横腭杆在正畸临床中的应用及其力学机制的研究进展

    横腭杆（transpalatal arch，TPA）是正畸临床中常用的一种腭侧矫治装置。1972 年Goshgarian 首先提出并设计了原始的TPA，其后，研究者为扩展其应用范围分别对TPA 进行了形式多样的改良。现在临床中使用的TPA 通常由不锈钢丝弯制而成，与腭部形态基本一致，横跨上腭，在其顶端正中形成U 形曲，两端通过与带环焊接或插入带环舌侧鞘、舌侧托槽等连接左右侧第一磨牙。按用途分类可以分为维持牙齿位置的被动矫治装置和移动牙齿位置的主动矫治装置两类。
    作为被动矫治装置，TPA 常常与两端的带环焊接固定，用以支抗控制，维持牙弓宽度，或作为辅助牵引装置的基座结构等。活动式TPA作为主动矫治装置可以实现双侧磨牙在三维方向上对称或不对称的移动。随着微种植体在正畸临床的广泛使用，TPA与之联合使用使矫治效率得到提高。TPA连接双侧第一磨牙构成一个双力偶系统，根据力学原理对此系统进行分析可以明确系统中力和力矩的方向以及相对大小，增强临床医师对于TPA矫治机制的理解。
    1.被动矫治装置
    1.1 磨牙支抗控制
    传统观念认为在拔牙矫治病例中应用TPA 可以加强上颌磨牙支抗，有学者提出其原理是TPA可以维持上颌磨牙宽度，在磨牙受力近中移动时其牙根接触密度较高的颊侧骨皮质，产生“骨皮质支抗”；同时舌体组织可对TPA 产生向上向后的力，帮助增强支抗。然而Bobak等通过有限元分析研究发现TPA对牙周组织中应力应变分布的影响不超过1%，而牙周膜中的应力应变分布正是支抗的基础，因此认为从理论上讲TPA 并不能加强磨牙支抗。
    Diar-Bakirly 等的研究结果显示单独使用TPA 无法减少支抗丢失。另一方面，与单独使用TPA 相比，将TPA 改良使其与其他支抗加强装置结合使用，如口外弓、多用途弓、Nance 托等，可以更好地加强支抗。然而相关文献大多为病例报告，缺乏随机对照实验，改良TPA在加强支抗方面的效能和效率有待进一步探究。因此，临床医师应当认识到单独使用TPA加强支抗作用的有限性，并在需要获得绝对支抗时采取其他的方法，如支抗钉等。
    1.2 维持牙弓形态
    研究者认为唇侧矫治装置有2 个难以克服的缺陷，其一是不易维持牙弓后段宽度的稳定，其二是邻牙互为支抗容易出现副作用。TPA 配合唇侧矫治器可以有效避免以上两种情况。临床上使用Ⅱ类、Ⅲ类牵引时常常可以观察到后段牙弓宽度的减小，即由于牵引力的侧向分力导致牙弓宽度变化，使用TPA 可以有效防止此类情况的出现。快速扩弓后使用TPA维持牙弓宽度是尖牙阻生干预性矫治方法之一。
    此外，双侧后牙反常常需要使用活动矫治器扩宽上颌后牙的宽度，主动矫治结束后横腭杆可以用来维持牙弓宽度，防止复发。对于牙槽突裂的患者而言，牙槽突裂植骨术后也可以即刻使用TPA以维持扩宽的上牙弓的形态。乳磨牙早失可导致第一磨牙前移或近中倾斜，使替牙间隙减少，发生牙列拥挤。TPA 可经改良用作间隙保持器，维持牙弓长度，防止这一类错牙合畸形的出现。
    1.3 辅助排齐牙列
    研究者认为唇侧矫治装置的另一限制是其固有的支抗方式，即邻牙互为支抗。使用TPA可以使牙弓两侧牙齿同时作为支抗，或互为支抗，突破唇侧矫治限制。对于颊倾的第二磨牙，临床上如果使用连续Ni-Ti 弓丝排齐，可使相邻的第一磨牙和第二前磨牙向颊侧倾斜，同时发生近中舌侧旋转；对于上颌第二磨牙颊倾导致的正锁，如使用交互牵引改正，容易造成磨牙伸长，不利于垂直向控制。而使用焊接牵引钩的TPA 牵引第二磨牙向舌侧移动，可以避免邻牙的颊倾移动，同时可以少量压低第二磨牙。
