颊侧多曲簧矫治器对牙齿作用力的实验研究

商家明 王培军 韩晶莹 石瑛琦 徐实谦 陈 萍 李碧瑶

颊侧多曲簧矫治器是由侯录教授带领团队研发的，针对安氏Ⅲ类错畸形进行早期矫治的活动矫治器(图1)[1]。该矫治器由上、下颌托与多曲簧组成，其矫治原理是通过矢状向打开多曲簧，使多曲簧发生形变压缩而产生持续、柔和的矫治力，矫治力通过颌托作用于上、下颌全牙列及颌骨，促进上颌发育同时抑制下颌过度发育，从而完成安氏Ⅲ类错畸形的矫治[2, 3]。颊侧多曲簧矫治器自研发以来，应用于临床多年，矫治效果良好。近年来，笔者医院多位研究者就该矫治器结构的稳定性、矫治前后软硬组织的变化、矫治器产生矫治力的变化规律、多曲簧疲劳断裂、矫治器对颞下颌关节的影响、矫治器对颌骨生长发育的影响等方面进行了大量的研究。以往关于颊侧多曲簧矫治器作用力的研究仅限于矫治器作用于颌托所产生的总体力值，从未进行单颗牙齿上所受矫治力大小的研究。为了避免矫治器应用中出现上前牙唇向倾斜、下前牙舌向倾斜等不良反应，本实验测量了颊侧多曲簧矫治器对牙齿的作用力，进而明确矫治机制及矫治器的安全性，进一步完善颊侧多曲簧矫治器的相关实验研究。

图1 颊侧多曲簧矫治器

材料与方法

1.实验仪器：空间三维测力仪(哈尔滨工业大学，专利号：200810064015.9)，薄膜压力传感器(RFP-601)(杭州宇博智能科技有限公司)(图2)，RFP 转换模块(杭州宇博智能科技有限公司)，万用表(上海宝工工具有限公司)，稳压电源(哈尔滨工业大学)，开闭口模拟仪(哈尔滨工业大学)，管式真空电炉(哈尔滨工业大学)，MAGICS 软件，MATLAB 软件。

图2 薄膜压力传感器

2.实验材料：国产医用不锈钢丝(上海齿科医疗器械厂)，Φ=0.8mm。颊侧多曲簧胎具(自制)，医用口腔梯形钳(长沙市天天齿科器械有限公司)，固位腭管(杭州爱丽丝口腔医疗器械有限公司)，自凝牙托粉、牙托水(日进齿科材料有限公司)。

3.实验方法及内容：(1)国产医用不锈钢丝 480℃真空加热处理：截取25cm不锈钢丝 90 根置于管式真空电炉中，电炉设置温度为480℃，30min 后关闭电源,随炉冷却至室温后取出[4]。(2)建立牙齿受力测试模型：扫描患者牙模型形成三维数字模型，辅助3D设计软件 MAGICS 对数字模型进行修正。将所测试牙齿分为3个区段：中切牙区段(牙齿11、21、31、41)，尖牙区段(牙齿13、23、33、43)，磨牙区段(牙齿16、26、36、46)。使用 MAGICS 软件将测量区段牙齿唇(颊)侧面处理成近似传感器尺寸大小的光滑平面，平面与牙冠长轴角度尽可能与牙面原有角度一致(图3)。由于传感器直径为6mm，于是将上颌、下颌两个中切牙分别处理为同一个牙面。数字模型经MAGICS 软件处理后通过 3D 打印取得树脂测试模型。(3)颊侧多曲簧矫治器的制作及装配：取加热后的不锈钢丝，按照颊侧多曲簧胎具，由同一人弯制统一规格的曲簧(高18mm、长 26.5mm)[1,5]。制作自凝树脂颌托并粘接固位腭管。将树脂测试模型及矫治器安装到仿真模拟开闭口装置上。(4)薄膜压力传感器电压-力值(v-g)线性校正标定：调整薄膜压力传感器位置以使全部感测区域与空间三维测力仪压杆尾端平面均匀接触，将其固定在与三维测力仪操作台垂直的平面板上。打开空间三维测力仪，启动压杆使其施力于薄膜压力传感器，施力总范围为0～500g，力值间隔为10g，记录不同力值及其对应的万用表电压数。相同施力值重复测量电压10次，取平均值。使用软件 MATLAB 绘制力值-电压(v-g)的拟合曲线并得到拟合方程。(5)颊侧多曲簧矫治器作用下牙齿受力测量：依次测定上颌各区段牙齿腭侧面和下颌各区段牙齿唇(颊)侧面受力大小。选定测试牙位，连接薄膜压力传感器测力系统。分别将双侧颊侧多曲簧矢状向均匀打开，总打开长度为 2、4、6、8、10mm，分别安装在两侧固位管处(图4)，依次记录电压值为V1～V5。同一牙位利用 5 对曲簧进行多次测量，取平均值。最后，根据力值-电压拟合方程进行数据处理，将电压值 V1～V5转换为力值F1～F5。

