚度的骨缝结构( 图 2) 。本研究共对上颌复合体的颧颌缝、颧颞缝、翼腭缝各 1 对，额颌缝 1 条，腭中缝 1 条共 8 条骨缝进行了建模。

1．2．3 改良型微钛板种植体模型的设计及构建本研究对 L、Y 型两类微钛板种植体进行形态的改良设计，每类设计 3 种形态，共 6 种微钛板种植体。

改良型微钛板种植体的结构如下。

两类微钛板种植体均由固位臂、延伸臂和牵引臂( 钩) 组成，L、Y 型钛板的命名由固位臂与延伸臂所形成的形态确定。其中，微钛板种植体牵引钩位置位均于上颌尖牙/乳尖牙处，固位臂位于颧牙槽嵴处，延伸臂有 3 种走行: 延伸臂与牙合 平面平行至尖牙/乳尖牙牙根处，而后牵引臂平行于尖牙/乳尖牙牙根穿龈至牵引位置( L1、Y1) ; 延伸臂直接延伸至牵引位置( L3、Y3) ; 延伸臂位于前两种微钛板种植体延伸臂的角平分线上，而后经牵引臂至牵引位置( L2、Y2) 。

改良型微钛板种植体及固位钉数据如下: 厚度0．80 mm; 宽度: 4．00 mm; 固位孔及固位钉直径: 2．00mm; 固位钉长度: 8．00 mm; 微钛板种植体植入的高度: 微钛板种植体固位臂下缘在牙槽嵴顶上方6．00 mm。分别将 6 种改良型微钛板种植体模型和上颌复合体模型进行组装，导入至 Ansys Workbench 17．2 软件中，最终建立两类( L/Y) 共 6 种改良型微钛板种植体辅助上颌前方牵引的三维有限元模型，每种模型节点数约为 350 000 个，单元数约为 230 000 个( 图 3) 。

1．2．4 条件设置

设置以眼耳平面为标准的水平面，并基于此设置垂直面和矢状面，其中，X 方向为水平向，规定向外为正; Y 方向为矢状向，规定向前为正; Z 方向为垂直向，规定向上为正。设置颅骨的上截面以及翼腭缝的后面为 0 位移约束边界，进行三向平移与旋转约束。

1．2．5 有限元模型的材料参数 见表 1。

1．3 工况设置

在应用两类( L /Y) 共 6 种改良型微钛板种植体时，各依次施加大小为 4．9 N/侧，牵引方向与上颌牙合 平面呈 0°，10°，20°，30°，40°，50°斜向前下的牵引力，共 36 个工况。

1．4 观测指标

通过观察各工况下上颌骨模型分别在 X/Y/Z方向上的位移云图，分析上颌骨在不同条件下的位移趋势。

2 结 果

通过观察上颌骨在各工况下 X/Y/Z 向的位移云图，发现分别应用两类( L /Y) 共 6 种改良型微钛板种植体时，上颌骨在相同牵引角度下的位移趋势及数值基本相同: 以牵引方向为向前下方与牙合平面夹角 0°时、6 种改良型微钛板种植体在 Y 方向的位移为例( 图 4) ，上颌骨在矢状向位移在应用不同改良型微钛板种植体时的趋势及数值基本相同。因此，下面本文将以 L1 为例对上颌骨在 X/Y/Z 方向上的位移趋势和变化规律进行分析。模拟上颌前方牵引时不同角度下上颌骨在水平向上的位移( 图 5) 。

本实验中，上颌牙弓有水平向内的位移趋势，随着牵引角度的增大，向内的位移趋势减小。

模拟上颌前方牵引时不同角度下上颌骨在矢状向上的位移( 图 6) 。

本实验中，随着牵引角度的增大，上颌骨的最大前移量逐渐减小，且前移量最大的部位逐渐上移，牵引角度为 0°、10°，20°时上颌骨最大前移部位在前牙牙冠区，30°时上颌骨最大前移部位在前鼻嵴及梨状孔下缘处，40°、50°时上颌骨最大前移部位在梨状孔侧缘。

模拟上颌前方牵引时不同角度下上颌骨在垂直向上的位移( 图 7) 。

本实验中，牵引角度在 0°、10°、20°时，上颌骨有前部向上，后部向下的位移趋势，且这种趋势随着牵引角度的增大而减小; 牵引角度在 30°、40°、50°时，上颌骨有前部向下，后部向上的位移趋势，且这种趋势随着牵引角度的增大而增大。

