Как работают брекеты?

05.11.2018

Из чего состоит брекет система

Когда мы говорим о брекетах (Бр), то представляем себе замочки соединенные тонкой металлической нитью. На самом деле брекет система (БС) – это нечто большее, но замки и проволочная дуга – обязательные составляющие ортодонтического несъемного аппарата.

Главная парадигма брекет системы – это механический аппарат способный развивать механические усилия и посредством их перемещать зубы в заданных направлениях. В состав такого лечебного аппарата кроме зубных замков и проволочной дуги (основных элементов системы) могут входить любые элементы или приспособления, которые способны фиксироваться к основным элементам или комбинироваться с ними.

Если лечебный аппарат производит механические силы, способные перемещать зубы, то следует описать эти элементы и принципы их работы. Начнем с ортодонтической проволочной дуги.

Ортодонтическая проволочная дуга – пружинящий элемент

Слово "braces" в переводе на русский язык означает скрепка. Не будем вдаваться в историю образования этого термина, но сегодня это следует понимать как замок, при помощи которого можно прочно прикрепиться к поверхности эмали. А так как в каждом замке есть специальный паз (специальная прорезь), то ортодонтические лечебные силы можно прикладывать к каждому зубу в любом направлении. Именно в пазы замков и вводится ортодонтическая проволочная дуга. Дуга обладает пружинящими свойствами, поэтому она тянет, толкает, вращает и разворачивает зубы.

ДО лечения брекетами, неровные зубы

 Так выглядит случай неровных зубов ДО лечения. К каждому зубу приклеивается ортодонтический замок (брекет). Для каждого зуба замок имеет специальную конструкцию (об особенностях поговорим ниже) и индивидуальную позицию на поверхности эмали.

Элементы брекет система — braces и дуга

 Металлические замки приклеены и  система готова к работе, но она еще не активна. Ортодонтическая проволочная дуга имеет свою естественную форму — идеального овала. Если смотреть на проволоку спереди, то она выглядит как ровная линия. 

Дуга привязанная к замкам тянет зубы

Дугу вводят в пазы замков и фиксируют лигатурами (в этом случае цветные эластичные лигатуры).  Таким образом  проволоку деформируют (изгибают) и она приобретает пружинящие свойства. Деформированная дуга работает как пружина, выравнивающая зубы.

 Если проволочная дуга работает как пружина, то перечислим главные критерии, определяющие работу любой пружины:

  1. Материал, из которого изготовлена пружина;
  2. Длина пружинящего элемента;
  3. Площадь поперечное сечение пружины (толщина);
  4. Форма поперечного сечения пружины;

Какие проволочные дуги используют ортодонты?

В нашей жизни достаточно много примеров использования различного рода пружин и пружинящих элементов. Часто мы даже не отдает себе отчет или не задумываемся, а используем пружины. Все пружины работают по одному закону открытым в 1660 году английским учёным Робертом Гуком:

F = k Δl 

F — сила, которой растягивают (сжимают) стержень, Δl — абсолютное удлинение (сжатие) стержня, а k — коэффициент упругости (или жёсткости).

Коэффициент упругости зависит как от свойств материала, так и от размеров стержня. Можно выделить зависимость от размеров стержня (площади поперечного сечения S и длины L)

Спиралевидная пружина

На бытовом языке он звучит так: чем сильнее необходимо сжать (деформировать) пружину, тем больше требуется для этого усилие, тем сильнее отвечает нам пружина.

Однако, не все пружины имеют вид завитушек как на этой картинке. Завитушки делают с учетом одной хитрости. Оказывается, металл не всегда пружинит. Если Вы возьмете в руки отрезок стальной проволоки и попробуете его согнуть, то проволока будет стремиться вернуться в первоначальное состояние. Так ведет себя сталь, если не сильно изогнуть проволоку. Это показатель того, что проволока находилась в состоянии упругих деформаций. Другое дело если согнуть стальной элемент сильнее. Тогда отрезок стали вернется в первоначальное положение не полностью. Это означает, что сталь вышла за пределы упругих деформаций.

