作者：吴婉淇，黄诗婷，雷佳婕，林捷，钟萍萍，福建医科大学口腔医学院·附属口腔医院
上颌横向发育不足是临床常见的错(牙合)畸形之一，常会影响下颌骨的矢状向位置，主要临床表现为上颌牙弓狭窄、腭盖高拱、后牙反(牙合)、牙列拥挤等。上颌扩弓是Angle于1860年提出的一种正畸方法，是上颌横向发育不足、协调上下颌骨间关系主要且常用的治疗方法。
上颌扩弓通过腭中缝的横向打开和上颌后牙的颊向倾斜来增加上颌牙弓及基骨宽度，其临床效果已得到证实。有限元分析已成为预测颅面部对生物力学反应的有效工具。研究表明，颅面部有限元模型与实体之间具有良好的力学和几何学相似性，分析结果可靠。
临床治疗存在不可逆性，有限元分析可在数字模型上重复操作，避免了伦理问题，显示出独特的技术优势，可为探寻最佳扩弓方案提供生物力学研究平台。本文旨在对正畸上颌扩弓技术相关有限元分析研究进展做一综述，探讨不同技术作用下上颌骨的应力变化和牙齿的移动趋势，为临床应用提供参考。
1. 传统上颌扩弓技术
传统上颌扩弓技术包括上颌快速扩弓（rapid maxillary expansion,RME）和上颌慢速扩弓（slow maxillary expansion,SME），作为其他扩弓方式的基础，其在临床上广泛应用。
通过有限元分析，有学者发现传统Hyrax扩弓器的扩弓螺旋略高于上颌第一磨牙的阻抗中心，这有助于减少牙齿的倾斜。也有学者模拟了扩弓螺旋在Hyrax扩弓器上不同的垂直向和矢状向位置，发现将其置于更靠近咬合面、更靠前的位置，可更有效地将矫治器的机械效应传递到骨骼，获得更多的骨性效应。传统上颌扩弓技术治疗腭中缝尚未闭合及青春前期患儿效果较好，而对腭中缝骨化闭合的青春后期及成年患者疗效欠佳，且易发生后牙颊倾、牙根吸收和骨开窗等不良反应，缺乏长期稳定性。
2. 新型上颌扩弓技术
近年来，新型上颌扩弓技术如种植钉辅助上颌快速扩弓（miniscrew-assisted rapid palatal expansion,MARPE）、外科辅助上颌快速扩弓（surgically assisted rapid maxillary expansion,SARME）、上颌反复快速扩缩（alternate rapid maxillary expansion and constriction,Alt-RAMEC）等快速发展，扩大了上颌扩弓技术的适应证，并显示出良好疗效。
随着计算机辅助设计与计算机辅助制作（computer aided design and computer aided manufacturing,CAD/CAM）和3D打印技术的发展，以及越来越多的人群对舒适、美观的追求，无托槽隐形矫治也开始应用于扩弓治疗。
2.1 MARPE
近年来，MARPE已成为治疗青春后期及成年患者上颌横向发育不足的有效方法。与传统RME相比，MARPE通过种植钉获得骨源性支抗，直接对基骨施力，有助于传递腭中缝应力，减小颊侧骨板的过度应力，腭中缝趋于平行扩展，可获得较好的骨性效应。
(1)应力分布方面，有学者通过有限元分析发现，MARPE在所有颅颌骨缝产生的应力均明显高于RME，并认为这种高应力是破坏颅颌骨缝的原因，其可提升矫治效果。
(2)三维位移方面，相关有限元分析发现在施力条件相同的情况下，MARPE腭中缝位移量较RME小，提示临床上MARPE需通过加力以获得更大的横向打开量。此外，颅颌骨缝的三维位移影响上颌骨的位移趋势。
经有限元分析发现，应用RME时颧颌缝向外、后、上移位，上颌骨顺时针旋转；但Jain等在MARPE中观察到颧颌缝向外、后、下移位，上颌骨表现出轻微的逆时针旋转，其将种植钉设计于腭侧第二前磨牙和第一磨牙间。