3 讨 论

3．1 骨缝的选择

本研究共选取了 8 条骨缝进行实体模型的建立，包括颧颌缝、颧颞缝、翼腭缝各 1 对，额颌缝 1条，腭中缝 1 条。在上颌骨的生长发育过程中，上颌骨周围的额颌缝、颧颌缝、颧颞缝及翼腭缝等大致相互平行的四条骨缝处骨质的沉积对于颅颌面的生长发育有着至关重要的作用［13］; 同时，罗晨［14］在种植体辅助上颌前方牵引的三维有限元研究中发现，在进行前方牵引时上颌后部有缩窄的趋势，因此为了更好的研究改良型微钛板种植体在辅助上颌前方牵引时治疗中对上颌宽度的影响，在本研究中建立了腭中缝的实体模型。

3．2牵引形式的选择和改良型微钛板种植体的设计

骨支持式的前方牵引方法主要有两种治疗形式: 上颌植入微钛板种植体后配合前方牵引面具进行治疗、上下颌同时植入微钛板种植体后利用颌间Ⅲ类牵引进行治疗。本实验选择前者进行研究的原因是，虽然目前关于上颌骨阻抗中心的位置尚存在争议，但多数学者较为认可的是，上颌骨阻抗中心位于［15］正中矢状面上，高度位于梨状孔下缘，前后向位于上颌第二前磨牙和第一磨牙之间，而微钛板种植体配合颌间Ⅲ类牵引的治疗方式中，上颌牵引位置在上颌第一磨牙龈缘处，向前下方的牵引力经过上颌阻抗中心后下方的可能性较高，这会引起上颌骨的逆时针旋转，不利于长面型或有开牙合倾向的患者的治疗; 而配合面具进行前牵治疗时，上颌牵引位置在乳尖牙/尖牙处，位于上颌阻抗中心位置的前方，易于通过调整牵引力线的方向使上颌骨出现不同的位移趋势，适应症选择范围较广。

L、Y 型钛板是口腔颌面外科常用的坚强内固定钛板，由于本研究中辅助上颌前方牵引治疗的微钛板种植体牵引位置在尖牙区、固定位置在颧牙槽嵴区，而颧牙槽嵴的走行大致垂直于上颌牙合平面，因此选择了这两种自身有转折区的钛板进行形态的改良设计。但本研究中的改良型微钛板种植体是根据患者头颅扫描所得的真实数据而进行的个性化设计，仅用作研究分析，若将来应用于临床，则需要对颧牙槽嵴的形态进行分析以设计出普遍适合的改良型钛板，从而降低治疗成本。研究上颌骨及周围骨缝的应力和位移趋势时，固位钉仅作为固位点［14］，对研究结果影响不大，因此对固位钉的三维有限元模型进行了简化处理。

3．3 前牵角度及力值的考虑

临床上牙支持式前方牵引常用的牵引方向为向前下方与牙合平面夹角为 20° ～ 30°，本实验中改良型微钛板种植体辅助上颌前方牵引的牵引位置与牙支持式前方牵引的牵引位置相同，位于尖牙/乳尖牙处，因此以 10°为差，在二者基础上向上及向下各取2 个角度，若再增大或减小则会对唇部黏膜有较大的压迫，因此最终选择向前下方与牙合 平面夹角为0°、10°、20°、30°、40°、50°的牵引方向，比较符合临床实际情况; 临床中常用的前方牵引力值一般每侧为 4．9～9．8 N［16］，本研究重点在分析上颌骨的位移方向，罗晨［14］在关于种植钉辅助上颌前方牵引的三维有限元研究中发现，随着牵引力值的改变，上颌骨周围各骨缝应力呈线性变化，说明力值的改变并不影响上颌骨的位移方向，因此本研究将牵引力值固定为 4．9 N，不影响实验的结果，且具有实际意义。

3．4 应用不同改良型微钛板种植体辅助上颌前方牵引时上颌骨的位移趋势

分别应用两类( L /Y) 共 6 种改良型微钛板种植体时，上颌骨在相同牵引角度下的 X/Y/Z 向位移趋势及数值基本相同，说明改良型微钛板种植体形态的差异对牵引效果并无明显影响，这是由于当不同的改良型微钛板种植体与上颌骨通过固位钉固定到一起后，均可以看作为上颌骨的一部分，与上颌骨构成一个整体，因此，上颌骨受到牵引力后的位移趋势受牵引力的作用部位、牵引力的方向与上颌骨阻抗中心的相对位置影响，而与改良型微钛板种植体的形态无关。

