垂直 V 形弯曲力系统: 3D 弹性和刚性矩形矫正线的体外评价

摘要

本文提出的方法是建立和验证体外3D 模型, 能够测量由两个支架之间放置的 V 形弯曲的不同矫正线所产生的力系统。另外的目标是比较这个力系统与不同类型的矫正线和以前的模型。

摘要

正确理解各种正畸器械所产生的力系统, 可以使病人的治疗效率和可预测性。将复杂的多支架装置减少到简单的双支架系统, 以进行力系统评估, 将是朝这个方向迈出的第一步。然而, 这方面的正畸生物力学大部分限于2D 实验研究, 计算机建模/分析或理论外推现有模型。本协议的目的是设计、构造和验证一种体外3D 模型, 能够测量在两个支架之间放置 V 形弯曲的弓产生的力和力矩。另外的目标是比较不同类型的矫正线在他们自己和以前的模型中产生的力系统。为此, 我们模拟了一个 2 x 4 装置, 代表一个臼齿和一个门牙。正畸导线测试仪 (OWT) 是由两个多轴力传感器或负载细胞 (纳米传感器) 构成的, 正畸支架连接。负载单元能够测量所有三平面空间中的力系统。测试了两种类型的矫正线, 不锈钢和β钛三不同大小 (0.016 x 0.022 英寸, 0.017 x 0.025 英寸和 0.019 x 0.025 英寸)。每根导线接受一个垂直的 V 弯被系统地安置在一个特定位置以预定义的角度。类似的 V 形弯曲在不同的矫正线上复制, 在11个不同的位置之间的磨牙和切牙附件。这是第一次在体外尝试使用 V 形弯曲对不同矫正线的正畸装置进行模拟。

引言

临床正畸治疗的一个重要方面是了解 multibracket 装置产生的力系统。明确了解基本的生物力学原理有助于提供可预测的结果, 并尽量减少潜在的副作用¹。近年来, 随着支架位置和设计的增加, 在矫正线中放置弯曲的趋势越来越远;然而, 综合正畸治疗仍需要在矫正线中放置弯曲。弯曲, 当放置在不同的类型和大小的矫正线, 可以创建各种力量系统, 适合不同类型的牙齿运动。虽然在考虑多齿时, 力系统会变得相当复杂, 但一个有用的起点可能涉及简单的双支架系统。

迄今为止, V 型弯曲力学主要是在第二阶分析, 利用数学模型^1,2,3,4,5和/或基于计算机的分析/模拟⁶. 这已经对涉及相邻支架的拱导线的二阶相互作用所涉及到的力系统有了基本的理解 (图 1)。然而, 这些方法施加一定的边界条件, 以运行模拟, 可能不会在实际的临床情况下, 可能会发生偏差。最近, 提出了一种新的体外模型, 涉及力传感器, 以测量三维 (3D) 的力量和创造的时刻, 不仅评估第二级弓支架相互作用, 但也在第三级⁷。然而, 不同类型的矫正线对沿切牙磨牙弓的不同弯曲位置的力系统的影响没有得到评价。此外, 这项研究仅涉及弹性正畸矫正线的评价, 这不是牙齿运动发生的主要矫正线。因此, 本研究的目的是评估在不同位置的方形不锈钢和β钛矫正线在一个3D 设置涉及磨牙和切牙支架所产生的力系统。临床医生需要知道的力量系统应用于牙列时, 具体组合的弓支架组合被用来修复错用。

本文研究了三平面空间的正畸力系统, 模仿临床实际。据了解, 临床上测量力系统是极其困难的;因此, 这种测量必须在体外进行。假设在实验室中由 V 形弯曲产生的力系统在病人口中被复制是相似的。创建了一个工作流来评估如何配置实验设置 (图 2)。