Yoon等进行了类似的有限元分析，发现若以上颌两侧第二前磨牙和第一磨牙的接触点连线为界划分硬腭，应用MARPE时仅在后部区域（上颌两侧第一磨牙远中接触点连线上）植入种植钉，上颌骨轻微逆旋；仅在前部区域（上颌两侧第二前磨牙近中接触点连线上）植入种植钉或在前后区域均植入种植钉，上颌骨顺时针旋转。因此，制定上颌扩弓计划时可根据患者具体情况选择合适的矫治技术，对于垂直生长型患者，建议选择将种植钉植入于硬腭后部的MARPE方案，以减小开(牙合)趋势。
应用MARPE时种植钉的数量、植入部位、长度及角度均影响上颌扩弓效果。目前临床上MARPE多采用2枚或4枚种植钉，植入部位根据患者的实际情况进行调整，尚无统一标准。通过有限元分析研究种植钉数量对MARPE的影响，Yoon等发现与仅在硬腭前部或后部区域植入2枚种植钉比较，在上述部位均植入种植钉（4枚种植钉方案）更利于上颌扩弓，表现为更大的颅颌骨缝应力和扩弓量。
如前所述，矢状向上，种植钉的不同植入部位影响上颌骨的旋转趋势；冠状向上，腭中缝外侧3 mm和腭侧壁是MARPE较为常用且适宜的植入部位。Lee等经有限元分析表明，在距牙槽嵴8 mm处植入种植钉时种植体周围骨应力较小，表现为骨性扩弓且无牙的倾斜移动；而在腭中缝外侧3 mm处植入种植钉可获得更大的横向扩弓效应。对于扩弓量需求大的患者，种植钉植入于腭中缝外侧的MARPE更具优势。
种植钉的固定方式分为单皮质固定和双皮质固定，主要由种植钉的长度决定。有学者运用有限元分析比较种植钉植入于腭中缝两侧时2种固定方式的差异，发现单皮质固定时周围骨应力较大，种植钉稳定性较差；而双皮质固定有助于提高种植钉稳定性，减少变形和折断，可获得更多的扩弓量和骨性效应。
已有研究发现，种植钉受力后周围骨应力过大会破坏骨结合而影响其稳定性，易导致种植钉松动脱落，不利于上颌扩弓，支持了上述结论。然而，双皮质固定时种植钉的长度对应力分布和位移无显著影响；Yoon等研究也证实了这一结论，提示临床上在确保种植钉可到达鼻腔侧骨皮质、形成双皮质固定情况下，不必追求长度，避免损伤邻近组织。
种植钉与腭部骨面呈70～90°的植入角度在临床上较为常用。有学者通过有限元分析发现，与加力方向呈80、85、90、95、100°的种植钉植入角度对颅颌面复合体的整体应力分布无显著影响；与加力方向呈100°的植入角度种植钉初期稳定性和扩弓效果较佳，但易轴向脱位。因此，建议在种植钉具有抵抗轴向脱位力的前提下，采用与加力方向呈100°的植入角度替代垂直植入。
上颌骨性扩弓器位置后移可改变上颌复合体的旋转中心，影响扩弓效应。通过有限元分析，有学者发现上颌骨性扩弓器放置于第一磨牙间，其腭中缝打开量较大，扩弓器位置后移有利于腭中缝平行扩展。但也有研究表明，扩弓器的前后位置对上颌骨的横向扩张无显著影响，只影响上颌骨的垂直向变化，扩弓器前移，上颌骨顺时针旋转趋势增大；反之，扩张器后移，上颌骨顺旋趋势减小，甚至轻微逆旋。
综上，鉴于种植钉在正畸临床上广泛应用，为有效治疗上颌横向发育不足，有必要进一步深入研究明确种植钉的最佳植入部位和角度、上部骨性扩弓器的位置等。
2.2 SARME
对于骨骼发育成熟的患者，上颌扩弓时会受到相关骨缝限制，治疗时应关注患者的生长发育情况，如骨缝钙化融合与否，必要时辅以手术解除阻力。有研究证实，SARME的外科切口能有效减少牙齿上的应力；与无外科辅助相比，SARME表现出更多的横向扩展，建议成人骨性快速扩弓时采用外科辅助。
上颌横向扩展的主要阻力来自腭中缝、颧颌缝和翼颌连接，因此出现了腭中缝截骨术、上颌骨侧方骨皮质切开术、翼上颌分离术、Le FortⅠ型截骨术、改良Le FortⅠ型截骨术等SARME术式。SARME的适应证包括：(1)扩弓量>7 mm；(2)上颌横向严重发育不足；(3)其他技术扩开腭中缝失败后；(4)正颌手术前治疗。
