正畸力測量裝置的研究進展

姜金剛 王磊 張永德 馬雪峰

摘要：固定矯治技術(shù)能夠有效治療錯領(lǐng)崎形，在正畸臨床過程中，各矯治階段所使用正畸弓絲產(chǎn)生的正畸力大小、嬌治效果的預(yù)測多根據(jù)正畸醫(yī)生的經(jīng)驗進行判斷，治療結(jié)果完全依賴于醫(yī)生水平，易對患者造成傷害并降低治療效率。若能準(zhǔn)確的測量正畸弓絲產(chǎn)生的正畸力，實現(xiàn)正畸力量化表達，將對臨床正畸治療具有重要的應(yīng)用價值。在概述了正畸治療中牙齒移動的力學(xué)原理的基礎(chǔ)上，對有關(guān)正畸力測量裝置的研究現(xiàn)狀進行綜述，分析了該應(yīng)用研究中存在的主要問題，并對正畸力測量裝置的發(fā)展前景進行了展望。

關(guān)鍵詞：正畸力測量;牙齒移動;力學(xué)原理

DOI：10.15938/j.jhust.2021.05.001

中圖分類號：TH79;8318 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1007-2683（2021）05-0001-07

0 引言

錯領(lǐng)畸形是危害人類健康的三大口腔疾病之一，在兒童和青少年中發(fā)病率較高[1-6]。固定矯治技術(shù)是利用正畸弓絲在托槽上產(chǎn)生正畸力治療牙錯領(lǐng)最有效的方法[7-9]。正畸力的大小和方向?qū)φ委熜Ч泻艽蟮挠绊?。目前正畸力的確定主要依靠正畸醫(yī)師的正畸經(jīng)驗，在正畸治療中，牙齒的機械運動是由一系列的生物物理化學(xué)效應(yīng)引起的。正畸矯治器引起的牙周組織應(yīng)力的大小會影響牙齒的移動和牙齒的移動類型[10-11]。因此，準(zhǔn)確的測量不同正畸矯治器所產(chǎn)生的正畸力對正畸醫(yī)師設(shè)計理想的正畸矯治器具有重要指導(dǎo)意義。

1 正畸治療中牙齒移動的力學(xué)原理

在正畸治療中，牙齒移動是通過弓絲與托槽結(jié)合產(chǎn)生的正畸力和力矩來實現(xiàn)的?；狙例X移動有5種，分別是整體移動、旋轉(zhuǎn)移動、伸長或壓低移動、傾斜移動和牙根控制移動。但在實際的正畸治療中，牙齒移動是5種基本牙齒移動的組合[12]。雖然臨床的牙齒移動是復(fù)雜的。但從動力學(xué)角度看，牙齒移動可分為平移運動和旋轉(zhuǎn)運動兩種基本運動。正畸力矩M與正畸力F之比可以確定牙齒移動的類型，合適的正畸力和正畸力矩是控制牙齒移動的關(guān)鍵。它們不僅影響牙齒移動的速度和旋轉(zhuǎn)的速度，而且還影響牙齒移動的距離[13]。如圖1所示，M和F分別表示正牙力矩和力;D為阻力齒心到支架中心的距離;牙縫是牙齒的阻力中心;Crot為牙齒旋轉(zhuǎn)的中心。

2 正畸力測量裝置的研究進展

正畸力測量裝置可分為直接測量型和間接測量型。直接測量法主要用于直接測量牙齒上產(chǎn)生的正畸力。間接測量法主要用于測量牙齒模型上產(chǎn)生的正畸力。正畸力由安裝在牙齒模型上的力傳感器采集。

2.1 直接測量正畸力裝置

2009年湯文成等人設(shè)計了如圖2所示的基于彈簧力的正畸力測量裝置，本裝置采用口內(nèi)取模和口外模型測量相結(jié)合的方法[14]。根據(jù)機械力學(xué)的原理結(jié)合三維空間力學(xué)和高等機構(gòu)學(xué)理論設(shè)計制造正畸矯治力的三維測量裝置。利用四根彈簧與托槽翼相連接，用彈簧力作用重復(fù)定位托槽位置，即力的作用點，用四根彈簧的合力替代正畸力。通過測量彈簧兩端點的空間位置與伸長量，得到4個彈簧分力的大小和方向，通過空間力學(xué)的矢量合成，合成為空間力和力矩。

