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

1、背景和目的：
　　安氏Ⅲ類錯(cuò)(牙合)畸形伴上頜發(fā)育不足是臨床中較為常見(jiàn)的一種錯(cuò)(牙合)畸形，在骨性Ⅲ類錯(cuò)(牙合)患者中發(fā)病率高達(dá)42％-63％。臨床表現(xiàn)為上頒發(fā)育不足，下頜發(fā)育正?；蜻^(guò)度。該類錯(cuò)(牙合)對(duì)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(dǎo)致齲齒;咀嚼功能降低，食物咀嚼不充分影響兒童的營(yíng)養(yǎng)攝入，造成機(jī)體營(yíng)養(yǎng)不良;影響容貌美觀及患兒心理健康。嚴(yán)重的上頜發(fā)育不足還會(huì)造成鼻腔及氣道腭咽部的狹窄，而縮窄的

2、上氣道會(huì)影響氣道內(nèi)的流場(chǎng)特征使患者的通氣功能受到影響，進(jìn)一步誘發(fā)更加嚴(yán)重的并發(fā)癥，因此，生長(zhǎng)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(kuò)弓(protraction headgear and rapid maxillaryexpansion，PE)是治療生長(zhǎng)發(fā)育期骨性安氏Ⅲ類錯(cuò)(牙合)畸形的有效方法。上頜快速擴(kuò)弓通過(guò)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(guò)對(duì)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(zhǎng)，同時(shí)對(duì)上頜骨的骨膜牽張，刺激上頜骨的表面骨生長(zhǎng);利用頦兜限制下頜骨生長(zhǎng)，使下頜骨發(fā)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)移位。前方牽引產(chǎn)生的內(nèi)向分力可對(duì)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(kuò)弓，可以打開(kāi)上頜骨與其他顱頜面骨的骨縫鏈接，激活骨縫內(nèi)的細(xì)胞反應(yīng)活性，增加前方牽引的效果。以往對(duì)于正畸治療對(duì)上氣道影響的研究多集中在二維上，如上氣道的徑線測(cè)量等，導(dǎo)致三維方向上的某些信息的丟失。隨著計(jì)算機(jī)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(xué)者

4、們利用CBCT以及MRI等影像學(xué)的方法從三維方向評(píng)價(jià)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(xué)模型來(lái)探究氣流流場(chǎng)特征及不同治療方法對(duì)氣道氣流流場(chǎng)的影響。而關(guān)于安氏Ⅲ類錯(cuò)(牙合)畸形伴上頜發(fā)育不足生長(zhǎng)發(fā)育期患者PE治療后上氣道氣流動(dòng)力學(xué)改變的研究，目前未見(jiàn)報(bào)道，PE治療對(duì)上氣道形態(tài)和流體力學(xué)特征的影響有待于評(píng)價(jià)。
　　計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)是流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中發(fā)展

5、迅速的一項(xiàng)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(guò)建模軟件建立精確的三維模型，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行有限元模擬，應(yīng)用力學(xué)控制方程求解氣流動(dòng)力學(xué)相關(guān)參數(shù)，如流速、壓力分布、剪切力、氣流場(chǎng)等。CFD有限元法模擬是一個(gè)把整個(gè)計(jì)算域分散成在上百萬(wàn)個(gè)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(gè)控制體積，之后再積分形成聯(lián)立方程組并求解的計(jì)算過(guò)程，簡(jiǎn)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(yàn)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(xì)，測(cè)量準(zhǔn)確度高，已經(jīng)逐漸成為上氣道疾病診斷及治療效果評(píng)估的一種有效工具。
　　本研究運(yùn)用Mimics軟件和CFD數(shù)值模擬技術(shù)，研究安氏Ⅲ類錯(cuò)(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(xué)和流體力學(xué)變化，為臨床通過(guò)錯(cuò)(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(jī)選取30例完成PE治療的安氏Ⅲ類伴上頜發(fā)育不足生長(zhǎng)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(kuò)展裝置快速擴(kuò)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(duì)應(yīng)下頜磨牙頰尖時(shí)停止擴(kuò)弓。擴(kuò)弓結(jié)束后封閉螺絲孔，保持上頜擴(kuò)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(shí)間不少于14小時(shí)。每3周復(fù)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(shí)治療結(jié)束，平均療程為7.62±1.27個(gè)月。
　　PE組研究對(duì)象為生長(zhǎng)發(fā)育期患者，治療期間患者自身的生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)研究結(jié)果會(huì)造成一定的影響，對(duì)照組由30例還未治療的安氏Ⅲ類伴上頜發(fā)育不足生長(zhǎng)發(fā)育期患者（年齡10.25±0.37歲，男16例，女14例）組成。對(duì)照組與PE組患者根據(jù)性別、年齡、生長(zhǎng)發(fā)育情況一一配對(duì)，比較兩組患者的BMI指數(shù)顯示無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P＞0.05)。
　　由同一操作者使用意大利New Tom

