研究背景:上颌发育不足是骨性Ⅲ类错(?)患者最常见的形成机制之一,部分患者常同时存在三维方向的发育异常。面架前方牵引作为治疗上颌矢状向发育不足的有效矫形手段,其临床疗效获得了业界的广泛认可。然而研究表明单纯前方牵引主要通过前牙的倾斜移动纠正反(?),颌骨改建尤为有限,并且无法解决部分患者伴随的上颌基骨宽度不调(Maxillary transverse deficiency,MTD),存在较多的局限性。因此有学者建议同期施行牙支抗式上颌骨快速扩弓(Rapid maxillary expansion,RME),力求提升前方牵引骨性效应的同时改善MTD。大量研究证实了这种联合应用的有效性,但也指出其仍然存在不可忽视的牙性效应,对垂直骨面型、牙体、牙周甚至关节健康均可造成不同程度的影响。此外,牙支抗式RME联合前方牵引具有较为严格的适用年龄范围,随骨缝成熟度增高其疗效及稳定性下降,限制了其在非生长发育期患者中的应用。多年以来,国内外正畸医生致力于突破传统矫形治疗的年龄限制,并寻找更为高效和安全的治疗手段。随着种植钉辅助上颌快速扩弓(Miniscrew-assisted rapid maxillary expansion,MARME)技术的发展成熟,研究证明其不仅能够实现生长发育后期甚至年轻成人的腭中缝扩开,同时还可有效激活上颌骨周围骨缝。在此基础上,有学者尝试将上颌骨性扩弓器(Maxillary skeletalexpander,MSE)与面架前方牵引联合应用,患者上颌矢状向及横向不足均得到明显改善,垂直向控制良好。本课题组前期也使用类似方案治疗了部分恒牙早期伴MTD的上颌发育不足患者,治疗结果同样令人惊喜,但由于既往研究数量极为有限并缺乏长期疗效追踪,尚无足够的理论基础证明MSE是否对前方牵引产生了促进效应。因此,MARME或MSE联合前方牵引的作用效果及作用机制仍未完全明确,需要进一步的生物力学或生物学研究为其临床应用提供可靠的理论基础。目的:本研究拟建立基于CBCT数据的三维有限元(Finite element method,FEM)模型,对比分析MSE联合前方牵引、牙支抗式RME联合前方牵引和单纯前方牵引三种模式下,颅颌骨、骨缝、牙槽骨及牙齿在三维方向上产生的应力分布和位移趋势的差异,以期在治疗骨缝成熟度较高的上颌发育不足患者时,为其矫治方案设计、矫治装置选择及短期疗效预估等提供理论依据及治疗思路。材料及方法:选取一名12岁伴有上颌发育不足的Ⅲ类患者作为研究对象,拍摄CBCT后将数据导入Mimics 20.0软件中进行颅上颌复合体的三维模型重建,同时在3-matic Research 12.0软件中建立额颌缝、颧颌缝、颧颞缝、翼腭缝及腭中缝模型。随后利用Geomagic Studio 2014逆向工程软件建立三维实体模型,在ANSYS Workbench 15.0软件中构建Hyrax扩弓器、MSE扩弓器及种植钉模型。同样在ANSYS Workbench 15.0中将各模型组装后进行网格划分,并完成材料属性、接触关系及边界条件的设定。研究共分为三组,分别为单纯面架前方牵引组(Facemask,FM)、牙支抗式扩弓前方牵引组(Hyrax/FM)及上颌骨性扩弓前方牵引组(MSE/FM)。三组均在双侧尖牙近中靠牙槽嵴顶处施加与(?)平面呈前下30°、大小为500g的牵引力,同时在Hyrax/FM组及MSE/FM组的扩弓螺簧处分别施加每侧0.25 mm的横向位移。