对两种新型远中移动序列在透明矫正器中执行效果的有限元分析

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：A finite element analysis on the execution effects of two novel distalization sequences in clear aligners

本研究提出新型远中移动序列ZC和CZC，通过有限元分析模拟长期效果，发现CZC较传统V型序列更精准，缩短疗程并提高正畸效率。

　　在现代口腔正畸领域，隐形矫治技术因其美观性、便捷性和患者友好性而受到广泛欢迎。然而，尽管其优势显著，当前的隐形矫治器在某些治疗场景中仍面临挑战，特别是对于需要磨牙远中移动的病例。传统的V型序列在隐形矫治中被广泛采用，但其效果和治疗时间常常无法满足临床需求。为解决这些问题，本研究提出了一种新的磨牙远中移动序列——CZC序列，并通过有限元分析（FEA）对其进行了模拟与评估，以比较其与传统序列在实现目标位置上的准确性和效率。

### 1. 引言

隐形矫治技术自上世纪九十年代以来已发展近30年，成为许多患者首选的正畸方式。然而，其治疗效果在很大程度上取决于牙齿移动序列的设计。牙齿移动序列指的是在正畸过程中，每一步矫治器对牙齿施加的力和方向，它直接影响治疗的进度、牙齿的最终位置以及整体的治疗效果。尽管序列设计的重要性已被广泛认可，但由于研究方法的限制，对不同序列设计的比较研究仍相对有限。近年来，随着对序列优化的关注增加，相关研究逐渐增多。

在实际应用中，V型序列是最常见的磨牙远中移动方式，特别是在需要处理II类或III类错颌畸形的病例中。该序列的特点是所有牙齿的移动轨迹呈现出一个向后倾斜的V字形，有助于在不破坏整体咬合关系的前提下，实现磨牙的远中移动。然而，临床研究表明，传统的V型序列在实现预期移动效果方面存在一定的局限性，例如，只有大约50%的计划移动能够被准确实现，这可能导致治疗时间延长，以及最终咬合关系与目标不符的情况。此外，由于矫治器在使用过程中需要患者长时间佩戴，且每次更换矫治器需要一定时间，这也增加了治疗的整体复杂性和不确定性。

因此，如何优化磨牙远中移动的序列设计，以提高治疗效率和准确性，成为当前正畸研究的一个重要方向。本研究提出的ZC序列和CZC序列正是基于这一背景，旨在通过改进传统的V型序列，减少不必要的牙齿移动，提高磨牙远中移动的精准度，并缩短整体治疗时间。

### 2. 材料与方法

本研究采用标准的牙弓三维模型，结合临床数据和文献资料，构建了一个能够模拟长期牙齿移动的有限元模型。该模型基于锥形束CT（CBCT）扫描获取的DICOM文件，通过Mimics 16.0软件提取下颌牙弓的二维断层数据，并进一步重建牙冠和牙根的模型，最终导出为STL格式。这些模型随后被导入Geomagic Studio 2014进行修复、降噪和表面优化处理，以确保其结构的完整性与精确性。

为了实现有限元分析，模型被导入Hypermesh 13.0进行网格划分，生成BDF格式的网格模型。研究中采用的是二阶四面体单元，以提高模拟的精度。通过多次尝试不同数量的网格单元（187634、265622和387983），最终确定265622个网格单元为最优选择，因为进一步细化网格对结果的影响较小，误差可以忽略不计。这表明，模型的网格划分已经达到了独立于网格的稳定状态，可以用于后续的模拟分析。

在材料属性方面，研究团队基于文献资料（如Yoshida等，2001）选择了一种合适的牙周膜材料模型。考虑到牙周膜的非线性特性，研究采用了线弹性模型、Ogden超弹性模型和简化多项式超弹性模型进行对比分析，最终确定了一种能够准确反映牙周膜力学行为的模型。该模型用于模拟牙齿在矫治器作用下的长期移动过程，并通过有限元分析评估不同序列设计对牙齿移动效果的影响。

为了评估不同序列的移动效果，研究团队设计了三种不同的牙齿移动序列：V型序列（21个阶段）、ZC序列（22个阶段）和CZC序列（17个阶段）。这些序列的结构和关键参数在图中进行了直观展示，以便于观察每种序列下牙齿在不同阶段的移动状态。其中，V型序列的特点是所有牙齿的移动轨迹呈现出V字形，而ZC序列则通过分阶段、多组的移动模式，实现了更精细的控制；CZC序列则是在ZC序列的基础上进一步优化，通过减少阶段数量和增加同步性，提高了整体效率。