2011年湯文成等還發(fā)明了一種基于力傳感器的正畸力測量裝置，如圖3所示。托架底板與托架底板、插拔墊片、托架與螺母連接后與齒板粘接[15]。然后根據(jù)托槽的位置來確定各測量元件的位置?；颊吲宕骱线m的正畸力測量裝置，彈性爪與托槽連接，然后拔出可插拔墊片，記錄可插拔墊片拆卸前后的力值，可以計算出正畸力。該裝置可實現(xiàn)多個牙齒正畸力的同時測量。

2012年湯文成等發(fā)明了一種正畸力測量裝置，改善了原有測量裝置的測量效果，如圖4所示。該裝置主要由底座、調(diào)節(jié)元件和測量組件[16]組成。測量組件包括中心桿、壓力傳感器和夾緊裝置。該裝置可實現(xiàn)正畸力的快速測量，并且能夠在不需要牙體建模和佩戴的情況下進行測量，極大地提高了測量效果。

大多數(shù)正畸力測量裝置只能測量安裝在專用實驗平臺上的矯形器。如圖5所示，2014年Mencat-telli M[17]設(shè)計了一種通用的能測量多種矯治器條件下牙齒受力情況的裝置，特制的測量平臺具有6個加載單元，每個單元上安有一個應(yīng)變片，分別測量一個維度上的力。實驗作用在牙領(lǐng)石膏模型上，分析了四種超彈性弓絲和兩種隱形矯治器下的牙齒受力情況。但石膏模型缺乏生物特性，與實際牙齒移動情況差異較大。

2.2 間接測量正畸力裝置

為了提高正畸力測量的可靠性，2014年劉云峰等開發(fā)了一種正畸力測量裝置，如圖6所示。該裝置主要由支座、磁性支座、六維力傳感器和牙齒模型組成[19]。正畸矯治器安裝在牙齒模型上，需要測量的牙齒與其他牙齒分開。確定該裝置的最佳位置后，應(yīng)將磁性支座的接頭鎖緊，六維力傳感器記錄正畸力和力矩。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，不易卡住或損壞。

2017年夏澤洋等發(fā)明了一種測量裝置來測量牙周膜和牙槽骨之間的正畸力，如圖7所示。在測量過程中，首先需要建立由牙齒、牙周膜和牙槽骨組成的牙齒模型，然后將牙齒模型與支撐臺連接。該測量裝置主要由支撐底座、多維力傳感器、用于固定齒形的支撐臺組成。本裝置主要用于利用多維力傳感器測量牙周膜與牙槽骨之間的正畸力[18]。該裝置可以模擬牙周膜變形對正畸的影響。

正畸治療的牙齒移動可分為多個階段。2017年劉云峰等發(fā)明了一種測量裝置，利用不同正畸治療階段的多個牙齒模型，實現(xiàn)準(zhǔn)動態(tài)正畸力測量，如圖8所示。根據(jù)CT掃描數(shù)據(jù)建立患者的牙列模型，將患者的牙體模型分為牙冠和牙根兩部分，然后將正畸矯治器安裝于牙體模型，傳感器連接到需要測量的牙體[20]上。在測量過程中，根據(jù)不同正畸階段改變牙齒模型牙列，實現(xiàn)準(zhǔn)動態(tài)正畸矯治力測量。

在正畸力測量中，不考慮牙齒移動的情況下所測得的靜態(tài)力與臨床正畸力有很大的不同。2018年劉云峰等發(fā)明了一種可以模擬牙齒移動的正畸力測量裝置，如圖9所示。利用CT掃描得到的牙齒數(shù)據(jù)重建牙齒模型，待測牙齒分為牙冠和牙根，力傳感器安裝在牙冠和牙根之間后壓人蠟?zāi)21]。測量是在溫度控制箱中進行的，蠟?zāi)５挠捕瓤梢酝ㄟ^溫度控制進而模擬牙齒移動。該測量裝置主要由基座、牙齒模型和處理器組成，可測量正畸治療過程中的動態(tài)數(shù)據(jù)。

