本文所述方法旨在构建并验证一种 体外 能够测量置于两个托槽之间带有V形弯的不同弓丝所产生的力系统的三维模型。其他目标包括将该力系统与不同类型的弓丝以及既往模型进行比较。
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本文内容
摘要
摘要
正确认识各种正畸矫治器所产生的力系统，可使临床治疗更加高效且可预测。为评估力系统而将复杂的多托槽矫治装置简化为简单的双托槽系统，是实现这一目标的第一步。然而，目前有关此类正畸生物力学的研究大多局限于二维实验研究、计算机建模/分析或对现有模型的理论推演。本实验方案的目的是设计、构建并验证一种 体外 一种能够测量置于两个托槽之间的带V形弯的弓丝所产生的力与力矩的三维模型。其他目标包括比较不同类型弓丝所产生的力系统，并与以往模型进行对比。为此，模拟了一个代表磨牙与切牙的2×4矫治装置。构建了一套正畸弓丝测试仪（OWT），该装置由两个多轴力传感器（纳米传感器）组成，矫治托槽固定于其上。这些传感器能够测量三维空间中各个平面上的力系统。测试了两种类型的弓丝——不锈钢和β-钛合金，每种包含三种不同尺寸（0.016 × 0.022英寸、0.017 × 0.025英寸和0.019 × 0.025英寸）。每根弓丝在特定位置以预设角度系统地施加一个垂直V形弯。在磨牙与切牙托槽之间的11个不同位置，将相同的V形弯复制到各类弓丝上。这是首次尝试 体外 使用不同弓丝上的V形弯曲来模拟正畸矫治器。
引言
临床正畸治疗的一个重要方面是了解多托槽矫治器所产生的力系统。对潜在生物力学原理的清晰理解有助于实现可预测的治疗效果，并将潜在副作用降至最低1。近年来，正畸领域呈现出一种趋势，即通过托槽位置和设计来增加激活量，从而减少在弓丝上弯制弯曲的操作；然而，全面的正畸治疗仍然需要在弓丝上进行弯制。在不同类型和尺寸的弓丝上施加弯曲，可产生多种多样的力系统，适用于不同类型的牙齿移动。尽管在考虑多颗牙齿时，力系统可能变得相当复杂，但一个有益的起点是采用简单的双托槽系统。
迄今为止，V形弯曲力学主要仅通过数学模型在二阶情况下进行分析1,2,3,4,5 和/或基于计算机的分析/模拟6。这已使我们对弓丝与相邻托槽之间二阶相互作用所涉及的力系有了基本了解（图1。然而，这些方法在运行时需要施加特定的边界条件 模拟结果在实际临床情况下可能并不成立，且可能出现偏差。最近，一种新型 体外 提出了一种涉及力传感器的模型，用于测量三维（....
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方案
1. 实验设置
- 使用定制的“定位夹具”在OWT的铝制支钉上标记磨牙管和切牙托槽的精确放置位置。
- 使用复合材料粘接标准自锁托槽，光照固化40秒。
- 将一根0.021 × 0.025英寸的不锈钢（SS）“卵圆形”上颌弓丝插入托槽槽沟中。
- 将测试装置放入玻璃腔室中。
- 检查是否存在意外的弓丝激活。任何弓丝激活都会自动产生一个力系统，并在计算机屏幕上显示。
- 若观察到弓丝激活，则重新调整托槽位置，并重复步骤1.2–1.5。
2. 模板弓丝的制备（图4）
- 将一根弓丝（0.021 × 0.025 SS）放入测试装置中。
- 使用永久性记号笔标出以下位置：1）中线，2）切牙托槽 （I）远中紧邻的点，以及 3）磨牙管近中紧邻的点（M）。对弓丝的对侧也进行相同的标记。此即为模板弓丝。
- 将带有标记点的弓丝转移至坐标纸上。
- 在坐标纸上精确复制该弓丝的形状。
注意：此坐标纸可用于确定样本中所有弓丝V形弯曲的位置。 - 计算从I到M的弓丝段周长（L）。
- 现在，在I到M之间标记11个点，每个点代表一个未来的V形弯曲位置。
- 将各点依次标记为a0 ....