Та пружина, что представлена на нашей иллюстрации имеет именно такие витки, чтобы при ее максимальном сжатии сталь работала только в зоне упругой деформации. Поэтому после прекращения давления пружина полностью распрямляется в исходное состояние.

Вернемся к ортодонтическим пружинам.

Брекет система не активная

Почти в каждой ситуации начала ортодонтического лечения невозможно изогнуть стальную проволока до такого состояния, чтобы она вошла в пазы брекетов. Для этого есть две причины. Первая: Сталь выйдет за пределы упругих деформаций (эффект, что мы описали). Поэтому на начальных этапах перемещения зубов используются дуги из высокоэластичных сплавов. Это никель титан (NiTi), а также сплавы с содержанием меди (Сu NiTi).

Брекет система активная

Использование эластичных сплавов позволяют придавать ортодонтические проволочные дугам самые причудливые изгибы при этом сохранять пружинящие свойства главного элемента механического лечебного аппарата.

Второй эффект, не позволяющий использовать стальные дуги в начале лечения. Сталь развивает очень большие силы, которые вредны зубам в начале лечения. Наша диаграмма объяснит, в чем проблема.

диаграмма деформации NiTi сплава зависимость величины силы от величины деформации Диаграмма в пределах упругих деформацийзависимости величины силы от величины деформации
 Небольшая деформация продуцирует небольшую силу  Большая деформация продуцирует большую силу в пределах упругих свойств  Очень большая деформация продуцирует большую силу в пределах неупругих свойств

 

Третья диаграмма показывает, что растяжение пружины на большую величину приводит к возникновению огромных сил, а после устранения сопротивления пружина не вернется в начальные параметры. Остаточная деформация останется в пределах "30" (абстрактных единиц на графике).

Применение стальных дуг в начале лечения приводит к слишком большим усилиям, которые вызывают боль, нарушение кровообращения, процессы лизиса и резорбции тканей.

 Диаграмма напряженно-деформированного состояние разных материалов

 

Эта диаграмма демонстрирует поведение одинаковых по величине пружин, но изготовленных из разных сплавов. Одинаковые деформации  приводят к разным силам в случае использования разных материалов. Так если мы выбирем одниковые по геометрии пружины, но выполненные из разных материалов, а затем растянем на одинаковую длину, то получим:

  • Высокий уровень сил для стальных пружин (красная кривая на графике);
  • Средний уровень сил для бета-титановых дуг (синяя кривая на графике);
  • Невысокий в случае никель-титанового сплава (зеленая линия).

Применение НиТи дуг на начальных этапах лечения позволяет поддерживать невысокие лечебные силы на протяжении длительного времени перемещения зубов. Такие усилия не повышают силу капиллярного давления, поэтому не вызывают отрицательных эффектов в организме человека. Именно эффект длительного действия эластичных дуг используют ортодонты, обещая, что посещать ортодонта можно один раз в 2или даже 4 месяца.

Однако, НиТи дуги также имеют ограничения в использовании. Когда по мере лечения, развороты и отклонения зубов становятся незначительными, то эластичные дуги перестают работать. Их силы становятся слишком слабыми при небольших деформациях. Вот на этом этапе и начинают использовать сталь. Небольшая деформация стали вызывает небольшие, но действенные силы, это так же видно на диаграмме.

Мы обсудили как материал пружины (дуги) влияет на ее работу. Переходим ко второму критерию пружины –  длина пружинящего элемента. 

Зачем ортодонты используют петли и 
изгибы на ортодонтической дуге?