由于牙齒的體積太小，測量牙齒的變形和正畸力難度大。然而，2014年任超超等通過放大牙齒模型測量無托槽隱形矯形器的正畸力，如圖10所示。優(yōu)化后的壓力傳感器芯片尺寸為7mm×6mm×0.1mm，該壓力傳感器有13個應(yīng)力測量敏感單元。標(biāo)準(zhǔn)的牙齒模型被掃描并放大兩倍，利用放大的數(shù)字模型建立了實驗齒形模型。然后用環(huán)氧樹脂膠[22]將壓力傳感器芯片粘接在牙模表面，通過采集壓力傳感器芯片數(shù)據(jù)計算正畸力。

牙周組織的變形是正畸治療的基礎(chǔ)。然而，在測量正畸力時，牙周組織的變化往往被忽略。為了解決這一問題，2016年陳大亮等提出了一種基于牙體仿生模型的實驗裝置，如圖11所示。牙周膜仿生模型是由兩種硅膠Gasket Sealant No.2和RTV 587Silicone以體積比1：1混合的材料制造。根據(jù)患者的牙齒掃描數(shù)據(jù)建立牙齒模型，由正畸醫(yī)師[23]設(shè)計安裝實驗弓絲，將Nano 17六維力傳感器固定在牙齒模型上測量正畸力。

正畸測量通常是基于剛性牙體模型進行的，這與牙周組織的性質(zhì)有很大的不同。張欽等在一項研究中試圖找到一種適合牙周組織生物學(xué)特性的材料，在這項研究中，分析了蠟的機械性能，如圖12所示。搭建了一個實驗平臺，用銅棒代表牙齒，分析研究了銅棒在蠟?zāi)Ｖ胁煌苿臃绞较碌淖枇μ匦裕⒘算~棒在蠟?zāi)Ｖ胁煌\動方式下其阻力與移動速度的數(shù)學(xué)關(guān)系模型。提出了一種通過控制溫度來模擬齒形運動的方法[24]。本研究驗證了蠟作為仿生材料進行正畸力測量的可行性。

不同正畸階段的牙列形態(tài)差異較大。以往的研究只測量了三維力，無法測量三維力矩，也無法評估三維正畸力矩[25-28]。2016年Yoshiyuki等發(fā)明了一種正畸力測量裝置，可以模擬正畸治療中各種類型的牙列[29]。這個實驗裝置模仿人類的下頜，傳感器安裝在牙模的后面。如圖13所示，該裝置由六維力傳感器、動作桿、合成樹脂牙模型組成。利用這些六維傳感器可以測量正畸力和力矩。

2004年Kinzinger等設(shè)計了一種體外測量裝置用來研究擺式矯治器作用在牙齒上的矯治力及矯治力矩，如圖14所示。本實驗裝置由以下組成部分組成：在測量中他們使用了兩個ETD電熱力磨牙，該測量裝置包含用于溫度控制的電子測量單元、力矩傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)讀出裝置的傳感器單元，能夠模擬口腔中溫度的變化。這種裝置一方面可以真實地模擬體內(nèi)條件，另一方面可以精確地確定力系統(tǒng)[30]。

許多正畸生物力學(xué)文獻局限于二維實驗研究。如圖15所示，2009年Badawi H M等設(shè)計了一種三維正畸力測量裝置，能夠準(zhǔn)確測量正畸固定矯治器對同一牙弓[31]中所有牙齒施加的力和力矩。用圓柱體簡化代替每顆牙齒，圓柱體的位置可調(diào)節(jié)以模擬排列位置，每顆牙上都安裝有傳感器，對被動結(jié)扎和普通結(jié)扎下側(cè)切牙和磨牙的受力進行了測量，能初步實現(xiàn)牙弓上全部牙齒正畸力的測量，并對被動結(jié)扎與其他結(jié)扎方式力系統(tǒng)的區(qū)別進行了研究。

Fuck等使用多維力傳感器測量牙列和支架模型產(chǎn)生的正畸力，如圖16所示。牙模安裝在一個球形關(guān)節(jié)上。采用多維力傳感器針對搭建好的牙列一托槽實體模型進行了正畸力的測量，傳感器安裝在機械臂的末端，模型的位置姿態(tài)通過底座平臺調(diào)節(jié)，測量了采用鎳鈦合金弓絲、不銹鋼弓絲施加的正畸力大小[12]。