进入后处理阶段进行有限元分析,观察指标包括:颅上颌复合体、牙列及牙槽骨的等效应力分布:各骨缝的等效应力和最大主应力:骨性表面标志点和牙性标志点的三维方向位移;牙齿的根冠移动比率。导出分析结果云图并对结果进行归纳整理,使用GraphPad Prism 8绘制折线图及柱状图。结果:第一部分三种前方牵引模式有限元模型的建立本研究在精度较高的CBCT影像采集及建模技术的基础上,成功建立三种以四面体网格结构为主的颅上颌复合体三维有限元模型,其中FM组模型总单元数为358858个,总节点数为601677个;Hyrax/FM组模型总单元数为364319个,总节点数为604354个;MSE/FM组模型总单元数为366963个,总节点数为609389个。模型总体网格质量较高,相关骨缝结构完整,各组织结构之间接触关系合理,具有较强的生物相似性,为后续的生物力学模拟及分析过程奠定了坚实的基础。第二部分对比不同前方牵引模式下应力分布及位移趋势的三维有限元分析1.颅上颌复合体的应力分布:与FM组及Hyrax/FM组相比,MSE/FM组应力分布更为广泛,应力最大值集中在种植钉及其周围的腭部区域,支抗牙及牙槽骨受力相对不明显。2.各骨缝的等效应力:在相同的牵引力量及方向作用下,MSE/FM组在五条骨缝处产生的等效应力均大于其余两组,以腭中缝及翼腭缝增加最为显著,组内各骨缝应力由大到小为腭中缝>翼腭缝>颧颌缝>额颌缝>颧颞缝。3.各骨缝的最大主应力:三组在额颌缝处所产生的拉应力均较小。MSE/FM组在其余骨缝处产生的拉应力值更大,应力分布更为均匀广泛。4.颅颌骨位移趋势:(1)腭部扩张趋势:(?)面及冠状面示MSE/FM组腭部更接近平行扩宽,而Hyrax/FM组呈明显前宽后窄、上窄下宽的“V形”扩张模式。(2)骨性标志点位移趋势:横向上,三组的鼻骨下缘、N点及眶点移动均不明显,MSE/FM组显著增大了其余标志点的横向位移;矢状向上,三组除鼻骨下缘外的标志点均显示前移,腭部标志点位移量组间无明显差异,其余各点的最大位移均出现在MSE/FM组中;垂直向上,MSE/FM组各标志点向下方移位,ANS及PNS均下移显著。(3)上颌骨整体位移趋势:FM组及Hyrax/FM组中上颌骨均呈逆时针旋转趋势,MSE/FM组中上颌骨趋于向前下方向整体移动。腭平面旋转趋势与上颌骨整体一致。5.牙齿位移趋势:横向上,MSE/FM组后牙颊向移位较Hyrax/FM组明显减少;矢状向上,与其余两组不同,MSE/FM组仅有少量的前牙唇向及后牙近中移位;垂直向上,FM组及Hyrax/FM组前牙出现唇倾所致的假性压低,Hyrax/FM组磨牙腭尖下垂明显,MSE/FM组磨牙腭尖伸长较少。MSE/FM组中各牙的根冠移动比率均较高,在横向及矢状向均趋于整体移动。结论:1.MSE联合前方牵引可有效克服腭中缝、蝶骨及颧骨等结构产生的阻力,对颅上颌复合体各骨缝及骨表面结构产生显著应力,实现基骨平行扩张的同时显著增强颌骨前移的趋势,有助于扩张鼻腔容积,较牙支抗式RME前方牵引更具优势。2.MSE联合前方牵引时上颌骨趋于向前下方向整体移动,无明显的逆时针旋转趋势。前牙唇倾及后牙颊倾、伸长显著减少,提示其垂直向控制良好,有利于治疗高角伴开(?)倾向的骨性Ⅲ类患者。3.MSE联合前方牵引产生的应力集中于种植钉及其周围的腭部区域,支抗牙受力明显减弱,提示其可有效防止牙根吸收及牙周损伤,但应注意避免种植钉部位应力过大可能引起的种植钉折断变形、患者疼痛或边缘骨丧失。