    腭侧阻生尖牙通常需要外科手术暴露部分牙冠后粘接附件，然后视其位置、方向以及和其他牙根的关系使用特定的力系统牵引助萌，并最终排齐牙列。TPA 焊接不锈钢方丝或圆丝形成悬臂梁结构，根据力学原理经过适当设计可以对阻生尖牙施加力和力矩以实现各种类型的牙移动，增强对阻生尖牙的控制。
    1.4 纠正不良习惯
    儿童生长发育过程中的一些不良习惯常常会导致错牙合畸形的发生。以吮指习惯为例，如果恒牙开始萌出时依然保留该习惯，容易引起以上前牙唇倾、间隙，下前牙舌倾，前牙开及上牙弓狭窄为主要临床表现的错牙合畸形。焊接腭网的改良TPA 可以辅助纠正包括吮指习惯、伸舌吞咽等多种不良习惯，早期干预和阻断错牙合畸形的发生发展。
    2.主动矫治装置
    作为主动矫治装置，TPA最大的特点是可以通过适当设计，实现双侧第一磨牙或后段牙弓在所有三维方向上对称或不对称的移动，辅助矫治各种类型的错牙合畸形。此时TPA在双侧第一磨牙牙冠处同时产生力和/或力偶的作用，构成双力偶系统，无法通过直接测量明确系统中力和力偶的大小和方向。运用力学原理对该系统进行分析可以得出牙齿所受力和力偶的方向及相对大小，以指导临床使用。此时应首先形成被动TPA，然后根据欲实现目标牙移动所需的力系统来设计TPA。以下就TPA在三维方向的矫治应用及其力学机制进行详述。
    2.1 横向
    TPA 可以改变磨牙间宽度以矫正牙列横向不调，纠正后牙反或锁。对称性扩宽或缩窄牙弓有3种方法：单独使用力、单独使用力矩、力与力矩合用。单独使用力时只需将TPA宽度作适当调整即可产生颊向或舌向的力使牙齿作非控制性倾斜移动。单独使用力矩则需要在TPA两侧作第三序列弯曲，使两侧第一磨牙在冠状面受到一对大小相等、方向相反的力矩，同时受到TPA在冠状面内水平方向的约束力使牙冠的自由移动受到限制，此时牙移动类型为牙根移动量大于牙冠的受控制的倾斜移动。
    理论上力与力矩合用可以实现磨牙的整体移动，即通过合理设计使施加的力与力矩等效于单个通过阻抗中心的力，使磨牙整体移动。非对称性扩宽或缩窄牙弓时同样可以使用以上3 种方法。单独使用力时弯制TPA 使支抗侧合力通过该侧磨牙阻抗中心，以整体移动对抗倾斜移动。
    单独使用力矩时在矫治侧弯制第三序列弯曲，以单侧扩弓为例，对支抗牙加负转矩，支抗侧TPA入槽后对侧TPA位于相应槽沟方，TPA就位后双侧磨牙受到一对垂直向力偶，此力偶平衡矫治侧磨牙的第三序列弯曲产生的力矩。支抗侧受到的垂直向力可通过唇侧弓丝与其他牙齿连为整体共同对抗。力与力矩合用时在支抗侧弯制第三序列弯曲，使支抗侧所受力与力矩等效力通过阻抗中心，支抗牙整体移动而矫治牙倾斜移动，从而矫正单侧反或锁。
    Tsetsilas等应用TPA对6例双侧后牙反患者和4 例单侧后牙反患者分别进行扩弓治疗，12 周治疗结束后，所有病例的后牙反都得到了有效改善，其中双侧扩弓第一磨牙间宽度平均增加（4.5±1.0）mm，单侧扩弓反侧磨牙平均移动2.5 mm且显著大于支抗侧磨牙的移动量（0.8 mm）。
    Ledra等对TPA 与连续弓丝扩弓进行了对比性研究，其结论为二者扩宽牙弓的力学机制不同，TPA可避免对邻牙产生旋转等副作用。对于TPA与其他扩弓装置如四眼圈簧、螺旋扩弓器、上颌骨性扩弓器（maxillary skeletal expander, MSE）的比较，对正畸治疗中扩弓装置的选择有一定指导意义，相关研究尚待加强。TPA 用于扩弓，其优势是弯制简单、调整方便，较其他活动矫治器舒适度更高，同时可用于扩弓后维持牙弓宽度，防止复发。但其扩弓的限度较小，只能实现牙性扩弓，一般建议双侧扩弓时不调量小于5 mm，单侧扩弓时不调量小于3 mm。
    2.2 矢状向