С какими проблемами чаще всего обращаются к ортодонту? Конечно же с кривыми зубами, то что научно называется скученное положение зубов. Угадайте какие зубы исправить сложнее, верхней челюсти или нижней? Понять, что будет исправить легче положение зубов верхней челюсти или нижней – это как решить задачу с несколькими неизвестными. Очень много факторов определяющих категории сложности лечения. Но сложно спрорить с доводом "чем эффективнее работает система, тем лучше движется процесс". Эффективность брекет системы определяется в первую очередь эффективностью работы пружины. Рассмотрим на примере стандартного случая скученного положения зубов.

Скученное положение зубов ДО лечения

Так выглядит ситуация ДО лечения.

Установка системы осуществлялась поэтапно. Вначале прклеены замки на верхний зубной ряд.

Керамическая брекет система установлена на верхнюю челюсть

Обратим внимание на то, какая длина участков проволочной дуги между разными брекетами.

Дистанции пружинящих элементов на верхней челюстиВ среднем дистанция между замками верхней челюсти равна 3-5 мм.

Керамическая брекет система установлена на нижнюю челюстьЧерез несколько месяцев устанавливаем систему на нижний зубной ряд.

Дистанции пружинящих элементов на нижней челюсти

Дистанции между брекетами нижней челюсти значительно меньше, чем на верхней челюсти. Длина участка зубной дуги между центральными резцами пблизка к нулю. В каком же случае брекет система будет более эффективной?

длина пружины определяет лечебные силы

Давайте воспользуемся бытовой логикой. Какая пружина работает лучше, с десятью  витками, или с одним? Очевидно, что длиннная пружина работает на большей дистанции и обладает лучшими пружинящими свойствами по сравнению с короткой пружиной.

Этот вывавод можно сделать из формулы Гука: F = k Δl, где  Δl — абсолютное удлинение (сжатие) стержня. Так как абсолютное удлинение Δl (деформация) будет больше у короткой пружины, то и сила будет больше. Но дистанция на которую можно сжать пружину будет меньше, так как меньше витков пружины и короче проволока из которой намотали пружину. 

Для длинной пружины все наоборот. Сжав ее на такую же дистанцию, получаем большую деформацию для проволоки Δl, значит слабее силу. Но дистанция на которой может работать пружина больше. Значит, чем длинне пружина, тем больше она деформируется в рамках упругих деформаций, а силы развиваемые ею мягче.

Часто люди задаются вопросом, чем лингвальные брекеты отличаются от вестибулярных. Так вот участки проволочной дуги между лингвальными замками не просто малы, а очент малы. Поэтому дуга работает хуже и необходимы еще более эластичные дуги, чем для классических брекетов.

Давайте допустим, что ширина замков в лингвальной и вестибулярной системе имеют одинаковую ширину. 

механика работы дуги лингвальных брекетов

 Зеленые прямоугольники (иммитируют лингвальные замки) и синие прямоугольники (иммитирующие вестибулярные замки). Все прямоугольники одинакового размера. Но так как синие расположены по большему радиусу круга, то и расстояние между ними больше. Это означает, что и отрезки дуги между замками лингвальной системы всегда меньше. Конечно же, можно уменьшать ширину брекетов, чтобы увеличить пространства между ними. Но чем более узкий замок, тем меньше вращающий момент. 

Поэтому примитивные ротации, которые для ортодонтов являются рутинной работой, оказывается на самом деле не такой уж простой задачей. Некоторые зубы проявляют удивительное упрямство, не желая становиться в ряд. Теперь понятно,  с чем это связано.
В ходе исправления неровных зубов (наклонов и ротаций) дуга и брекет работают как рычаг, разворачивая зуб в правильное положение. Чем шире замок, тем больше рычаг. Ротационный момент напрямую определяется шириной приложения сил. Значит, лечение с широкими брекетами, проходит продуктивнее. Именно поэтому были разработаны брекеты имеющие дополнительные ротационные крылья, которые увеличивают общую ширину замков. Это брекеты Ланга и Александера

Брекеты с ротационными крыльями

Существует вилка, чем шире брекет, тем шире плечо вращения, но тем меньше пространство для дуги и ниже ее пружинящие свойства. Чем уже брекеты, тем меньше ротационное плечо, но лучшие пружинящие свойства демонстрирует дуга. Среди ортодонтов есть приверженцы одного и другого вида механики. Так в брекетах системы Roth замки для нижней челюсти всегда уже, чем для верхней. Брекеты Александера, наоборот, преследуют идею увеличить ширину замков за счет ротационных крыльев.

