安氏Ⅲ類伴上頜發(fā)育不足生長發(fā)育期患者前方牽引聯(lián)合快速擴弓矯治后上氣道三維形態(tài)學及計算流體力學的研究.pdf

1、背景和目的：
　　安氏Ⅲ類錯(牙合)畸形伴上頜發(fā)育不足是臨床中較為常見的一種錯(牙合)畸形，在骨性Ⅲ類錯(牙合)患者中發(fā)病率高達42％-63％。臨床表現(xiàn)為上頒發(fā)育不足，下頜發(fā)育正?；蜻^度。該類錯(牙合)對口腔和全身健康造成不良影響，如顳下頜關(guān)節(jié)紊亂、牙齒擁擠不齊、不易清潔導致齲齒;咀嚼功能降低，食物咀嚼不充分影響兒童的營養(yǎng)攝入，造成機體營養(yǎng)不良;影響容貌美觀及患兒心理健康。嚴重的上頜發(fā)育不足還會造成鼻腔及氣道腭咽部的狹窄，而縮窄的

2、上氣道會影響氣道內(nèi)的流場特征使患者的通氣功能受到影響，進一步誘發(fā)更加嚴重的并發(fā)癥，因此，生長發(fā)育期的早期矯形治療十分重要。
　　前方牽引聯(lián)合快速擴弓(protraction headgear and rapid maxillaryexpansion，PE)是治療生長發(fā)育期骨性安氏Ⅲ類錯(牙合)畸形的有效方法。上頜快速擴弓通過水平向牽張尚未閉合的腭中縫，刺激骨縫內(nèi)形成新骨;前方牽引通過對上頜骨施以矯形力，使上頜前移，刺激上頜骨矢狀和

3、垂直向生長，同時對上頜骨的骨膜牽張，刺激上頜骨的表面骨生長;利用頦兜限制下頜骨生長，使下頜骨發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)移位。前方牽引產(chǎn)生的內(nèi)向分力可對腭中縫產(chǎn)生擠壓力，造成腭前部的壓縮，而聯(lián)合上頜快速擴弓，可以打開上頜骨與其他顱頜面骨的骨縫鏈接，激活骨縫內(nèi)的細胞反應(yīng)活性，增加前方牽引的效果。以往對于正畸治療對上氣道影響的研究多集中在二維上，如上氣道的徑線測量等，導致三維方向上的某些信息的丟失。隨著計算機技術(shù)的提高與數(shù)字化技術(shù)在臨床中的廣泛應(yīng)用，學者

4、們利用CBCT以及MRI等影像學的方法從三維方向評價上氣道的解剖形態(tài)變化情況;應(yīng)用各種類型的上氣道生物力學模型來探究氣流流場特征及不同治療方法對氣道氣流流場的影響。而關(guān)于安氏Ⅲ類錯(牙合)畸形伴上頜發(fā)育不足生長發(fā)育期患者PE治療后上氣道氣流動力學改變的研究，目前未見報道，PE治療對上氣道形態(tài)和流體力學特征的影響有待于評價。
　　計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)是流體動力學領(lǐng)域中發(fā)展

5、迅速的一項技術(shù)，它的基本方法是將CT或MRI掃描獲得的上氣道圖像數(shù)據(jù)通過建模軟件建立精確的三維模型，利用計算機技術(shù)進行有限元模擬，應(yīng)用力學控制方程求解氣流動力學相關(guān)參數(shù)，如流速、壓力分布、剪切力、氣流場等。CFD有限元法模擬是一個把整個計算域分散成在上百萬個彼此相連的控制體積，確定狀態(tài)變量及微分方程式后分別求解每個控制體積，之后再積分形成聯(lián)立方程組并求解的計算過程，簡言之，是化整為零分析，積零為整研究。CFD技術(shù)排除了模型試驗中不確定的

6、干擾因素，數(shù)值仿真模擬氣流，單位劃分精細，測量準確度高，已經(jīng)逐漸成為上氣道疾病診斷及治療效果評估的一種有效工具。
　　本研究運用Mimics軟件和CFD數(shù)值模擬技術(shù)，研究安氏Ⅲ類錯(牙合)伴上頜發(fā)育不足患者經(jīng)PE矯治后上氣道的三維形態(tài)學和流體力學變化，為臨床通過錯(牙合)畸形的矯治改善上氣道通氣功能提供重要的理論依據(jù)。
　　方法：
　　隨機選取30例完成PE治療的安氏Ⅲ類伴上頜發(fā)育不足生長發(fā)育期患者為PE組，其中男性1

7、6例，女性14例，治療前平均年齡為9.42±0.35歲，治療后平均年齡為10.19±0.25歲。PE組均使用Hyrax腭中縫擴展裝置快速擴弓（每日旋轉(zhuǎn)2～4次，每次1/4圈）2～3周，直至上頜磨牙的舌尖對應(yīng)下頜磨牙頰尖時停止擴弓。擴弓結(jié)束后封閉螺絲孔，保持上頜擴弓效果;前方牽引器采用全可調(diào)式前方牽引器，牽引方向與牙合平面呈向下的30度，每側(cè)力值約500g，每天牽引時間不少于14小時。每3周復診一次，直至獲得前牙覆蓋為3～5mm，且磨牙關(guān)

8、系為安氏Ⅰ類或Ⅱ類時治療結(jié)束，平均療程為7.62±1.27個月。
　　PE組研究對象為生長發(fā)育期患者，治療期間患者自身的生長發(fā)育對研究結(jié)果會造成一定的影響，對照組由30例還未治療的安氏Ⅲ類伴上頜發(fā)育不足生長發(fā)育期患者（年齡10.25±0.37歲，男16例，女14例）組成。對照組與PE組患者根據(jù)性別、年齡、生長發(fā)育情況一一配對，比較兩組患者的BMI指數(shù)顯示無統(tǒng)計學差異(P＞0.05)。
　　由同一操作者使用意大利New Tom