    TPA 配合腭中缝种植钉可以构建可靠的牵引系统，实现双侧磨牙或上牙列的近中或远中移动。一些学者利用有限元分析明确了TPA配合种植钉近移上牙列的力学机制，提出TPA 可以提供不同牵引点位以改变牵引力的方向，控制平面的改变，同时防止磨牙颊倾以及近中旋转。
    单独应用TPA 可以在矢状向实现两侧第一磨牙或后牙段的不对称移动，适用于安氏Ⅱ类亚类错牙合畸形的矫治，或者后牙段平面的调整。TPA两侧分别作前倾弯和后倾弯，对双侧磨牙在矢状平面产生等大反向的一对力偶矩，使一侧磨牙绕其阻抗中心顺时针转动，另一侧磨牙绕阻抗中心逆时针转动；与此同时，TPA 会限制双侧磨牙牙冠的移动，即牙冠有近中移动倾向的磨牙会受到远中方向的约束力，牙冠有远中移动倾向的磨牙会受到近中方向的约束力，最后产生磨牙在矢状方向的控根移动，用以一定程度上改善磨牙关系。需要注意的是，另一侧磨牙往往需要加强支抗，通常可以使用头帽、种植钉等。
    2.3 垂直向
    当TPA 与腭顶距离稍远时，舌体会对其产生向上的压力，因此可以压低磨牙，控制磨牙过度萌出。Wise等发现，与对照组相比，TPA可以对上颌磨牙的生长进行垂直向控制。但考虑到本研究为回顾性研究，其结果应审慎对待。TPA与唇挡、高位牵引合用可以早期矫治前牙开。
    近来也有报道应用TPA配合颊侧或腭侧种植钉压低上颌磨牙以矫治前牙开或露龈笑。相较于颊舌侧同时植入种植钉压低磨牙，TPA可以更好地控制磨牙转矩并辅助牵引，减少植入多个种植钉对患者产生的创伤。前述单独使用力矩扩宽或缩窄单侧牙弓时会在双侧磨牙处产生一对垂直向的力偶，因此相同的力系统可以用于少量压低或伸长单侧磨牙。以压低单侧第一磨牙为例，在支抗侧TPA 弯制正转矩，TPA 就位后矫治侧第一磨牙受到压低力，支抗侧第一磨牙同时受到伸长力和正转矩，可以使用唇侧弓丝或纤维增强树脂带等将支抗侧磨牙与其他牙齿连为整体，以减小副作用。
    2.4 旋转
    第一磨牙常常发生近中腭侧旋转，在牙弓中占据更多空间，同时使咬合关系呈安氏Ⅱ类倾向。使用唇侧连续弓丝排齐可能导致后段弓形改变，而使用TPA可以使双侧第一磨牙互为支抗，避免副作用。TPA 尤其适用于双侧磨牙都需要改正旋转的情况，此时应首先弯制形成被动TPA，然后将其两端的臂在水平面内向相反方向弯折与两端槽沟形成相同的角度，就位后对两侧磨牙分别产生大小相等方向相反的一对力偶矩，磨牙在其作用下围绕阻抗中心旋转。
    Dahlquist 等通过研究验证了TPA 改正双侧第一磨牙旋转的有效性，研究纳入50 例患儿，所有病例的磨牙旋转均得到纠正。Ingervall 等的研究指出在应用TPA 改正双侧磨牙旋转的同时会产生使双侧磨牙缩窄的作用力，并建议通过调整TPA宽度进行补偿。若为单侧第一磨牙需要改正旋转，则应只在矫治侧做弯折。例如当需要单侧磨牙近中颊向旋转时，将矫治侧TPA臂向内侧弯折，就位后矫治侧第一磨牙受到近中颊向的力矩和近中方向的力，支抗侧第一磨牙受到远中方向的力。由于TPA横向跨度较大，磨牙所受近远中方向的力较小，因此不会产生明显的副作用。此方法亦可用来远移单侧磨牙以矫治安氏Ⅱ类亚类错牙合。
    3.小结与展望
    TPA 可以独立使用或配合固定矫治器矫治特定类型的错牙合畸形，以双侧第一磨牙或后段牙弓互为支抗，避免某些副作用的产生。主动TPA 尤其适用于矫治程度较轻的上下牙列宽度不调及磨牙旋转，通过力学分析可以加深医师对于矫治机制的理解，从而指导临床应用。种植体支抗的出现拓展了正畸治疗的边界，近年来TPA 与种植体支抗联合使用进行矫治已在临床实践中得到有效运用。未来，研究者可基于TPA的矫治机制，探索更多TPA与其他矫治器联合应用的方法。