近年来，陆续有学者建立有限元模型分析探讨应用SARME时不同术式下上颌骨的应力分布和位移。Le FortⅠ型截骨术、腭中缝截骨术、翼上颌分离术的组合被认为是一种有效的手术方式，该术式可明显增加上颌骨的扩张量，同时降低支抗牙周围应力过大导致的不良反应。但是，此法创伤较大，临床上不易被患者接受。
Lee等通过有限元分析对比了腭中缝截骨术（A型）、A型附加翼上颌分离术（B型）、B型附加LeFortⅠ型截骨术（C型）3种术式，发现3者在牙齿、腭中缝和颅面骨缝处的应力和位移量相似。Shi等通过有限元分析对比了腭中缝截骨术、翼上颌分离术和两者组合的手术方式，发现两者组合时，可获得较大的横向扩弓量。然而，由于翼颌连接及其相邻组织结构的解剖学复杂性、翼上颌分离术的高技术敏感性，其治疗效果存在争议。
已有有限元分析证实了翼上颌分离术可降低上颌扩弓阻力和颅颌面复合体应力，表现出更平行的上颌骨扩张效果。何映酉等通过锥形束CT测量9例经改良Le FortⅠ型截骨术的上颌横向发育不足患者的术后效果，发现改良Le FortⅠ型截骨术即可充分横向扩张上颌骨，离断翼颌连接对治疗结果无直接影响，且不会对上颌扩张量和扩张模式造成严重影响。为了减少并发症、降低手术风险，可用改良Le FortⅠ型截骨术替代Le FortⅠ型截骨术，术中不离断翼颌连接。
此外，颅颌骨缝的骨化程度与上颌扩弓的疗效相关。有学者采用3种弹性模量模拟3种具有代表性的腭中缝，有限元分析结果表明腭中缝未骨化时有无外科辅助对扩弓量无明显影响，腭中缝部分和完全骨化时SARME扩弓量相似；腭中缝未骨化时上颌骨更趋于平行扩展，有逆旋趋势。提示在临床上需对扩弓患者腭中缝进行锥形束
目前认为对于骨骼发育成熟的患者而言，SARME是一种有效的上颌扩弓方式。但该法创伤较大，使用前应严格评估患者有无手术指征，为患者制定个性化的SARME方案。鉴于腭中缝截骨术较易实施、创伤小、并发症少，仅分离腭中缝即可充分减小应力并获得足够的上颌横向扩张量，建议应用SARME时仅分离腭中缝。然而，相关手术指南尚未达成共识，可通过无创的有限元分析继续探寻创伤更小且疗效满意的手术方式，为临床应用提供指导。
2.3 无托槽隐形矫治技术
无托槽隐形矫治通过CAD/CAM技术获得个性化矫治器，能实现矫治过程的仿真预测，具有美观、舒适、方便的优点，被广泛应用于临床。既往研究认为，无托槽隐形矫治扩展上颌牙弓能有效增加牙弓宽度，主要表现为牙的颊向倾斜移动，即牙性扩弓。然而，已有学者通过有限元分析证实了替牙列期患者使用该技术上颌扩弓存在骨性效应，表明无托槽隐形矫治器也可作为骨性扩弓器使用。
目前，应用无托槽隐形矫治技术进行上颌扩弓时，预设扩弓量与实际扩弓量之间存在显著差异。最近的一项前瞻性研究表明，无托槽隐形矫治的平均扩弓效率为70%。如何提高无托槽隐形矫治的扩弓效率，成为众多学者关注的重点和研究方向。近年来，相关有限元分析主要聚焦于牙移动方案、附件设计、转矩补偿、矫治器步幅设计等。
Yao等通过有限元分析发现，与组牙移动相比，第一前磨牙和第一磨牙交替移动的扩弓效率更高，支抗损失更少。为了提高扩弓效率，建议使用交替移动法。然而，无论哪种牙移动设计，无托槽隐形矫治器用于上颌扩弓时均涉及全牙列受力，矫治器有(牙合)向脱位的趋势，应增强固位。
与无附件相比，附件设计增加了矫治器固位力，提高了扩弓效率。因此，无托槽隐形矫治上颌扩弓时常添加颊侧附件。已有有限元分析表明，使用无托槽隐形矫治器压低上颌磨牙时联合应用颊侧和舌侧附件时效果较佳，可减少后牙颊倾或舌倾。该设计是否同样适用于上颌扩弓值得进一步研究。此外，不同附件设计也会影响扩弓效率，在形状方面，圆柱形附件的扩弓效率较矩形和球形附件高；在长度方面，附件越长，扩弓效率越高。尽管附件提高了扩弓效率，但对转矩控制没有发挥积极作用。
