方法文章

带有垂直V形弯曲的力系统：三维 体外 评估弹性与刚性矩形弓丝

DOI：

10.3791/57339

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2018年7月24日

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1Division of Orthodontics, University of Connecticut Health, 2Private Practice, 3Department of Orthodontics, University of Melbourne, 4Department of Orthodontics, University of Nebraska Medical Center, 5Department of Craniofacial Sciences, University of Connecticut Health, 6Biomedical Engineering, University of Hartford, 7Department of Mechanical Engineering, College of Engineering and Engineering Technology, Northern Illinois University

本文内容

摘要

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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。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

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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（3D）力和力矩，该模型不仅评估二阶弓丝-托槽相互作用，还涵盖三阶相互作用7然而，不同类型的弓丝在切牙至磨牙弓丝跨度的不同弯曲位置所产生的力系尚未被评估。此外，该研究仅涉及弹性正畸弓丝的评估，而这类弓丝并非牙齿移动过程中主要使用的弓丝。因此，本研究旨在评估在包含磨牙和切牙托槽的三维设置中，于不同位置放置V形弯曲时，矩形不锈钢弓丝和β-钛弓丝所产生的力系。临床医生在使用特定的弓丝-托槽组合纠正错𬌗畸形时，需要了解施加在牙列上的力系。

本研究所述技术旨在在全部三个空间平面上研究正畸力系统，以模拟临床实际情况。需要明确的是，临床上测量力系统极为困难，因此此类测量必须在体外进行 in vitro。假设在实验室中由V形弯所产生的力系统，若在患者口腔内复制，其效果将相似。为此建立了一套工作流程，用于评估实验装置的配置方式（图2）。

正畸弓丝测试仪（OWT）是由正畸科与生物工程部门合作开发的一种创新产品 & 生物动力学实验室，康涅狄格大学健康中心，法明顿，康涅狄格州，美国图3）。它旨在精确模拟上颌牙齿在口腔内的排列以及部分口内环境，同时测量在三个空间平面上产生的力系统。OWT 的主要机械组件包括数据采集装置（DAQ）、纳米力/扭矩传感器、湿度传感器、温度传感器和一台个人计算机。测试装置置于具有温湿度控制功能的玻璃密闭箱内，以实现对口内环境的部分模拟。DAQ 作为上述三种传感器的接口： 湿度传感器，力/力矩传感器 热敏电阻器 以及传感器位于平台上的测试装置 (图3）。这些设备连接到一个软件程序。该软件是一个用于可视化编程的平台和开发环境，可用于控制多种类型的硬件。本研究选用该软件来实现矫治弓丝测试仪的自动化。

一系列铝制销钉被排列在测试装置上，用以代表上颌牙弓的牙齿。其中代表右侧中切牙和右侧第一磨牙的两个销钉连接至传感器/测力计（S1 和 S2）。测力计是一种机械装置，可测量在三个平面（x-y-z）上施加于其上的力和力矩：Fx、Fy 和 Fz；以及 Mx、My 和 Mz。这些销钉经过系统化定位，以形成特定的牙弓形态。各销钉之间的间距均依据正畸治疗患者中观察到的平均牙冠宽度精确测定并记录。本实验所采用的形态为基于标准模板设计的“卵圆形”牙弓。

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方案

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1. 实验设置

  1. 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。
  2. 使用复合材料粘接标准自锁托槽，光照固化40秒。
  3. 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。
  4. 将测试装置放入玻璃腔室中。
  5. 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。
  6. 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）

  1. 将一根弓丝（0.021 × 0.025 SS）放入测试装置中。
  2. 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。
  3. 将带有标记点的弓丝转移至坐标纸上。
  4. 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。
  5. 计算从I到M的弓丝段周长（L）。
  6. 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。
    1. 将各点依次标记为a0 至a10。
    2. 确保每个弯曲位置之间的间距相等。
  7. 通过计算每个位置的a/L值，获得各弯曲位置的唯一数值/比值。