 Существует интересный и на первый взгляд экзотический способ увеличить пружинящие свойства за счет нанесения на нее изгибов и петель.

Петлеобразная дуга используется для вытяжения ретинированного зуба

Так в представленном случае из-за высокого положения центрального резца применяется дуга с петлями, чтобы пролонгировать тягу, но общее давление сделать мягкими.

Дуга с петлями позволяет развивать мягкие ортодонтические силы

Способ нанесения изгибов на ортодонтической дуге выглядит экзотичным в наше время, когда существует большое количество тонких и эластичных дуг. На заре развития ортодонтиии как дисциплины эластичных дуг не было, поэтому техники прямой дуги еще не существовало. Чтобы не превышать допустимые нагрузки, ортодонты использовали петли различного назначения.

Нанесение изгибов на дугу – кропотливая работа

Переход на прямую дугу оправдан, когда изгибы имеют умеренную кривизну.

в простых случаях ортодонты выбирают технику прямой дуги

 

Чем дольше лечение, тем толще становятся используемые дуги

Как ведут себя пружины, если сравнивать их по толщине поперечного сечения? Конечно же, чем толще проволока, тем жестче пружина. Этот эффект очень к стати, когда требуются финальные, небольшие развороты зубов. Однако для ортодонтии необходимо рассматривать пружину во взаимодействии с 12-14 ортодонтическими замками.

 параметры паза замков – самое важное

 

Брекет системы имеют принципиальные и непринципиальные различия. Так, например, материал, из которого изготовлены замки, является не принципиальным признаком и влияет в первую очередь на эстетику улыбки, но не механику перемещений. Значит металлические и керамические брекеты перемещают зубы почти одинаково. К принципиальным отличиям относится ширина паза зубных замков. Замки выпускаются в двух размерах, измеряемых в дюймах: 0,018 и 0,022

Профиль паза замка имеет вид прямоугольника

Представим себе, что у Вашей системы паз 0,022. Тогда первая проволочная дуга, которую будет использовать ортодонт диаметром 0,012 или 0,014, будет свободно скользить в пазах замков, и будет обладать большой свободой. Какой бы жесткой не была проволочная дуга, она не сможет полностью решить задачи, так как не будет полностью заполнять просвет пазов замков.

Прямоугольная дуга полностью занимает просвет паза

 Только толстая дуга квадратного сечения, полностью заполняя просвет прорези замка, определяет верное положение каждого зуба. Поэтому в ходе ортодонтического лечения постоянно увеличивают толщину проволочных дуг и переходят о дуг круглого сечения к прямоугольным.

Переходим к третьему критерию пружины – величина поперечного сечения (толщина).

Брекеты тянут, но не лечат!