9、5G CBCT掃描機(jī)對(duì)PE組治療前(T1)、治療后(T2)以及對(duì)照組進(jìn)行頭頸部掃描，掃描時(shí)患者處于仰臥位，獲得的數(shù)據(jù)以DICOM格式輸出并儲(chǔ)存。用Mimics16.0軟件對(duì)上氣道數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建及T1、T2數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。配準(zhǔn)采用基于顱底特征點(diǎn)的圖像配準(zhǔn)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(biāo)志點(diǎn)，先用點(diǎn)配準(zhǔn)進(jìn)行基本配準(zhǔn)，再用STL配準(zhǔn)以提高配準(zhǔn)精度。配準(zhǔn)后觀察上下頜骨、舌骨、上中切牙及牙弓的變化，測(cè)量上氣道各部分體積、長(zhǎng)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(jì)算氣道三維形態(tài)的變化。進(jìn)行流體力學(xué)分析時(shí)，先將重建好的三維模型導(dǎo)入ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后利用Fluent16.0軟件進(jìn)一步對(duì)氣道內(nèi)流場(chǎng)特征進(jìn)行仿真模擬，求解氣流動(dòng)力學(xué)相關(guān)參數(shù)，如流速、壓力等，并計(jì)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，所有測(cè)量項(xiàng)目以均

11、值±標(biāo)準(zhǔn)差(mean±SD)表示，采用t檢驗(yàn)進(jìn)行T1、T2組及對(duì)照組上氣道三維形態(tài)及流場(chǎng)特征變化的比較。其中采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)來(lái)比較PE組T1、T2測(cè)量數(shù)據(jù)，使用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較T2組與對(duì)照組的各個(gè)測(cè)量項(xiàng)目。咽部壓降與氣道形態(tài)學(xué)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(yàn)(Pearsoncorrelation analysis)分析。
　　結(jié)果：
　　1.安氏Ⅲ類伴上頜發(fā)育不足生長(zhǎng)發(fā)育期患者PE矯治后上氣道三維形態(tài)學(xué)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(dòng)，下頜骨和舌骨向后下方移動(dòng)，上頜牙弓寬度和長(zhǎng)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(jì)學(xué)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(jì)學(xué)差異。患者氣道最小橫截面位于腭咽下界，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(duì)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(jì)學(xué)差異。舌咽和喉咽部氣道體積和最小橫截面積無(wú)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(jì)學(xué)差異。而鼻咽部和舌咽部氣道的AP/LR比值無(wú)明顯變化。經(jīng)T2組和對(duì)照組數(shù)據(jù)對(duì)比，排除生長(zhǎng)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(dòng)量，上頜牙弓寬度和長(zhǎng)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(zhǎng)發(fā)育期患者PE矯治后上氣道流場(chǎng)特征的變化
　　對(duì)患者上氣道氣流流場(chǎng)進(jìn)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(fù)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(xué)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(fù)壓及壓降較之前下降了51.11％±16.49％及39.41％±11.33％，而較對(duì)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(duì)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(duì)照組相比，鼻咽和腭咽氣流流速降低，有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。