图3 测试模型的MAGICS图像

图4 矫治器制作和装配

4.统计学方法：采用SPSS 24.0统计学软件对数据进行统计分析，采用单因素方差分析，以P<0.05为差异有统计学意义。

结 果

1.获得薄膜压力传感器力值-电压(v-g)线性关系(图5)，并计算出拟合方程。薄膜压力传感器电压-力值的校正拟合方程为：y=1.604×e-0.08359x+3.426×e-0.002342x，详见图5。

图5 传感器线性校正拟合曲线(v-g 曲线)

2.测量颊侧多曲簧矢状向打开不同长度时，每个牙齿所受压力值：颊侧多曲簧矢状向打开 2、4、6、8、10mm 时，记录各牙位测得的电压值(表1)，根据传感器拟合曲线和拟合方程，得到颊测多曲簧打开后牙齿所受压力值(表2)。随着颊侧多曲簧矢状向打开长度的变化，每个区段牙齿所受力量不同，所测得矫治力均小于30g。颊侧多曲簧矢状向打开 10mm 时，中切牙区段受力最大：右上中切牙受力22.12±6.21g，左上中切牙受力20.78±2.31g，下颌中切牙受力19.30±2.68g。

表1 颊侧多曲簧矢状向打开不同长度，各牙位测得的电压值

表2 颊侧多曲簧矢状向打开不同长度，各牙位测得的力值

3.颊侧多曲簧矢状向不同打开长度时，不同区段牙齿的作用力力值比较：随着颊侧多曲簧矢状向打开长度的增加，所有区段测试牙齿牙面承受的力量均相应增大(图6)。当多曲簧矢状向打开4mm时，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，可见相比尖牙与磨牙，中切牙区段受力更大。当多曲簧矢状向打开4mm时，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，上颌尖牙受力大于上颌磨牙，下颌尖牙受力小于下颌磨牙。颊侧多曲簧矢状向打开不同长度时牙齿所受矫治力值比较，差异有统计学意义(P均<0.05)。

图6 颊侧多曲簧矫治器作用下，各牙齿受力大小折线图A.牙齿11、13、16 牙齿受力值；B.牙齿21、23、26 牙齿受力值；C.牙齿31、33、36 牙齿受力值；D.牙齿41、43、46 牙齿受力值

讨 论

薄膜压力传感器为单点式、圆形、厚度仅为0.15mm的压阻式传感器，柔韧性好，将传感器放置在两接触面之间，随着压力增加，其输出电阻值越小，可用于测量各种接触面之间的压力[6]。本实验将薄膜压力传感器放置在牙面与矫治器之间，测量矫治器对牙齿的作用力。Valdevit等[7]研究发现薄膜压力传感器与接触表面若形成扭结会影响传感器的输出及数据准确性。牙齿表面有复杂的曲度，边缘嵴、发育沟等结构也使牙面不平整。这些因素会使传感器受力不均衡，造成实验误差，所以本实验使用 MAGICS 软件对牙面进行预处理是非常有意义的。同时传感器的校准条件也非常接近正式实验中的使用条件，因此使用薄膜压力传感器所测得的数据有较高的准确性与可靠性。

颊侧多曲簧矫治器通过矢状向打开多曲簧从而产生矢状向颌间作用力，从而解除反。颊侧多曲簧加力后，上颌颌托切牙段有脱离上切牙唇面的趋势，下颌颌托切牙段有脱离下切牙舌面的趋势。所以，上颌切牙段受力面主要为上切牙腭面，受力方向为垂直于腭面、由远中向近中；下颌切牙段受力面主要为下切牙唇面，受力方向为垂直于唇面、由近中向远中。因此，本实验选择将薄膜压力传感器放在上颌切牙舌面与下颌切牙唇面测量矫治力值，其结果在一定程度上可以反映出牙齿在颊侧多曲簧加力作用下的受力情况。