Принцип лечения брекетами понятен, дуга тянет – зубы перемещаются. Как менять проволочные элементы, и в каком случае какую дугу выбирает стоматолог, мы разобрали. Чем более хаотично расположены зубы, тем больше кривизна  изгибов дуги. Значит, следует выбирать более тонкие, более эластичные дуги с круглым поперечным сечением. Чем ровнее зубы, тем выбираем материал дуги более жесткий, толще поперечное сечение дуг. Чем толще дуги, тем больше тенденция в сторону квадратного сечения. Просвет паза брекета все полнее и полнее заполняет дуга. Вся эта риторика лишь о том, что ортодонтическая аппаратура способна развивать силы разные по величине и направлению. Однако если есть силы, то это вовсе не означает, что будут перемещения. Вы можете убедиться в этом сами. Упритесь в стену и толкайте ее со всей силы. Увидите, не смотря на Ваши усилия, стена останется на месте. Можете попробовать переместить стену при помощи бульдозера. И результат опять будет отрицательный. Вы не переместите стену, а разломаете ее. Абсолютно также все работает в ортодонтии. Даже следуя идеальной формуле смены дуг не всегда можно добиться идеального результата. Почему? Потому, что у пружин свои правила, а у зубов свои. Чтобы зубы стали перемещаться под воздействием сначала эластичных дуг, а потом более жестких, необходимо, чтобы зубам было куда двигаться. Если объем альвеолярного отростка мал для размещения корней, то движение будет заблокировано. Вот тут то и встает вопрос, а зачем ортодонты удаляют зубы. Все принципы, что мы описали выше, работают, если дефицит места зубного ряда составляет не более 6мм. Если дефицит места превышает эту величину, то втиснуть корни в зубной ряд не получится. Есть только вариант вытолкнуть их за пределы кости – это будет осложнением лечения, из которого вернуться в исходную ситуацию не удастся. Поэтому в случаях, когда зубы не хотят поддаваться действию ортодонтических дуг, надо быть предельно внимательными и задаваться вопросом: верно ли составлен план лечения.

 Перемещение вдоль дуги

Для многих ортодонтических пациентов лечение брекетами с удалением постоянных зубов является отличным выбором. Да, мы не оговорились. Возможность проводить исправление прикуса с удалением зубов – это ни есть несчастье. Слава Богу, что такой выбор есть и для многих это отличный вариант!

Лечение с удалением дает ряд преимуществ:

  • Позволяет нормализовать соотношение зубных рядов, в случаях аномалий прикуса;
  • Исправляет сложные случаи скученного положения зубов, и при этом сохранить пропорции лица и формы зубного ряда;
  • Корни зубов в альвеолярном отростке занимают верное положение,  исключая возможность появления напряженно-деформированного состояния;
  • Значительно снижается риск развития таких осложнений как рецессия десны и резорбция верхушек корней.

В случаях если существует дефект зубного ряда (отсутствует зуб), в силу специфики плана лечения или из-за врожденной адентии, появляются особенности перемещения вдоль ортодонтической проволочной дуги. Чаще всего ортодонты используют для таких перемещений эластофорс (чейны).

эластофорс стягивает зубы

Фото демонстрирует перемещение клыка при помощи таких непрерывных эластических цепочек.

Звенья эластичной цепочки растягиваются и надеваются на брекеты разных зубов. Действие эластофорс очень похоже на действие растянутой пружины, которая хочет сжаться. Чем сильнее натягиваем эластичный элемент, тем больше формируется усилие. Действие такого элемента имеет определенный срок. От нескольких часов до 14 дней. В каждой клинической ситуации ортодонт подбирает необходимое усилие, варьируя длиной цепочки и дистанцией растяжения. Перемещаемый зуб скользит вдоль дуги как вагончик по рельсам. 

Перемещение зубов вдоль дуги может проводиться и при помощи пружин. Могут использоваться пружины, которые работают на сжатие и на растяжение.

Пружина перемещает зубы вдоль проволочной дуги

Стоматолог варьирует размером пружины в зависимости от дистанции между зубами. Правила те же, чем длиннее пружина, тем мягче ее работа.

Петлеобразная дуга сокращает дистанцию между зубами

Петля на проволочной лечебной дуге может также эффективно перемещать зубы закрывая или открывая промежутки в участках зубного ряда. Чем больше петель, тем мягче работа дуги и длительнее эффект перемещения.

Вывод. Вся брекет система и ее отдельные элементы подчинены законам механики. Если верно проведен расчет сил и направление их приложения, то брекеты справятся с поставленной задачей. Если же ортодонт что-то не учел в своих расчетах, то система перестает работать, и зубы перемещаются в патологическом направлении или вовсе не двигаются.