《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Combined effects and weight analysis of factors affecting initial maxillary central incisor retraction: a three-dimensional finite element study
编辑推荐：
摘要
引言：研究正畸力在牙周膜（periodontal ligament, PDL）内产生的应力分布，对于量化机械刺激、将其与后续组织学反应相关联，并最终确定循证的最佳力值至关重要。本研究旨在评估牙槽骨高度丧失、牙齿移动类型和牙槽骨密度对上颌中切牙初始内收的联
摘要
引言：研究正畸力在牙周膜（periodontal ligament, PDL）内产生的应力分布，对于量化机械刺激、将其与后续组织学反应相关联，并最终确定循证的最佳力值至关重要。本研究旨在评估牙槽骨高度丧失、牙齿移动类型和牙槽骨密度对上颌中切牙初始内收的联合生物力学效应，并量化各因素对牙周膜应力的权重。方法：基于锥形束计算机断层扫描（cone-beam computed tomography, CBCT）数据，构建了包含上颌骨、牙列、牙周膜及正畸装置的三维（three-dimensional, 3D）有限元模型。通过组合五种牙槽骨高度丧失水平（0–4 mm）、四种牙齿移动类型和四种牙槽骨密度水平（通过皮质骨杨氏模量模拟：12,500–27,500 MPa），建立了80种实验工况。施加1 N双侧内收力，计算牙冠和牙根的初始位移及牙周膜最大von Mises应力。采用多元线性回归量化各因素的贡献。结果：牙槽骨高度丧失显著增加了牙齿位移和牙周膜应力。不受控倾斜移动和受控倾斜移动导致较大的矢状向内收和牙根压入，而整体移动和受控牙根移动则与较大的远中舌向旋转相关。然而，骨密度影响位移但对牙周膜应力无显著影响。回归模型（R2 = 0.80）显示，牙齿移动类型对牙周膜应力的影响最强，其次为牙槽骨高度丧失（β = 0.535, p < 0.05）。除4 mm骨丧失合并不受控倾斜移动外，所有工况的牙周膜应力均低于0.026 MPa安全阈值。结论：这些发现为这些变量的联合效应提供了新的定量生物力学证据，可指导个体化力控制策略及人工智能辅助正畸决策系统的开发。
论文解读：上颌中切牙初始内收影响因素的三维有限元联合效应与权重分析
一、研究背景与目的
正畸力作用于牙齿及其周围支持组织（包括牙周膜和牙槽骨）后，在牙周膜内产生的应力分布被视为启动组织改建的关键因素，其决定了细胞反应的类型和强度，进而影响牙齿移动速度。适宜的力值能够促进牙槽骨的生理性改建，保证牙齿以最佳速率稳定移动。然而，最佳力值受多种因素共同影响，除临床施加力的大小外，牙槽骨高度丧失、牙齿移动类型和牙槽骨密度也发挥重要作用。既往研究多孤立地考察单一因素的影响，如Jeon等发现牙槽骨高度丧失可增强牙周膜应力，Tanne等探讨了力矩与力的比值（moment-to-force ratio, M/F）与旋转中心（center of rotation, CRot）的关系。但关于这些因素联合效应的研究仍十分有限。临床上正畸力控制常依赖医生经验和试错性调整，显著影响治疗效率与效果。随着人工智能（artificial intelligence, AI）和机器学习（machine learning, ML）的发展，量化各因素权重并构建预测模型可为临床决策提供支持。上颌中切牙位于牙弓最前端，对正畸力高度敏感，易出现牙根吸收、骨开窗和骨开裂等不良后果。有限元分析作为一种高精度、非破坏性的结构应力分析技术，被广泛用于正畸生物力学研究。本研究旨在系统评估牙槽骨高度丧失、牙齿移动类型和牙槽骨密度三种因素对上颌中切牙初始内收的生物力学联合效应，并定量评估各因素对牙周膜应力响应的贡献权重。
二、研究技术与方法
研究人员基于一名20岁健康志愿者（正常咬合、牙周健康、无正畸史）的锥形束计算机断层扫描（cone-beam computed tomography, CBCT）数据，在Mimics、Geomagic Studio和SolidWorks软件中构建了包含上颌骨、牙列、牙周膜（periodontal ligament, PDL）及正畸装置的三维（three-dimensional, 3D）有限元模型。通过骨表面均匀内移建立0–4 mm五级牙槽骨高度丧失模型；通过施加递增力矩并依据牙冠和牙根尖的矢状向位移估算CRot，定义不受控倾斜移动、受控倾斜移动、整体移动和受控牙根移动四种移动类型；通过调整皮质骨杨氏模量（27,500、22,500、17,500、12,500 MPa）模拟四种骨密度水平（I–IV级），共组合出80种实验工况。在ANSYS Workbench中进行静力结构分析，施加1 N双侧内收力，记录牙冠和牙根的初始三维位移及牙周膜最大von Mises应力，并采用多元线性回归量化各因素贡献。该研究经青岛市市立医院伦理委员会批准（审批号：2025-KY-091）。