正畸钢丝测试仪 (OWT) 是一种创新产品, 由正畸的分工与生物工程 & 北京大学生物动态实验室, 康涅狄格健康, 法明顿, CT, 美国 (图 3) 合作开发。它的目的是准确模仿上颌牙齿的安排, 在口腔内和一些内部的条件, 同时提供测量的力量系统创建的所有三平面空间。OWT 的主要机械部件是数据采集装置 (数据采集器)、纳米力/扭矩传感器、湿度传感器、温度传感器和个人电脑。测试装置放置在具有温度/湿度控制的玻璃外壳内。这允许部分模拟口腔内环境。该数据采集器作为三传感器的接口: 湿度传感器、力/力矩传感器、热敏电阻以及位于平台上的传感器的测试设备 (图 3)。这些链接与一个软件程序。软件是可视化编程的平台和开发环境, 用于控制不同类型的硬件。它被选择自动化的正畸线测试仪。

在检测仪器上设置了一系列铝钉, 以表示上颌牙弓的牙齿。两个代表右中央切牙和右第一磨牙的钉子连接到传感器/负载单元 (S1 和 S2)。负载单元是一种机械装置, 可以测量所有三个平面 (x-y) 中应用到它的力和力矩: f_x、f_y和 f_z;m_x, m_y, 和 m_z。该钉是有系统地定位, 以创建牙科弓形式。每一个 peg 是由一个精确记录的测量分离, 用平均牙齿宽度计算, 在患者正畸治疗。为实验选择的形状是由标准模板创建的 "卵球形" 拱形式。

研究方案

1. 实验设置

1. 使用定制的 "夹具", 标记在 OWT 铝钉上放置磨牙管和门牙托架的精确位置。
2. 粘结标准自结扎支架与复合材料。光治疗40秒。
3. 将 0.021 x 0.025 英寸不锈钢 (SS) ' 卵球形 ' 上颌弓插入支架插槽中。
4. 将测试仪器放在玻璃腔内。
5. 检查是否有任何意外的弓激活。任何激活的弓将自动创建一个力系统, 将显示在计算机屏幕上。
6. 如果观察到任何弓激活, 则重新定位托架。重复步骤 1.2-1.5。

2. 制作模板弓 (图 4)

1. 在测试仪器中放置一个弓 (0.021 x 0.025 SS)。
2. 使用永久性标记来指示以下内容: 1) 中线, 2) 一点, 紧靠门牙支架 (I) 和 3), 立即内侧到磨牙管 (M)。对弓的对侧也做同样的事。这是模板拱线。
3. 将弓与标记的点转移到图表纸上。
4. 在图形纸上制作弓的精确副本。
   注: 此图纸可用于确定样品的所有矫正线的 V 形弯的位置。
5. 计算拱线段 (L) 从 I 到 m 的周长。
6. 现在, 马克11点从我到 m。每一点都是未来的 V 折弯位置。
   1. 将每个点标记为₀到₁₀。
   2. 请确保每个折弯位置与另一项之间的大小相等。
7. 通过计算每个位置的/L 为每个折弯位置获取唯一的数字/比率。

3. V 型弯的放置

1. 从样品中取一个新的弓。
2. 把它放在模板弓/图形纸上, 并将其中一个十一折弯位置双边地转移到弓。
3. 使用矩形弓钳或轻钢丝钳, 使对称的 V 弯在两个位置。
4. 将弓放在玻璃板/平面平台上, 并检查弓两端与量角器的角度测量。
5. 如果需要, 调整两端, 以便创建150°的角度。
6. 对示例的所有矫正线重复步骤3.1 到3.5。

4. 测量力系统 (图5和 6)