3 正畸力測量裝置應(yīng)用中的關(guān)鍵問題及未來展望

3.1 關(guān)鍵問題

臨床醫(yī)生和研究人員必須首先研究其生物力學(xué)來定義和量化應(yīng)用于牙齒的力系統(tǒng)，然后才能對這些牙齒對正畸力的臨床反應(yīng)做出有效的判斷。施加在牙齒上的力應(yīng)該是一個可控的變量，研究臨床應(yīng)用背后的生物力學(xué)可以幫助減少不良副作用[32]。正畸力測量是正畸力系統(tǒng)和牙齒運動研究的基礎(chǔ)。然而，目前正畸力測量的一些方面還有待改進：

1）目前，大多數(shù)牙列實驗?zāi)Ｐ褪怯蓜傂圆牧现瞥傻?，正畸力受彈性變形的影響，剛性實驗牙列不能反映弓絲的移動和彈性變形過程。

2）摩擦力對正畸力的影響一直是正畸領(lǐng)域的研究重點?？谇簧鷳B(tài)環(huán)境復(fù)雜，除唾液外，牙垢、牙周膜、牙齒運動、咀嚼運動、溫度、濕度等也會影響摩擦。然而，這些因素在現(xiàn)有的實驗裝置中大多被忽略。

3）實驗牙列模型的建立大多是先掃描患者的牙齒數(shù)據(jù)，然后在體外測量實驗牙列模型的正畸力。然而，體外測量不能反映人口腔的真實生物力學(xué)效應(yīng)。

3.2 未來展望

針對目前正畸力測量裝置的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題，未來正畸力測量裝置的發(fā)展主要分為以下幾個方面。

1）剛性實驗?zāi)Ｐ蜏y量的正畸力不能幫助醫(yī)生設(shè)計合適的正畸矯治器。因此，需要對仿生材料構(gòu)建的牙列實驗?zāi)Ｐ瓦M行研究。

2）在對正畸摩擦力的研究中，生物因素的影響往往被研究者忽略，應(yīng)該建立充分考慮口腔生物因素的實驗牙列模型，首先要考慮溫度、振動和濕度環(huán)境。

3）在今后的研究中，應(yīng)研制口內(nèi)正畸力測量裝置。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，可以設(shè)計出更小的傳感器，可將這些傳感器集成到正畸測量裝置中。測量裝置的結(jié)構(gòu)必須小巧輕便，在這些口內(nèi)正畸力測量裝置的幫助下，研究人員可以測量志愿者在任何正畸治療階段牙齒上產(chǎn)生的正畸力。所收集的正畸力能夠真正用于指導(dǎo)醫(yī)生設(shè)計合適的個性化正畸矯治器。

4 結(jié)論

錯頜畸形被世界衛(wèi)生組織列為三大口腔疾病之一。目前，正畸治療方案依賴于醫(yī)生經(jīng)驗，弓絲各項參數(shù)與正畸力的數(shù)學(xué)關(guān)系尚不明確，因此正畸力測量裝置的研究尤為重要。

正畸力測力裝置用于測量牙齒受到正畸力的大小，正畸力的大小取決于弓絲形狀，牙齒的移動是通過弓絲應(yīng)力引起牙周組織改建實現(xiàn)的。根據(jù)測量類型，將正畸力測量裝置分為直接測量型和間接測量型。綜述了不同類型正畸力測量裝置的結(jié)構(gòu)特點、測量過程及應(yīng)用。直接測量法具有結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便、可直接測量生物因素對正畸力的影響等優(yōu)點，但測量精度較低，不能同時測量每顆牙齒所產(chǎn)生的正畸力。間接測量法具有測量精度高的優(yōu)點，可以通過間接測量法研究具體因素對正畸力的影響。

總體來說，隨著新結(jié)構(gòu)、傳感器、新材料和相關(guān)制造技術(shù)等相關(guān)技術(shù)和理論的發(fā)展，正畸力測量裝置的應(yīng)用將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

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（編輯：溫澤宇）

收稿日期：2020-04-02

基金項目：中國博士后基金特別資助項目（20187110313）;黑龍江省普通本科高等學(xué)校青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃項目（UNPYSCT-2017082）;黑龍江省博士后特別資助項目（LBH-TZ1705）;黑龍江省普通高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金（LGYC2018JQ016）.

作者簡介：王磊（1995-），男，碩士研究生;張永德（1965-），男，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師.

通信作者：姜金剛（1982-），男，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師，E-mail：jiangjingang@hrbust.edu.cn.