三、研究结果
3.1 上颌中切牙牙冠和牙根的三维位移
在水平方向上，随着牙槽骨高度丧失增加，近中牙冠倾斜和远中牙根倾斜的幅度均增大。各移动类型中，牙冠和牙根位移量排序一致为：不受控倾斜移动 < 受控倾斜移动 < 整体移动 < 受控牙根移动。骨密度降低时，牙冠位移呈轻微增加趋势，牙根位移相对稳定。矢状方向上，各移动类型的牙冠和牙根位移均随牙槽骨高度丧失增加而增大，不受控倾斜移动产生最大位移，其次为受控倾斜移动、受控牙根移动和整体移动。骨密度降低对四种移动类型的位移影响方向不一。垂直方向上，牙槽骨高度丧失增加时多数工况下牙冠和牙根位移幅度增大；不受控和受控倾斜移动中牙冠呈伸长趋势，且不受控倾斜移动中伸长更明显；整体移动和受控牙根移动中牙冠压入更为显著；牙根在各移动类型中均呈压入趋势。
3.2 上颌中切牙牙周膜生物力学性能
牙周膜最大von Mises应力随牙槽骨高度丧失增加而逐渐增大。四种移动类型的牙周膜最大应力排序为：不受控倾斜移动 > 受控倾斜移动 > 整体移动 > 受控牙根移动。受控倾斜移动在骨丧失≥1 mm时、整体移动在骨丧失≥3 mm时，应力随骨密度降低而增加，其余移动类型中该趋势不明显。应力云图显示所有工况下牙周膜整体应力水平较低，最大应力始终出现在舌侧颈缘区域，未发现广泛应力集中区域。
3.3 多元线性回归分析
多元线性回归模型R2 = 0.80（F = 41.204, p < 0.05），表明三个自变量共同解释了牙周膜应力80%的变异。牙槽骨高度丧失（B = 2.066, β = 0.535, p < 0.05）为显著正向预测因子。与不受控倾斜移动相比，受控倾斜移动、整体移动和受控牙根移动均与显著更低的牙周膜应力相关（p均< 0.05），分别降低7.122 × 10?3 MPa、9.206 × 10?3 MPa和9.896 × 10?3 MPa。牙槽骨密度对牙周膜应力无显著预测作用。标准化系数显示各因素对牙周膜应力的影响由大到小依次为：受控牙根移动（β = ?0.784）、整体移动（β = ?0.729）、受控倾斜移动（β = ?0.564）和牙槽骨高度丧失（β = 0.535）。回归方程为：牙周膜应力 = 11.722 + 2.066 ×（牙槽骨高度丧失）? 7.122 ×（受控倾斜移动）? 9.206 ×（整体移动）? 9.896 ×（受控牙根移动）。
四、讨论与结论
讨论部分指出，牙槽骨高度丧失通过使阻抗中心向根尖移位而增大牙齿三维位移。不受控倾斜移动中，当骨丧失≥2 mm时牙冠伸长趋势超过牙根压入，这与牙冠舌向倾斜的指数级增加有关。牙槽骨密度降低导致更大的内收量、更明显的远中舌向旋转和更显著的牙根压入。以Lee提出的26 × 10?3 MPa为参考阈值，除4 mm骨丧失合并不受控倾斜移动外，其余工况均低于该阈值。临床建议方面，对于Angle II类2分类或Angle III类伴切牙过度直立的患者，可先用圆丝进行初始不受控倾斜移动恢复唇倾度；对切牙唇倾过度但牙根位于基骨中央者，优先选择受控倾斜移动；骨性前突且切牙唇倾度正常者适用整体移动；CBCT显示牙根靠近唇侧皮质骨时需采用受控牙根移动。对牙槽骨高度丧失患者，应采用较高力矩和较低内收力，并缩短复诊间隔。本研究存在局限性：静态有限元无法完全模拟体内动态改建过程；装置系统简化未考虑托槽-弓丝接触、结扎方式及余隙等；单一解剖模型可能限制结果外推性；线性回归难以捕捉变量间复杂的非线性交互。未来研究应结合大样本参数化有限元数据集开发机器学习模型，整合动态组织改建算法，并在多样本临床队列中验证。
研究结论：本研究系统考察了牙槽骨高度丧失、牙齿移动类型和牙槽骨密度对上颌中切牙初始内收生物力学的联合效应。通过80种工作条件和多元线性回归，研究人员分析了三维牙齿位移并量化了各因素对牙周膜应力的权重。这些发现为上述变量的联合效应提供了新的定量生物力学证据，可指导个体化力控制策略及人工智能辅助正畸决策系统的开发。该论文发表于《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》。