1. 打开用于数据记录的软件程序 (参见材料表)。
2. 为要保存的数据创建一个新文件夹。
3. 单击 "运行" 启动软件。该程序将在每个传感器上实时显示三个力和三力矩值。
4. 等待大约10-15 秒的数据记录软件的波动停止。确保该软件上的图形线为部队系统的所有组件显示 "平坦" 线。
   注: 所有六测量在每个传感器将显示微不足道的价值 (力量 < 1 g 和时刻 < 10 g 毫米)。
5. 从平台上轻轻地移除 "测试设备"。使用 Weingart 钳将弓插入到摩尔管中。
6. 用牙周洁打开门牙支架的门。
7. 提起弓的前部, 并将其插入托架插槽中。确保弓中线与测试仪器的中线重合。
8. 将测试仪器返回平台并关闭玻璃室的门。
9. 将温度设置为摄氏37摄氏度。等待一分钟的温度, 玻璃室调整。
10. 单击软件上的 "开始保存" 按钮, 并允许软件保存/传输数据至少10秒。再次单击 "开始保存" 按钮以结束数据传输, 然后单击 "停止"。
    注: 每个测量周期在10秒内为每个组件 (f_x、f_y、f_z、m_x、m_y和 m_z) 生成100读数。
11. 转到包含已保存数据的文档, 并将数据集复制/导出到自定义设计的数据分析电子表格 (请参阅辅助表)。选择正确的 V 形折弯位置编号和特定导线样本以插入数据。
12. 对该特定折弯位置的10矫正线重复步骤4.3 到4.11。
13. 现在, 将矫正线的计算方法和标准偏差复制到单独的电子表格中, 以创建数据的图形表示形式。
14. 对所有折弯位置和矫正线类型重复步骤4.2 到4.13。
    注: 矫正线包括不锈钢 (SS) 和β钛 (ß钛), 具有以下尺寸: 0.016 x 0.022 英寸, 0.017 x 0.025 英寸, 0.019 x 0.025 英寸。

5. 错误评估

1. 按照步骤 4.1-4.4 中的说明运行计算机/软件
2. 从平台上取出 "测试设备"。
3. 获得一个直长 0.021 x 0.025 英寸 SS 线。使用轻线钳, 弯曲线的一端成一个小钩。将弓的游离端插入从远端的摩尔管中。
4. 将测试仪器放回平台上。
5. 将已知重量 (50 克) 附加到挂钩上。让它在垂直平面上自由悬挂, 消除任何类型的干扰。关上玻璃室的门。
6. 执行步骤 4.10-4. 11。
7. 对切牙支架重复步骤 5.1-5.6。
8. 输入作为 "测量值" 的摩尔管的托架和 Mx 的熔体值。
9. 现在应用平衡等式 (参见补充文本) 计算 "预期值"。

结果

传感器板中心的每个传感器所经历的总力和总力矩由其三个正交分量表示: f_x、f_y和 z 轴, 表示沿 x 轴、y 轴和 z 轴线的作用力,分别m_x, m_y, m_z表示在同一轴周围的时刻。传感器的初始测量将数学转换为支架所经历的力和力矩值 (图 7)。

一系列图表显示垂直力在...

讨论

正畸矫正线已研究了不同的方式^8,9,10,11。他们也被评估了各种机械性能, 但他们很少被分析, 以确定的力量系统, 他们将创建^12,13,14,15。三点弯曲试验普遍用于评价正畸矫正线;然而, 它们通常是在没有任何?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Force/Torque  Sensors/Transducers	Nano17 F/T Sensors,  ATI Industrial Automation, Apex, NC, USA		Part of the OWT
CHS Series Humidity  Sensor Units	TDK Corporation		Part of the OWT
Temperature sensors	(Murata NTSDXH103FPB30 thermistor) Murata Manufacturing Co., Ltd		Part of the OWT
LabVIEW 7.1.	Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench, Version 7.1		Software Program
Self-Ligating brackets	Empower Series, American Orthodontics.		Orthodontic Brackets
Stainless steel archwires	Ultimate Wireforms, Inc. in Bristol, CT		Archwires
Beta-Titanium Archwires	Ultimate Wireforms, Inc. in Bristol, CT		Archwires
Data acquisition device (DAQ)	National Instruments (NI) USB 6210		Part of the OWT
Ortho Form III (Archform template)	3M Oral Care, St. Paul, MN, USA		Ovoid arch form
Weingart Plier	Hu-Friedy Mfg. Co., LLC Chicago, IL		Orthodontic Plier
Light wire Plier	Hu-Friedy Mfg. Co., LLC Chicago, IL		Orthodontic Plier