3. V形弯曲的放置

  1. 从样本中取一根新的弓丝。
  2. 将其放置在模板弓丝/坐标纸上，并将十一个弯制位置中的一个对称地转移到弓丝上。
  3. 使用矩形弓丝钳或细丝钳，在两个位置上制作对称的V形弯曲。
  4. 将弓丝放置在玻璃板/平坦平台上，用量角器测量弓丝两端所形成的角度。
  5. 如有必要，调整弓丝末端，使其形成150°的角度。
  6. 对样本中的所有弓丝重复步骤3.1至3.5。

4. 测量力系统（图5和图6）

  1. 打开数据记录软件程序（参见材料表）。
  2. 创建一个用于保存数据的新文件夹。
  3. 点击“运行”以启动软件。程序将实时显示每个传感器上的三个力分量和三个力矩分量的数值。
  4. 等待约10至15秒，直至数据记录软件中的数值波动停止。确保软件中力系统各分量的曲线图均呈现“平坦”状态。
    注意：每个传感器上的六项测量值均应接近于零（力值< 1 g，力矩值< 10 g mm）。
  5. 轻柔地将“测试装置”从平台取下。使用Weingart钳将弓丝插入磨牙管中。
  6. 使用牙周探针打开切牙托槽的门。
  7. 抬起弓丝的前部，并将其插入托槽槽沟中。确保弓丝的中线与测试装置的中线对齐。
  8. 将测试装置放回平台，并关闭玻璃腔室的门。
  9. 将温度设定为37 °C。等待一分钟，使玻璃腔室内的温度达到设定值。
  10. 在软件上点击“开始保存”按钮，让软件至少持续保存/传输数据10秒。再次点击“开始保存”按钮以结束数据传输，然后点击“停止”。
    注意：每个测量周期在10秒内为每个分量（Fx、Fy、Fz、Mx、My 和 Mz）生成100个读数。
  11. 打开包含已保存数据的文档，将数据集复制或导出至自定义设计的数据分析电子表格（参见补充表）。选择正确的V形弯位置编号和特定的弓丝样本，以输入数据。
  12. 对同一弯制位置的10根弓丝重复步骤4.3至4.11。
  13. 随后，将计算出的弓丝均值和标准差复制到另一个电子表格中，以生成数据的图形化表示。
  14. 对所有弯制位置和类型的弓丝重复步骤4.2至4.13。
    注意：弓丝包括不锈钢（SS）和β-钛合金（ß-Ti），尺寸如下：0.016 × 0.022 英寸、0.017 × 0.025 英寸以及0.019 × 0.025 英寸。

5. 误差评估

  1. 按照步骤 4.1-4.4 所述运行计算机/软件。
  2. 将“测试装置”从平台取下。
  3. 取一段直径为 0.021 × 0.025 英寸的不锈钢直丝。使用细线钳将钢丝一端弯成一个小钩。将弓丝的自由端从远中侧插入磨牙管中。
  4. 将测试装置重新放回平台。
  5. 在钩上悬挂已知重量（50 g）的砝码，移除所有干扰，使砝码在垂直平面内自由悬挂。关闭玻璃舱门。
  6. 执行步骤 4.10-4.11。
  7. 对切牙托槽重复步骤 5.1-5.6。
  8. 将两个托槽的 Fz 值以及磨牙管的 Mx 值输入为“测量值”。
  9. 现在应用静力平衡方程（见补充文本）计算“预期值”。

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结果

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每个位于传感器板中心的传感器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 分别表示绕相同轴的力矩。传感器测得的初始数据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）相对于各个牙齿坐标系的 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 形弯曲顶点的距离，...

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讨论

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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

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作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

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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

本文使用的材料清单
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 6210OWT 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

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  1. Burstone, C. J., Koenig, H. A. Force systems from an ideal arch. Am J Orthod. 65 (3), 270-289 (1974).
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  3. Burstone, C. J., Koenig, H. A. Creative wire bending: The force system from step and V bends. Am J Orthod and Dentofac Orthop. 93 (1), 59-67 (1988).
  4. Ronay, F., Kleinert, W., Melsen, B., Burstone, C. J. Force system developed by V bends in an elastic orthodontic wire. Am J Orthod and Dentofac Orthop. 96 (4), 295-301 (1989).
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