无托槽隐形矫治上颌扩弓易导致后牙颊倾，为了减少这一不良反应，临床医生常预设转矩补偿。随着转矩补偿的增加，后牙颊侧倾斜程度减小，但上颌扩弓效率也随之减小。为避免后牙产生不必要的颊倾并获得足够的扩弓量，Zhang等通过有限元分析，对上颌扩弓效率和后牙倾斜度综合分析，建议矫治器步幅为0.1 mm时设置0.5°转矩补偿，或步幅为0.2 mm时设置1.5°转矩补偿，且不建议使用0.3 mm的步幅行上颌扩弓。但该转矩补偿量是否符合实际，尚需临床研究进一步验证。
矫治器更换频率影响矫治效率，Monisha等通过对现有前瞻性和回顾性研究进行分析，得出7、10、14 d的更换频率在疗效上没有明显差异，但每副矫治器佩戴14 d在上颌后牙压低、上颌后牙远中倾斜和颊向移动、下颌后牙伸长和压低方面疗效更佳。提示，上颌扩弓时可选择14 d更换一副矫治器。O′Connor等通过回顾性队列研究得出，与1周相比，2周更换一副矫治器的方案准确性更高，支持了这一结论。
合适的牙移动方案、附件的合理设计、适当的过矫正设计等是扩弓治疗成功的关键。有限元分析有助于无托槽隐形矫治上颌扩弓方案的设计，但具体应根据患者自身情况制定个体化矫治方案，以实现矫治效率最大化。
2.4 Alt-RAMEC
在临床实践中，Alt-RAMEC常联合前牵引用于治疗尚具有一定生长发育潜力的安氏Ⅲ类错(牙合)畸形患者。Alt-RAMEC联合前牵引可使上颌骨明显前移，下颌骨顺时针旋转，提示临床上高角、开(牙合)的Ⅲ类错(牙合)患者应慎用该技术。回顾性研究表明，与RME比较，Alt-RA-MEC能更有效纠正上颌骨矢状向发育不足，协调上下颌骨间关系，覆盖和侧貌改善更佳。
但是这种方案较为激进，在正畸界备受争议。十多年来，Alt-RAMEC在国内外已有了初步的临床应用和研究，有效性已得到临床验证，但应用不多、研究不够深入，需要进一步运用无创的有限元分析研究应用Alt-RAMEC时不同的矫治设计下上颌骨的应力改变、颅颌骨缝的位移量等，为临床应用提供指导。
3. 结语
上颌扩弓可通过多种技术实现，有效性大多已得到临床验证，但目前尚缺乏相关技术指南。医生应结合临床经验，根据患者年龄、骨缝融合程度、错(牙合)畸形类型、扩弓量、成本效益等为患者选择个性化的扩弓方式。对于腭中缝尚未闭合及青春前期患儿，传统上颌扩弓技术即可在短时间内解决横向发育不足问题。
对于腭中缝骨化闭合的青春后期及成年患者，则需通过新型上颌扩弓技术（如MARPE、SARME、Alt-RAMEC等）解决上颌横向发育不足问题。为获得最佳的扩弓效应，扩弓器的放置位置、种植钉的最佳植入方案、创伤更小且疗效满意的SARME术式、Alt-RAMEC的生物力学机制等尚需进一步研究。
随着CAD/CAM、3D打印和材料学的发展，无托槽隐形矫治技术不断进步，适应证越来越广泛，能有效增加牙弓宽度。传统观点认为无托槽隐形矫治无法解决骨性横向发育不足问题，但相关研究已证实替牙列期患儿使用该技术上颌扩弓时存在骨性效应，无托槽隐形矫治上颌扩弓的适应证有待进一步明确。
由于口颌系统的复杂性、伦理问题等，无法直接检查人体骨骼的机械性能，难以深入研究颅颌面复合体的生物力学行为。有限元分析可预测上颌扩弓的生物力学改变，避免伦理问题，为临床个性化选择扩弓方法提供指导。但目前有限元扩弓分析尚无法完全模拟复杂的口腔生物力学环境，其结果还需结合实测力学研究和长期临床研究进一步验证。
来源：吴婉淇,黄诗婷,雷佳婕,等.正畸上颌扩弓有限元分析研究进展[J].中国实用口腔科杂志,2024,17(04):481-486.
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