颊侧多曲簧的临床应用中，医生通过矢状向将多曲簧打开进行加力，矢状向打开距离越大，产生矫治力越大。何志伟等[8]测得颊侧多曲簧矢状向打开2.0～3.0mm，产生作用于颌托的颌间矫治力约350g，矫治力作用于整个牙列与颌骨。本实验结果显示,当多曲簧矢状向打开2mm时，上颌中切牙、尖牙及磨牙所受力值总和约20g，尽管本实验未测量侧切牙与前磨牙所受矫治力，实验结果仍然可以说明颊侧多曲簧矫治器所产生的矫治力大部分通过颌托传递给颌骨，进而引起颌骨及颞下颌关节的改建，仅有小部分矫治力分散在牙齿上。

实验结果显示,与尖牙、磨牙比较，中切牙区段所受压力值较大。颊侧多曲簧打开 2mm 时，前牙区测试牙面受到的压力均小于5g；打开4mm 时，前牙区测试牙面受到的压力均小于10g；打开 6mm 时，前牙区测试牙面受到的压力均小于16g。有研究表明，临床上对切牙施加9.9g或更小的力就能使牙齿倾斜移动[9]。颊侧多曲簧矫治器的矫治周期一般为 2～3 个月，且除吃饭外需全天佩戴，矫治器对牙齿施加的持续轻力容易使其产生倾斜移动[10]。因此在临床使用中，保证矫治器骨性效应的同时，应控制颊侧多曲簧矢状向打开长度，防止牙性效应的比重增加。本实验中颊侧多曲簧打开 6mm 时，测得上颌中切牙腭面受到压力约16g，下颌中切牙唇面受到压力约11g，且牙齿受力随着颊侧多曲簧打开长度增加而增大。因此，临床复诊加力时，颊侧多曲簧矢状向单次打开长度应尽量小于 6mm，以减少牙性效应。同时可对上前牙腭面和下前牙唇面对应的颌托组织面进行缓冲，减少牙面受力，可减轻矫治器导致的上前牙唇倾和下前牙舌倾的程度[2]。

研究通过实验对前磨牙施加颊向25g牵引力，发现8周后发现牙根表面有轻微不同直径的吸收腔，并且随着时间的推移其严重程度增加[11～13]。Gonzales等[14]获得了同样的结论，并认为8周后才出现根吸收可能是由于施力8周左右后破骨细胞活性增加所致。间歇力比连续力显著减少牙根吸收[12,15～17]。本实验结果发现，当多曲簧矢状向打开10mm时，上颌中切牙所受力值22.12±6.21g，存在牙根面吸收的风险；当多曲簧矢状向打开6mm内时，中切牙、尖牙、磨牙受力均小于20g，颊侧多曲簧矫治器对牙齿作用力为间歇轻力，具有较高安全性、稳定性。

本实验中测得颊侧多曲簧矫治器对磨牙施加的颊舌向力量比较小。这是由于矫治力只有极小部分作用在磨牙颊舌面，更多的集中在磨牙邻间隙及面牙尖近远中斜面等处。尖牙位于牙弓转角，相比于磨牙来说，尖牙分担较多的近远中矫治力。而下颌磨牙所受力值大于尖牙，分析原因是矫治力通过固位腭管传递给颌托，可能导致固位腭管对应的牙齿(上颌尖牙或下颌磨牙)承受了更多的力量。

实验结果显示，随着颊侧多曲簧矢状向打开不同长度，每个牙齿所受矫治力均小于30g，可见矫治力大部分通过上下颌牙列传递给颌骨, 而分散在牙齿的力值较小，其产生的牙性效应较小，安全性好。本实验为体外模拟实验，矫治器加力在实验条件下符合临床矫治力标准，实验结果具有一定的参考意义。本研究主要测量了矢状向矫治力对牙齿力量的分布，临床使用中也会根据患者覆情况做垂直向的打开，后续也将对垂直向矫治力做进一步深入研究。颊侧多曲簧为人工弯制而成，尽管经样规标准检测，但仍存在轻微误差。本研究为体外模拟实验，而口内环境可能对实验结果造成影响，例如唇颊舌肌作用力、口内温度及唾液湿润环境。由于实验中使用的薄膜压力传感器只能测试施加在感测区的压力，无法测得其他复杂的力系统，后续研究中将进一步测试磨牙近远中方向受力大小。