研究中采用迭代有限元模拟的方法，对三种序列进行了比较分析。所有序列的总移动距离设定为3毫米，且初始和目标位置保持一致，以确保比较的公平性。通过控制“移动序列设计”这一变量，研究团队能够排除其他因素的干扰，从而更准确地评估不同序列对牙齿移动效果的影响。此外，模拟过程中仅关注牙齿的远中移动，而不包括扭矩调整、旋转或倾斜等复杂运动形式，以确保研究的聚焦性和准确性。

### 3. 结果

通过有限元分析，研究团队对三种序列在长期移动过程中的最终位置进行了计算，并与设计目标位置进行了对比。结果显示，CZC序列的牙齿最终位置最接近目标位置，其次是ZC序列，而V型序列的偏差最大。这一结果表明，CZC序列在实现磨牙远中移动方面具有更高的精度和效率。

在具体分析中，研究团队选取了第1、5、8、12、17和最终阶段的数据，并将其汇总在表格中。由于数据具有对称性，研究团队将右下颌牙齿1至7的运动分解为六个自由度（包括平移和旋转），并计算了每个自由度与目标位置的偏差。通过对比不同序列的偏差情况，研究团队发现V型序列在多个自由度上均表现出较大的误差，而CZC序列的误差最小，说明其在控制牙齿移动方向和幅度方面更为精准。

此外，研究团队还对三种序列的执行率进行了评估。执行率指的是实际移动距离与计划移动距离之间的比值，反映了序列设计的有效性。结果显示，V型序列的执行率为45.7%，ZC序列为51.4%，CZC序列则达到了57.1%。这一数据进一步支持了CZC序列在提高移动效率方面的优势。

### 4. 讨论

#### 4.1 长期牙齿移动结果的合理性

本研究采用的有限元模拟方法借鉴了文献中的经典模型，即假设牙周膜的初始变形能够最终反映为长期牙齿移动的变形。虽然该方法没有考虑力衰减等复杂因素，但其在比较不同序列设计的效果方面具有良好的适用性。通过与已有文献（如Hamanaka等，2017）的对比，研究团队发现其结果与以往研究一致，进一步验证了模型的合理性。

#### 4.2 ZC和CZC序列的科学有效性

在传统V型序列中，磨牙远中移动常常伴随着前牙的舌向倾斜和前磨牙的近中移动，这种“反向移动”不仅影响治疗效果，还可能增加牙周组织的并发症风险，如牙槽骨脱位和牙根吸收。为解决这些问题，ZC和CZC序列的设计理念在于通过分阶段、分组的移动方式，减少前牙的反向移动，从而提高整体的治疗效果。

尽管已有研究指出，单侧移动不应超过两颗牙齿（如Daher，2011），但本研究发现，这一限制并非绝对。在特定的移动策略下，可以移动超过一半的牙齿，只要总的反向力能够满足生物力学要求。研究团队指出，关键在于设计的移动序列是否能够有效控制反向力，而非单纯地增加移动牙齿的数量。通过合理的序列设计，CZC序列能够在移动四颗牙齿的情况下，实现更高效的远中移动，同时保持良好的锚定效果。

#### 4.3 ZC和CZC序列的设计逻辑

传统的V型序列将整个牙弓视为一个整体，其设计逻辑较为简单，但在某些复杂病例中可能无法提供足够的控制。相比之下，ZC和CZC序列引入了“子宏观结构”的概念，即将整个牙弓划分为多个子结构，如前牙组、前磨牙组和磨牙组，并在每个子结构中实施独立的V型移动策略。这种分组设计使得牙齿的移动更加协调，减少了不必要的反向移动，提高了整体的治疗效率。

CZC序列进一步优化了这一设计理念，通过消除子结构之间的刚性边界，实现了跨子结构的同步移动。例如，在磨牙组开始移动后，CZC序列能够提前激活前磨牙组和前牙组的移动，从而在更早的阶段实现空间的传递和牙齿的同步调整。这种跨组同步移动的设计不仅提高了牙齿移动的效率，还增强了锚定效果，使得磨牙能够更稳定地向远中移动，而不受其他牙齿移动的影响。