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结果
每个传感器在传感器板中心所受到的总力和总力矩由其三个正交分量表示：Fx、Fy 和 Fz 分别表示沿 x 轴、y 轴和 z 轴方向的力；Mx、My 和 Mz 分别表示绕这三个轴的力矩。传感器的初始测量值通过数学方法转换为托架所受的力和力矩值（图7）。
根据原始数据，绘制了一系列图表，显示了相对于各个牙齿坐标系的磨牙（Fzm）和切牙托槽（Fzi）处的垂直力、磨牙托槽处的力矩（近远中倾斜，Mxm），以及切牙托槽处的力矩/转矩（唇舌向倾斜，Mxi）随 a/L 比值的变化关系。a/L 比值表示每个 V 形弯曲在近远中方向上的位置，其中“a”为切牙托槽远中边缘到 V 形弯顶点的距离，“L”.......
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讨论
正畸弓丝已通过多种方法进行了研究8,9,10,11。尽管也对其多种力学性能进行了评估，但很少用于分析其将产生的力系12,13,14,15。三点弯曲试验常用于评估正畸弓丝，但通常在无任何弯制的直弓丝上进行。体外评估通常被优化为仅同时观察1至2个变量，这使得结果难以直接适用于临床情况。本研究的重点是通过实验确定在矩形弓丝上、沿托槽间距离不同位置设置的垂直V形曲在2×4矫治装置中所产生的三维力系。该方案与以往分析V形曲力学的方法有显著不同。这是首次建立真实的体外实验装置，利用纳米传感器模拟双托槽-弓丝.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者谨此感谢所有使本研究得以完成的同事，特别是 Aditya Chhibber 博士和 Ravindra Nanda 博士。作者谨向生物动力学 & 康涅狄格大学健康中心生物工程实验室为本项目开发期间提供的设施支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 力/扭矩 传感器/换能器 | Nano17 F/T 传感器, ATI 工业自动化公司，美国北卡罗来纳州阿普莱克斯 | OWT 的组成部分 | |
| CHS 系列湿度 传感器单元 | TDK 公司 | OWT 的组成部分 | |
| 温度传感器 | （村田 NTSDXH103FPB30 热敏电阻）村田制作所 | OWT 的组成部分 | |
| LabVIEW 7.1. | 实验室虚拟仪器工程工作台，版本 7.1 | 软件程序 | |
| 自锁托槽 | Empower 系列，美国正畸公司 | 正畸托槽 | |
| 不锈钢弓丝 | Ultimate Wireforms 公司，美国康涅狄格州布里斯托尔 | 弓丝 | |
| β-钛合金弓丝 | Ultimate Wireforms 公司，美国康涅狄格州布里斯托尔 | 弓丝 | |
| 数据采集设备 (DAQ) | 美国国家仪器公司 (NI) USB 6210 | OWT 的组成部分 | |
| Ortho Form III（弓形模板） | 3M 口腔护理公司，美国明尼苏达州圣保罗 | 卵圆形弓形 | |
| Weingart 钳 | Hu-Friedy 制造公司，美国伊利诺伊州芝加哥 | 正畸钳 | |
| 细丝钳 | Hu-Friedy 制造公司，美国伊利诺伊州芝加哥 | 正畸钳 |
参考文献
- Burstone, C. J., Koenig, H. A. Force systems from an ideal arch. Am J Orthod. 65 (3), 270-289 (1974).
- Koenig, H. A., Burstone, C. J. Force systems from an ideal arch: Large deflection considerations. Angle Orthod. 59 (1), 11-16 (1989).
- Burstone, C. J., Koenig, H. A.
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