3．5 应用改良型微钛板种植体辅助上颌前方牵引时上颌骨的横向变化趋势

关于进行前方牵引时是否应该联合扩弓，各学者意见不一，有学者［17－19］认为前方牵引时配合上颌扩弓治疗可刺激上颌骨骨缝并激发该区的细胞反应，利于前牵引的效果; 也有学者［20］认为，上颌快速扩弓对前方牵引治疗并没有明显的促进作用，罗晨［14］通过三维有限元实验中发现上颌前方牵引治疗中，腭横缝的应力分布主要集中在左右两端，而中间部分应力值较小，说明在牵引力的作用下，上颌骨在腭部水平上外侧较内侧前移量多，由于上颌骨宽度前部较后部窄，因此导致上颌牙弓的缩窄。本实验研究结果显示，在应用改良型微钛板种植体辅助上颌前方牵引时，上颌牙列有缩窄的趋势，且这种趋势随着牵引角度向前下方的增大而减小，这可能是由于在牵引方向向前、力值固定的情况下，随着牵引方向与牙合平面夹角的增大，牵引力在矢状向产生的分力逐渐减小，从而使上颌骨受到的向前的力逐渐减小的缘故。这提示我们临床上应用改良型微钛板种植体辅助前方牵引的过程中应该关注患者牙弓的宽度问题，尤其是牵引方向向前下方且与牙合平面夹角较小的情况下，必要时应配合扩弓治疗。

3．6 应用改良型微钛板种植体辅助上颌前方牵引时上颌骨的矢状向变化趋势

本实验中，随着牵引角度向前下方的增大，上颌骨的最大前移量逐渐减小，这是由于牵引力在矢状向上分力逐渐减小的缘故; 最大前移部位随牵引角度向前下方的增大而逐渐向上移动，提示临床治疗中，若想获得更多的面中份的前移，需要适当增加前牵方向与牙合平面的角度和牵引力值，并延长治疗时间，以更好地解决上颌骨发育不足导致的面中份的凹陷，同时，这种变化也表明当牵引角度变化时，上颌骨的旋转趋势上可能存在着改变，但具体的改变仅凭在矢状向上的位移变化还无法确定。

3．7 应用改良型微钛板种植体辅助上颌前方牵引时上颌骨的垂直向变化趋势

本实验中，牵引角度在 0°、10°、20°时，上颌骨有前部向上，后部向下的逆时针旋转趋势，且这种旋转随着牵引角度的增大而减小，说明此时牵引力线在上颌骨阻抗中心的下方，且随着牵引角度的增大，牵引力线逐渐靠近上颌骨阻抗中心; 牵引角度在 30°、40°、50°时，上颌骨有前部向下，后部向上的顺时针旋转趋势，且这种旋转随着牵引角度的增大而增大，说明此时牵引力线在上颌骨阻抗中心的上方，且随着牵引角度的增大，牵引力线逐渐远离上颌骨阻抗中心。

上颌骨在 Z 方向上的位移趋势恰好说明了其在 Y 方向上的最大前移部位随着牵引角度的增大而上移的原因，是由于随着牵引角度的增大，上颌骨的旋转趋势逐渐由逆时针旋转变为了顺时针旋转。

本实验的结果提示，在临床上应用改良型微钛板种植体辅助上颌前方牵引治疗时，对有着开牙合趋势的患者应使用向前下方与牙合平面夹角至少为 30°的牵引力; 对前牙反覆牙合深的患者，牵引力的方向应在向前下方与牙合平面夹角小于 20°的范围，或者与牙合平面平行甚至向上。此研究结果与以往的研究结果一致［21］。

4 结 论

本研究利用三维有限元法分析两类( L、Y) 共 6种改良型微钛板种植体辅助上颌前方牵引治疗时，上颌骨的位移趋势，得出以下结论: ( 1) L、Y 型微钛板种植体的应用对上颌前方牵引时上颌骨的位移趋势影响基本一致，即当牵引力的作用部位和方向确定时，改良型微钛板种植体的形态不影响上颌前方牵引时上颌骨的位移趋势。

( 2) 在应用改良型微钛板种植体辅助上颌前方牵引时，当牵引方向向前下方与牙合平面夹角在 0° ～20°时，上颌骨有逆时针旋转的趋势，对治疗反覆牙合深的患者有积极意义; 当夹角在 30° ～50°时，上颌骨有顺时针旋转的趋势，随着牵引角度向下的增加，上颌骨顺时针旋转趋势增加，最大前移部位上移，对治疗反牙合伴开牙合趋势的患者有积极意义。

( 3) 在治疗中上颌牙弓有缩窄的趋势，提示我们临床上应用改良型微钛板种植体辅助前方牵引的过程中应该关注患者牙弓的宽度问题，必要时应配合扩弓治疗。

参考文献：略

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