#### 4.4 ZC和CZC序列的生物力学特性

研究表明，隐形矫治器在牙列缺失区域的结构刚性显著低于牙列完整区域，这会直接影响矫治器的力传递效率和锚定稳定性。因此，如何减少牙列缺失区域的长度，成为优化矫治器性能的关键。在传统V型序列中，由于前牙移动较晚，导致牙列整体长度在后期显著增加，这不仅影响了力的传递效率，还可能降低锚定效果。

相比之下，ZC和CZC序列通过提前启动前牙的移动，使得牙列在移动过程中能够保持更短的缺失区域长度。这种设计不仅减少了矫治器的拉伸和压缩，还提高了力的均匀分布，从而增强了牙齿移动的准确性。具体而言，ZC序列在移动过程中，牙列长度的最大增加仅为1毫米，而CZC序列则为1.5毫米，远低于传统V型序列的3毫米。这一结果表明，ZC和CZC序列在控制牙列长度变化方面具有明显优势，能够有效减少不良生物力学效应，提高矫治器的性能。

#### 4.5 ZC和CZC序列的临床优势

从临床角度来看，ZC和CZC序列在特定病例中表现出显著的优势。例如，在II类1分类错颌畸形中，前牙的唇向倾斜常常会因磨牙远中移动而加剧。传统V型序列由于前牙移动较晚，导致前牙在磨牙移动过程中无法及时调整位置，从而增加了唇向倾斜的风险。而ZC和CZC序列通过提前启动前牙的移动，能够更早地实现前牙的舌向直立，从而减少唇向倾斜的发生。

此外，在牙齿拥挤的病例中，传统V型序列的延迟移动可能导致美学效果不佳，影响患者的治疗体验和依从性。相比之下，ZC和CZC序列通过提前传递空间，使得前牙能够在更早的阶段得到调整，从而改善整体的咬合关系和外观效果。这种提前干预的设计不仅提高了治疗的效率，还增强了患者的满意度。

#### 4.6 研究的局限性

尽管本研究的有限元分析结果具有一定的科学依据，但其在某些方面仍存在局限性。首先，研究中未考虑正畸治疗中的“复发”现象，即牙齿在矫治结束后可能因力的撤除而发生回位。已有研究表明，牙齿在受到外力后，如果立即被用作锚定牙齿，其复发的风险会显著增加。因此，本研究的结果可能在一定程度上高估了治疗效果。

其次，研究中未模拟矫正力随时间衰减的过程，这在实际临床中是一个重要的因素。由于牙周膜、牙槽骨和牙齿均为复杂的异质结构，研究团队在有限元建模过程中对其进行了简化，以提高计算效率。然而，这种简化可能会导致模型与真实临床情况存在偏差，因此需要进一步通过临床试验进行验证。

此外，患者的依从性也是影响隐形矫治效果的重要因素。尽管研究团队在模型中模拟了牙齿的移动，但未能考虑患者在实际佩戴过程中的行为变化，例如是否按时更换矫治器、是否正确佩戴等。这些因素可能会影响矫治器的实际效果，因此需要在后续研究中加以考虑。

### 5. 结论

本研究通过有限元分析的方法，对传统的V型序列进行了改进，提出了ZC和CZC两种新的磨牙远中移动序列。结果表明，这两种序列在实现牙齿移动目标方面比传统V型序列更为精准和高效。其中，CZC序列的执行率最高，显示出其在缩短治疗时间和提高治疗效果方面的潜力。

研究团队指出，CZC和ZC序列的设计逻辑在于通过分组和同步移动，减少不必要的牙齿移动，提高锚定效果，并优化力的分布。这种设计不仅提高了牙齿移动的准确性，还增强了矫治器的性能，使得治疗过程更加可控和高效。

然而，研究团队也强调，目前的有限元分析结果仍需通过临床试验进行进一步验证。由于模型简化和未考虑力衰减等因素，研究结果可能与实际临床情况存在一定的差异。因此，未来的研究应更加注重临床验证，以确保这些新序列在真实病例中的应用效果。

总体而言，本研究为隐形矫治技术的序列设计提供了新的思路，也为正畸医生在临床实践中优化治疗方案提供了理论支持。随着技术的不断发展和研究的深入，这些新序列有望在未来的正畸治疗中发挥更大的作用，为患者提供更高效、更精准的治疗体验。