9、5G CBCT掃描機對PE組治療前(T1)、治療后(T2)以及對照組進行頭頸部掃描，掃描時患者處于仰臥位，獲得的數(shù)據(jù)以DICOM格式輸出并儲存。用Mimics16.0軟件對上氣道數(shù)據(jù)進行三維重建及T1、T2數(shù)據(jù)配準。配準采用基于顱底特征點的圖像配準方法，在T1、T2組治療前后的三維重建模型的前顱底上設(shè)置標志點，先用點配準進行基本配準，再用STL配準以提高配準精度。配準后觀察上下頜骨、舌骨、上中切牙及牙弓的變化，測量上氣道各部分體積、長度

10、、最小橫截面積(Smin)及氣道橫截面的最大左右徑(LR)和最大前后徑(AP)，計算氣道三維形態(tài)的變化。進行流體力學分析時，先將重建好的三維模型導入ICEM軟件進行網(wǎng)格劃分，然后利用Fluent16.0軟件進一步對氣道內(nèi)流場特征進行仿真模擬，求解氣流動力學相關(guān)參數(shù)，如流速、壓力等，并計算各部分的壓降，即氣道阻力的變化。
　　使用SPSS軟件(Version19.0，SPSS，Chicago，USA)進行統(tǒng)計學分析，所有測量項目以均

11、值±標準差(mean±SD)表示，采用t檢驗進行T1、T2組及對照組上氣道三維形態(tài)及流場特征變化的比較。其中采用配對樣本t檢驗來比較PE組T1、T2測量數(shù)據(jù)，使用獨立樣本t檢驗比較T2組與對照組的各個測量項目。咽部壓降與氣道形態(tài)學參數(shù)變化量之間的相關(guān)關(guān)系采用皮爾森相關(guān)性檢驗(Pearsoncorrelation analysis)分析。
　　結(jié)果：
　　1.安氏Ⅲ類伴上頜發(fā)育不足生長發(fā)育期患者PE矯治后上氣道三維形態(tài)學的變化

12、
　　比較T1組和T2組，經(jīng)PE治療后上頜骨和上切牙切緣向前上方移動，下頜骨和舌骨向后下方移動，上頜牙弓寬度和長度增加。T2組上氣道總體積增加，上氣道的鼻咽部、腭咽部、舌咽部體積和最小橫截面積均增大，治療前后有統(tǒng)計學差異。其中上氣道體積和最小橫截面積增加最顯著的部位在腭咽(P＜0.01)，分別比治療前增加了20.44±6.45％和25.67±3.27％。腭咽部和舌咽部氣道的AP/LR增大，較治療前更趨于圓形(p＜0.05);而喉咽

13、部的AP/LR減小，有統(tǒng)計學差異?；颊邭獾雷钚M截面位于腭咽下界，治療前腭咽形態(tài)一致性Smin/Smean為0.55±0.15，治療后為0.86±0.23，明顯優(yōu)于治療前(P＜0.01)。
　　比較T2組和對照組，發(fā)現(xiàn)T2組上氣道的鼻咽部、腭咽部氣道體積和最小橫截面積均增大，治療前后有統(tǒng)計學差異。舌咽和喉咽部氣道體積和最小橫截面積無明顯變化。腭咽部氣道的AP/LR增大，較治療前更趨于圓形(p＜0.05)。喉咽部AP/LR比值減小，

14、有統(tǒng)計學差異。而鼻咽部和舌咽部氣道的AP/LR比值無明顯變化。經(jīng)T2組和對照組數(shù)據(jù)對比，排除生長發(fā)育因素后發(fā)現(xiàn)，上頜骨和上切牙切緣、下頜骨和舌骨水平向和垂直向移動量，上頜牙弓寬度和長度均有顯著性差異;鼻咽部和腭咽部氣道體積、最小橫截面積、形態(tài)一致性Smin/Smean及腭咽部氣道AP/LR、喉咽部AP/LR有顯著性差異。
　　2.安氏Ⅲ類伴上頜發(fā)育不足生長發(fā)育期患者PE矯治后上氣道流場特征的變化
　　對患者上氣道氣流流場進行

15、數(shù)值模擬后發(fā)現(xiàn)，PE治療前隨呼吸氣流不斷向下，從鼻咽到喉咽氣道內(nèi)壓力不斷降低，其最大負壓位于喉咽部，最大壓降位于腭咽部。治療后隨著氣道形態(tài)學的改變，上氣道內(nèi)鼻咽、腭咽、舌咽的最高壓、最低壓和壓降均普遍降低，其中，變化最明顯的部位位于腭咽。PE治療后腭咽部的最大負壓及壓降較之前下降了51.11％±16.49％及39.41％±11.33％，而較對照組分別下降了34.91％±19.36％及20.54％±11.24％。
　　比較T1組和T

16、2組，隨著上氣道內(nèi)氣流壓力的分布的變化，PE治療后上氣道內(nèi)的流速減緩，腭咽部流速減慢最明顯，由治療前的14.25±2.59 m/s下降為治療后8.84±1.74 m/s(P＜0.05)，較治療前降低了37.96±3.57％，橫截面流速分布相對均勻。鼻咽部的流速則由治療前的5.35±1.19m/s下降為治療后的4.07±1.07m/s，較治療前降低了23.92±3.51％。T2組與對照組相比，鼻咽和腭咽氣流流速降低，有統(tǒng)計學差異。